短鏈脂肪酸與腸道疾病關系的研究進展

趙美琪 王婧 崔乃玲 張小茜

腸道菌群（gut microbiota，GM）是定殖于人體或哺乳動物腸道中的微生物群落，主要由古生菌、真菌、細菌和病毒等組成，統稱為腸道微生物群。越來越多的研究指出，GM 作為人體的“第二基因組”和“第二大腦”，與人體健康密切相關[1～3]。GM 及其代謝產物紊亂可直接誘發消化系統疾病（如腸易激綜合征和炎癥性腸病等），并進一步通過腸-肝軸導致代謝系統疾病（如糖尿病和肥胖等）[4]。短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）是GM 的重要代謝產物和信息分子，主要由部分腸道菌群利用不易消化的碳水化合物（低聚糖、抗性淀粉、非淀粉多糖等）或宿主分泌物（粘蛋白）厭氧發酵產生，包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、異丁酸鹽、戊酸鹽等[5]。研究表明，SCFAs 可通過激活G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor,GPR）和抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases,HDACs）調節體內免疫應答及能量代謝，影響消化系統疾病的發生發展，如腸易激綜合征、炎癥性腸病、結直腸癌等[6]。現綜合近幾年國內外相關報道，進一步闡述SCFAs 在消化系統疾病發生發展中的作用機制。

1 SCFAs 概述

SCFAs 是由6 個及以下碳原子組成的飽和脂肪酸，在腸道中主要由乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽（通常比例為3∶1∶1）組成。腸道中SCFAs 主要由擬桿菌屬、梭菌屬和雙歧桿菌屬等厭氧菌發酵產生，腸腔濃度為50～100mmol/L。SCFAs 由不同的腸道細菌通過不同的代謝途徑產生，并發揮著相應的作用。腸道中的大多數SCFAs 以離子形式存在，主要通過簡單擴散、轉運體轉運[主要的轉運體有鈉偶聯羧酸轉運體（SMCT-1）/Slc5a8 和單羧酸轉運體（MCT-1）/Slc16a1 兩種]、G 蛋白偶聯受體轉運三種方式被腸上皮細胞吸收。

2 SCFAs 與腸道疾病的相關研究

有研究表明腸道SCFAs 能為腸上皮細胞供應能量、維護腸粘膜屏障完整、調控腸道動力和免疫應答，這與腸道功能性疾病、炎癥性疾病及結直腸腫瘤密切相關[7]。因此進一步研究短鏈脂肪酸與腸道疾病的相互作用機制，有利于腸道疾病的預防和管理。

2.1 SCFAs 與腸易激綜合征腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）是以腹痛或腹部不適伴排便習慣改變或大便性狀異常為特征的功能性胃腸道疾病，分為便秘型（IBS-C）、腹瀉型（IBS-D）、交替型（IBS-M）和未分型（IBS-U），其病理生理機制尚未完全闡明[8]。最近的研究發現IBS 發病與腸道菌群結構和功能紊亂關系密切，SCFAs 作為腸道菌群的主要代謝產物參與腸道功能的調節[9]。

Chey 等[10]發現IBS 患者的臨床表現（便秘、腹瀉等）與糞便中SCFAs 的水平具有相關性。與健康對照組相比，IBS-D 患者的糞便中SCFAs 總濃度顯著升高，IBS-C 患者的糞便中SCFAs 總濃度顯著降低，而IBS-U 患者的糞便中SCFAs 水平與對照組無顯著差異[11]。基于IBS 的不同亞型進行分析，Gargari 等[12]發現IBS-D 組糞便中乙酸鹽、丁酸鹽、丙酸鹽和戊酸鹽濃度高于IBS-C 組，IBS-U 組糞便中乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽濃度高于IBS-C 組。與所有IBS 患者糞便樣本相比，IBS-C 組的乙酸鹽含量顯著降低，IBS-D 組的戊酸鹽含量顯著升高，而異丁酸鹽和異戊酸鹽在IBS 亞組間無明顯差異。IBS患者結腸轉運時間的長短可能會引起腸道營養不良和SCFAs 含量改變，IBS-D 患者的特點是結腸內發酵作用增加，導致糞便中SCFAs 水平升高，從而刺激腸蠕動，而腸道轉運時間減少又會降低SCFAs 的吸收，進而導致糞便中SCFAs 濃度更高。進一步的研究發現，丁酸鹽可通過增加膽堿神經元的比例來影響腸道神經元，進而提高腸道蠕動能力[13]；而丙酸鹽能夠降低腸道蠕動能力[14]，可見SCFAs 對結腸動力的調節受其種類及濃度影響。SCFAs 作為信號調節因子，可作用于腸嗜鉻細胞進而調節5-HT 的合成和分泌，促進5-HT 的釋放，誘導腸道蠕動反射增強，加快腸道傳輸速度[15]。另有學者認為IBS 是細胞因子失衡和免疫系統過度激活的炎癥性疾病[16，17]。IBS 患者腸道中SCFAs 含量下降可抑制T 細胞向調節性T 細胞分化，從而導致抗炎因子（IL-10 等）及效應T 細胞減少，最終造成免疫反應的過度激活[18]。長期輕度炎癥反應可引起腸道肌肉和神經功能的異常，加重IBS 病變程度。

2.2 SCFAs 與炎癥性腸病炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是一組病因不明的慢性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）和 克 羅 恩 病（Crohn's disease，CD）。早 在1980 年，Roediger[19]提出的“饑餓學說”就認為UC 的病因可能與腸上皮細胞吸收利用SCFAs 障礙有關，從而引起人們對IBD 與SCFAs 關系的探討。隨著對腸道微生物和SCFAs 研究的不斷深入，SCFAs 在IBD 治療中的應用價值和前景日益凸顯。

研究發現，與健康人相比，UC 患者的糞便樣本中乙酸鹽、戊酸鹽和總SCFAs 水平均顯著下降，丙酸鹽和丁酸鹽水平無顯著差異[20]。而CD患者的糞便樣本中乙酸鹽、丁酸鹽和戊酸鹽水平低于健康人，但丙酸鹽與健康人無顯著差異[21]。Gurav 等[22]研究發現丁酸鹽通過刺激樹突狀細胞（dendritic cells，DC）過表達吲哚胺2,3-二加氧酶1（indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）和醛脫氫酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1 family member A2，Aldh1A2），進而促進未成熟T 細胞分化為FoxP3 +調節性T 細胞（regulatory T cells，Tregs），并抑制未成熟T 細胞分化為產生干擾素IFN-γ 的細胞，這是其抗炎作用的關鍵。SCFAs 具有調節腸道巨噬細胞活性的功能，利用丁酸鹽和丙酸鹽處理巨噬細胞可抑制LPS 誘導的iNOS、IL-6 和IL-12 等促炎因子的產生，但不能抑制TNF-α 或MCP-1 的產生，這些作用依賴于SCFAs 對組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HADC）的抑制[23]。在病原相關分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）刺激后，機體Toll 樣受體（toll-like receptor，TLR）可啟動免疫應答，而SCFAs 可以增強TLR 啟動的炎癥反應中NF-kB 的產生，最終引起包含杯狀細胞、腸上皮吸收細胞、腸內分泌細胞和潘氏細胞等腸上皮細胞（intestinal epithelial cell，IECs）中促炎因子（IL-6、IL-1b、IL-8 和TNF-α 等）的生成，而TNF-α 和IL-8 等可通過影響上皮間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和反向過程（mesenchymal-epithelial transition，MET）參與維持上皮細胞內穩態[24，25]。此外，SCFAs 能夠通過GPR41 和GPR43 等G 蛋白偶聯受體參與調節腸道免疫反應，研究發現缺少GPR41 和GPR43 受體的小鼠更易患結腸炎[26]，進一步研究證實SCFAs能夠激活腸上皮細胞膜上的GPR41 和GPR43，導致絲裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路，產生趨化因子和細胞因子，迅速參與入侵細菌的清除。SCFAs 還能為腸上皮細胞提供能量，參與改善IECs 的屏障活性，維持腸黏膜屏障的緊密連接作用，防止病菌感染進而減少炎癥反應的發生[27]。

2.3 SCFAs 與結直腸癌結直腸癌（colorectal cancer，CRC）是消化系統最常見的惡性腫瘤之一，其發病率位于全球惡性腫瘤的第三位，且呈逐年上升趨勢，嚴重危害人類健康。近年隨著對腸道微環境和結直腸腫瘤發病機制的深入研究，越來越多的證據表明短鏈脂肪酸在CRC 治療及預后方面具有較好的療效[28]，但是具體作用機制仍需繼續探究。

CRC 患者腸道中主要以促炎性條件致病菌和代謝紊亂相關的微生物為主，缺乏參與丁酸產生的菌株[29]。有研究發現，與健康對照組相比，CRC 患者糞便樣本中乙酸鹽的濃度相對較高，而丁酸鹽的濃度相對較低[30]。正常結腸細胞60%～70%的能量需要丁酸提供[31]，丁酸在線粒體中經 β-氧化為結腸上皮細胞增殖提供能量供應。與之相反，結直腸癌細胞利用葡萄糖有氧酵解供能，而丁酸在結直腸癌細胞線粒體中異常代謝，作為HDAC 抑制劑在細胞核內不斷積累，進而在基因表觀遺傳調控中發揮重要的作用。研究發現丁酸鹽作為HDAC 抑制劑導致p53 高乙酰化，進而下調p53 的轉錄和翻譯，同時使Sp1 和Sp3 乙酰化，進一步上調p53 靶基因（p21WAF1、p27 和細胞周期蛋白依賴性激酶）表達，誘導細胞周期阻滯和促進癌細胞凋亡[32，33]。進一步研究發現，丁酸鹽可以激活癌細胞凋亡的固有通路，刺激調控促凋亡蛋白表達的上調和抗凋亡蛋白表達的下調[34]。當丁酸鹽濃度達2～4mmol/L 時可通過激活生長停滯與DNA 損傷誘導（growth arrest and DNA damage-inducible，GADD）基 因 和MAPK信號通路誘導細胞應激反應，促進細胞凋亡。在HCT116 細胞系中，丁酸鹽可通過誘導GADD153激活MAPK 信號通路；而在RKO 結直腸癌細胞系中，丁酸鹽通過激活c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK），促進細胞凋亡[35]。SCFAs不僅可以通過誘導癌細胞分化凋亡發揮抗癌作用，還可以通過氧化應激和炎癥反應機制發揮作用。在腸上皮細胞中，丁酸鹽通過降低IL-8 的分泌和抑制iNOS 的表達來預防結腸炎癥甚至結腸腫瘤的發生。進一步研究發現[36]，丁酸鹽可以提高自由基清除蛋白的表達和谷胱甘肽s-轉移酶的活性（一種負責代謝潛在致癌物的蛋白），增強了機體內自由基清除能力，減輕氧化壓力，防止結腸黏膜的DNA 氧化損傷。TNF-α 可以激活Cox-2 蛋白表達，產生IL-10 等炎癥因子，而丁酸鹽的HDAC 抑制作用可以阻斷該反應，抑制Cox-2 蛋白表達，減輕炎癥反應，進而防止結直腸屏障功能損傷。結直腸屏障功能損傷是導致結直腸細胞癌變的主要誘因，而丁酸鹽能夠誘導結腸細胞系中黏蛋白MUC2的表達，這有利于保持腸道黏膜屏障功能穩定。

3 小結

目前越來越多的研究已經證實腸道菌群及其代謝產物通過調節免疫和炎癥反應在消化系統疾病的發生發展過程中起到了不可忽視的作用。由于IBD、IBS 和結直腸癌等消化系統疾病的發病機制復雜，與飲食習慣、環境因素和先天條件等諸多因素有關，因此SCFAs 在消化系統疾病中具體作用機制還未完全明確。但是在臨床上基于患者的實際情況，調整食物攝入，在腸內營養治療中補充SCFAs 或者高纖維飲食，改善腸道營養狀況，進而調控腸道菌群的比例及豐度，調節免疫反應，對于患者的癥狀緩解有極大的幫助，這為預防和治療消化系統疾病提供了新的思路。然而，目前大多數研究均是基于嚙齒類動物獲得，但動物與人類腸道和機體功能存在差異，缺乏可靠的臨床應用研究，具體作用機制及完善的臨床應用方案還需進一步研究和探討。