丁酸在非酒精性脂肪性肝病發生發展中的作用

黨文呈， 鄧烽丞， 李兆龍， 萬燊燚， 張有成

蘭州大學第二醫院 普通外科， 蘭州 730030

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一個新興的公共衛生問題，其發病率和患病率在全球范圍內均呈持續上升趨勢[1]。NAFLD指存在至少5%的肝脂肪變性，但缺乏繼發性肝脂肪積聚的常見原因，如先天性肝病、自身免疫性肝炎、慢性病毒性肝炎、過量飲酒或長期使用脂肪誘導藥物[2]。一部分NAFLD患者先發展為NASH再發展為肝硬化，最終發展為肝細胞癌[3]。雖然近年來對于NAFLD的治療取得了一些進展，但由于NAFLD的發病機制尚未完全闡明，其治療仍是臨床上的一大難點[4]。近來有研究表明，腸道微生物代謝產物丁酸對非酒精性脂肪性肝病的發病以及進展有一定的作用[5-6]。本文重點介紹了關于丁酸在NAFLD發生發展中的相關機制。

1 丁酸與腸道菌群

近年來，人們對腸道微生態有了更加深入的理解。腸道微生態是指由生活在人類腸道內的細菌、原生生物、古生菌、真菌和病毒組成的生態系統。迄今為止，胃腸道微生態系統是研究最早和最多的人體微生態系統，對人體健康有著極為重要的作用，而在此復雜的生態系統中，細菌扮演主要角色。據統計，腸道有1014數量級的細菌，種數達1000余種，其中絕大多數是專性厭氧菌[7]。而最主要的4種菌群為厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形桿菌門。據估計，有90%的微生物屬于厚壁菌門和擬桿菌門[8]。腸道微生物的組成和功能受到環境因素和多種宿主因素的影響，包括飲食、活動、藥物、晝夜變化和地理位置等[9]。因此，腸道菌群具有數量巨大、多樣化、復雜性和不定性的特點。類似于“原始森林”的人體腸道菌群參與食物的分解、營養物質的分泌、調節體脂含量、吞食食物殘渣、免疫系統的調節等諸多新陳代謝過程。

短鏈脂肪酸是由小腸遠端和大腸的微生物群發酵抗性淀粉、膳食纖維和其他低消化率多糖產生的[10]。主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸。其中，含量相對較高的是乙酸、丙酸和丁酸，是腸道中主要的短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸一旦產生就會被結腸黏膜細胞吸收進而通過門靜脈進入血液循環。人體腸道中通過發酵產生丁酸的細菌主要有擬桿菌屬、真桿菌屬和梭菌屬[11]。丁酸在腸道上皮細胞的功能主要有：作為結腸細胞的主要能量來源；促進消化道黏膜細胞的生長；誘導腸道上皮細胞的分化；細胞膜脂類合成的基質；參與細胞骨架構建的改變以及增加組蛋白乙酰化和誘導細胞編程死亡等[11]。

2 丁酸影響NAFLD形成的機制

NAFLD的確切發病機制目前尚不完全清楚，但多數動物實驗研究表明其與炎癥反應、胰島素抵抗和肝線粒體氧化應激密切相關，屬于代謝綜合征的一部分。而丁酸可以通過減輕炎癥反應、抑制胰島素抵抗和減弱肝線粒體氧化應激等機制影響NAFLD的發生和發展。

2.1 丁酸減輕內毒素血癥和炎癥反應 起源于同一胚層的肝臟和腸道在解剖和功能上有許多聯系。自從腸-肝軸概念問世以來，肝臟和腸道的關系就逐漸被人們所研究和認識[12]。隨著研究的不斷深入，越來越多的證據表明腸道菌群紊亂導致腸壁通透性增加，進而導致大量內毒素釋放入血，這是NAFLD發生發展的諸多因素之一。正常情況下，腸道黏膜機械屏障、免疫屏障和腸道菌群共同組成腸道防御系統，并通過抑制細菌和毒素在腸道內的移位、抑制致病菌的生長等方式來抵御致病菌對人體的侵襲[13]。當革蘭陰性細菌等有害菌過度生長、死亡導致腸道菌群失衡時，釋放出的脂多糖(LPS)以及內毒素等有害物質超出肝臟清除能力，再加上腸壁通透性增加、腸黏膜機械屏障和免疫屏障受損進而防御機制下降等情況下，大量有害物質釋放入血并對肝臟直接產生毒性作用，炎癥介質過度表達并且激活炎性反應信號通路，從而導致肝損傷引起NAFLD[7,14]。

丁酸在哺乳動物腸道中發揮著許多有利作用，如抑制炎癥因子的生成[15]、抑制腸道內有害細菌的生長和保護胃腸道屏障功能[16]。Endo等[6]研究發現，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通過改變腸道菌群，恢復腸道屏障功能，有效降低門靜脈血流中腸道源性內毒素水平，從而降低肝臟炎癥因子TNFα和TNFα調節的轉錄因子NF-κB水平，從而抑制NAFLD的進展。有實驗研究[17]表明，丁酸鈉干預顯著改善NAFLD小鼠模型腸道微生物菌群，即放線菌等有害細菌顯著減少而Christensenellaceae菌、Blautia菌和乳酸桿菌等產丁酸的有益菌顯著增加；并且證實丁酸鈉干預能夠上調ZO-1蛋白水平來促進腸道緊密連接屏障的修復，降低腸道通透性進而減少病原體相關分子模式向血液循環的逃逸；該研究還證實了NAFLD小鼠模型經丁酸鈉干預后，內毒素和LPS受體Toll樣受體(TLR)4以及下游Myd88蛋白顯著下降，進而減少了MCP-1、TNFα、IL-1、IL-2、IL-6和IFNγ等促炎因子的釋放。

SIRT3是線粒體功能的整體調控因子之一，在NAFLD的發生發展中起著重要的作用[18]。Chen等[19]實驗表明，用高脂飼料喂養SIRT3基因敲除小鼠時，小鼠腸道通透性增加、LPS顯著增加并且激活炎性反應通路LPS-CD14-TLR4從而促進小鼠NAFLD的進展，同時給予丁酸鈉干預后，腸道緊密連接結構的mRNA和蛋白表達水平顯著增高，包括ZO-1、occludin和claudin1，并且TNFα、IL-1、IL-6等促炎因子水平降低而IL-10等抗炎因子水平升高。因此，該研究認為丁酸鈉可以通過減輕高脂水平誘導SIRT3基因敲除小鼠的腸黏膜損傷，改善腸道緊密連接結構，減少腸道內毒素進入肝臟來改善NAFLD的進展。該研究同樣提示SIRT3對NAFLD的有效作用可能在很大程度上是由于腸道有害細菌的減少，產生丁酸的細菌數量的增加，以及腸道屏障功能的改善。有研究[20]發現Gpr109a能夠抑制脂肪組織甘油三酯的積累以及調節脂質穩態，隨后Koh等[21]研究表明，短鏈脂肪酸受體Gpr109a在脂肪細胞、肝細胞和結腸細胞中表達，主要由丁酸鹽識別并激活。同樣Liang等[5]通過實驗研究證實，乳酸菌和雙歧桿菌的益生菌混合物通過其代謝產物丁酸和短鏈脂肪酸受體Gpr109a的相互作用來抑制炎癥反應以改善小鼠NAFLD的進展。

2.2 丁酸抑制胰島素抵抗 在“二次打擊”學說中，初次打擊所指的是以胰島素抵抗為基礎，經過一系列復雜反應引起單純的肝臟脂肪變性[22]。胰島素抵抗是NAFLD發病和病情進展的重要環節。關于胰島素抵抗發生機理有兩種假說，一種是炎癥假說，認為IL、TNF、CRP等炎癥因子會使胰島素受體酪氨酸磷酸化速度下降，減弱胰島素的生物利用[23]；另一種是信號轉導假說，蛋白激酶C和蛋白質酪氨酸磷酸酶非受體1型過度表達時使酪氨酸殘基磷酸化，磷酸化后的胰島素受體的活性下降，使其信號傳導減弱，胰島素生物效應下降而出現胰島素抵抗[24-25]。張秋楠等[26]通過實驗研究證實，NAFLD患者腸道菌群變化與胰島素抵抗指數(HOMA-IR)密切相關。亦有學者[27]研究發現相對于普通小鼠來說，無菌小鼠糖耐量更高，餐后胰島素水平也相應降低，并一定程度上可以改善高脂飲食的胰島素抵抗。隨后有實驗研究[28]表明，丁酸及其衍生物苯丙氨酸丁胺在一定程度上能夠限制高脂飲食誘導的TLR轉錄和表達的增加，尤其使TLR4及其共受體CD14在肝臟中的表達正常化，同時證實丁酸鹽對限制脂肪變性相關的胰島素抵抗的早期分子事件具有保護作用，即降低胰島素抵抗相關分子如GLUT2、PTP1B和SOCS3等的表達，但具體機制尚待進一步研究。

Henagan等[29]通過實驗研究發現，丁酸通過上調核編碼的肌組織線粒體基因中的一核小體上的Pgc1α來增加胰島素敏感性以及抑制肥胖。Chriett等[30]通過細胞實驗表明，丁酸可以改善大鼠L6肌管胰島素抵抗表型，通過以下兩種方式，一是激活蛋白激酶B和分裂原活化蛋白激酶兩條胰島素信號通路來增加肌細胞胰島素敏感性；另外由于丁酸是一種組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可通過誘導胰島素受體底物1的高表達從而改善大鼠肌組織胰島素抵抗。同樣，Mollica等[31]通過實驗研究發現，與標準飲食組小鼠相比，高脂飲食小鼠血糖顯著升高，但給予丁酸以及苯丙氨酸丁胺能夠顯著改善高脂飲食小鼠的HOMA-IR，其機理可能是由于激活AMPK/ACC途徑以及增加AKT的磷酸化水平和上調其下游GLUT2的表達。綜上，丁酸對于改善胰島素抵抗以及對胰島素抵抗引起的NAFLD的控制有極其重要的作用。

2.3 丁酸減弱氧化應激 肝線粒體功能障礙可引起脂肪氧化、活性氧(ROS)生成和氧化應激的改變[32]，ROS生成增加與線粒體解耦的減少有關[33]。ROS或脂質過氧化產物激活肝星狀細胞，刺激細胞外基質蛋白(包括Ⅰ型膠原蛋白)的生成[34]。因此，ROS在肝纖維化的發展中起重要作用。Nrf2是一種高效的轉錄激活因子，對誘導許多細胞保護基因表達具有重要作用[35]。Endo等[6]實驗研究表明，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通過代謝產物丁酸激活AMPK/SIRT1/PI3K/mTORC2/AKT/Nrf2信號通路，從而誘導Nrf2表達，通過抗氧化應激直接抑制肝星狀細胞活化和肝纖維化的發生，這對于預防NAFLD的進展非常重要。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)具有明顯的抗氧化能力[36]。Hatzis等[37]也通過實驗研究表明，褪黑素在體內對高脂飲食所誘導的肝臟疾病的保護作用與肝臟組織中過氧化和氧化應激的減輕有關。同樣有實驗研究[38]證實，補充丁酸鈉可以增強腸內褪黑素的合成，進而減弱內毒素誘導的活性氧的生成和肝臟氧化應激，對NAFLD的進展有一定的抑制作用。Mollica等[31]也通過實驗研究表明，丁酸鹽能夠通過激活AMPK/ACC通路，減少ROS生成，減弱氧化應激，調節線粒體的生物效率和功能狀態，從而降低肝臟脂肪量，抑制NAFLD的進展。

3 問題與展望

NAFLD的發病機制及演變過程十分復雜，目前尚無特別有效的治療方法。到目前為止，雖然有一些關于丁酸抑制NAFLD發生發展的相關機制已被相關研究所證實，但仍缺乏足夠的、有說服力的證據說明丁酸應何時及如何應用。另外，許多研究均是在動物模型中進行的，是否對臨床患者有效仍然是一個重大的挑戰。綜上，它為NAFLD治療的干預策略開辟了潛在的途徑。腸道菌群及其代謝產物丁酸的具體作用仍是當前研究的重點，丁酸的應用有望成為NAFLD新的防治措施。