短鏈脂肪酸抗癌機(jī)制研究進(jìn)展*

楊榮 張彤心 錢莉

腸道細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物與癌癥之間的聯(lián)系是近年的研究熱點(diǎn)，短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）是結(jié)腸細(xì)菌酵解膳食纖維所得到的代謝產(chǎn)物，已有研究發(fā)現(xiàn)其在結(jié)直腸癌中發(fā)揮明顯的抗癌效果。新近研究表明其在膀胱癌、乳腺癌、胃癌、肝癌、肺癌、胰腺癌和前列腺癌等多種腸道外癌癥中均具有潛在的抗癌效應(yīng)[1]。鑒于SCFA主要在結(jié)腸產(chǎn)生，之后可經(jīng)過(guò)門靜脈到達(dá)肝臟及全身[2]，而乳腺癌與腸道菌群失調(diào)的聯(lián)系是新興的研究領(lǐng)域[3]。因而，本綜述以結(jié)直腸癌、肝癌、乳腺癌為例，系統(tǒng)闡述SCFA促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡及周期阻滯、抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的具體機(jī)制，以及其對(duì)免疫細(xì)胞的調(diào)控作用。

1 SCFA的代謝過(guò)程

1.1 SCFA的生成

短鏈脂肪酸是一種由2～6個(gè)碳原子組成的脂類物質(zhì)，包括醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等，其主要由腸道微生物酵解膳食纖維產(chǎn)生[4]。在機(jī)體的眾多器官中，腸道內(nèi)有著最大、最多樣化的微生物群。膳食纖維不能被上消化道的消化酶消化，但能被結(jié)腸細(xì)菌酵解，如擬桿菌屬、雙歧桿菌屬可以通過(guò)乙酰輔酶A途徑酵解膳食纖維生成醋酸鹽；擬桿菌屬、韋永氏球菌屬可以通過(guò)琥珀酸途徑酵解膳食纖維生成丙酸鹽；糞球菌屬可以通過(guò)磷酸轉(zhuǎn)丁酸酶/丁酸激酶途徑酵解膳食纖維產(chǎn)生丁酸鹽[5]。

1.2 SCFA的吸收

SCFA在結(jié)腸腔中產(chǎn)生后，由于醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的pKa值分別為 4.76、4.87 和4.82，因此在腸道環(huán)境中，SCFA很少通過(guò)簡(jiǎn)單擴(kuò)散和低親和力的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入結(jié)腸上皮，主要通過(guò)底物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的方式進(jìn)入結(jié)腸上皮，如通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1介導(dǎo)的中等親和力轉(zhuǎn)運(yùn)或鈉偶聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1介導(dǎo)的高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入結(jié)腸上皮[6]。研究表明，SCFA在結(jié)腸吸收最多并隨腸道的解剖走行而降低。因此，SCFA在盲腸和近端結(jié)腸中濃度最高，而在遠(yuǎn)端結(jié)腸中濃度下降[5]，此與左、右半結(jié)腸癌發(fā)病率不同，有一定的相關(guān)性。部分SCFA在腸道中被完全消耗，剩余部分可經(jīng)門靜脈到達(dá)全身發(fā)揮作用[2]。

2 SCFA抗癌機(jī)制

SCFA可以被癌細(xì)胞表面的G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR）特異性識(shí)別。此外，由于SCFA分子量較小，所以SCFA還可以進(jìn)入癌細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）的活性，進(jìn)而上調(diào)組蛋白乙酰化及巴豆酰化，發(fā)揮直接抗癌作用。SCFA還可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞發(fā)揮間接抗癌作用（圖1）：腸道細(xì)菌酵解膳食纖維后產(chǎn)生SCFA，其不僅可以作用于腸道，還能經(jīng)門靜脈系統(tǒng)到達(dá)肝臟及全身發(fā)揮抗癌作用；SCFA被癌細(xì)胞表面的GPCR特異性識(shí)別后，通過(guò)增加TNF-α的分泌、上調(diào)Fas-L的表達(dá)、降低Bcl-2的表達(dá)、下調(diào)CDK及Cyclin活性、抑制MAPK/ERK通路，從而發(fā)揮促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡、周期阻滯及抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用。SCFA進(jìn)入癌細(xì)胞核內(nèi)，通過(guò)抑制HDAC，進(jìn)而增加TNF-α的分泌、上調(diào)Fas-L的表達(dá)，降低氧消耗或乳酸代謝；下調(diào)Cyclin活性、上調(diào)CDK抑制劑p21基因的表達(dá)；抑制Akt/ERK通路，從而發(fā)揮促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡、周期阻滯和抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用。SCFA可以增強(qiáng)B細(xì)胞分泌IgA以及IgG的能力、增強(qiáng)T細(xì)胞分泌IFN-γ的能力、增強(qiáng)癌細(xì)胞表面MICA/B表達(dá)，進(jìn)而增加NK細(xì)胞的識(shí)別能力、增強(qiáng)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生ROS的能力。

圖1 SCFA抗癌機(jī)制

2.1 作用于GPCR

SCFA可以被癌細(xì)胞表面的GPCR特異性識(shí)別，進(jìn)而激活下游的信號(hào)通路，促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡、誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期阻滯，減弱癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲能力。已知的SCFA受體包括GPR41、GPR43以及GPR109A。醋酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽均可作為GPR41、GPR43的激動(dòng)劑，丁酸鹽同時(shí)可作為GPR109A的激動(dòng)劑[7]。

2.1.1 促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡 SCFA作用于癌細(xì)胞表面的GPCR后可以通過(guò)死亡受體凋亡途徑以及線粒體凋亡途徑誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。

死亡受體凋亡途徑主要由TNF家族以及Fas家族介導(dǎo)。有研究發(fā)現(xiàn)，在肝癌細(xì)胞中，丙酸鹽激活GPR41后可增加TNF-α的分泌，從而誘導(dǎo)肝癌HepG2細(xì)胞凋亡[8]。SCFA作用于GPR109A后還可以升高促凋亡基因Fas-L的表達(dá)[9]，進(jìn)而促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡。

線粒體凋亡途徑主要受線粒體外膜的Bcl-2家族調(diào)控，Bcl-2家族中的Bcl-2基因可以通過(guò)阻斷細(xì)胞色素c釋放等途徑，發(fā)揮抗凋亡作用。有研究表明在捷克隊(duì)列中，乙酸和丙酸水平不足與結(jié)直腸癌風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[10]，并且在結(jié)直腸癌細(xì)胞中，SCFA激活GPR43后可以增加含caspase-3/6/7/8的切割，降低Bcl-2的表達(dá)[5]。已知NF-κB可以激活抗凋亡基因Bcl-2，而SCFA已被證明可以通過(guò)激活 GPR43-β-arrestin 2 介導(dǎo)的替代信號(hào)通路，抑制NF-κB的核轉(zhuǎn)位，進(jìn)而促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡[11]。

2.1.2 誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期阻滯 細(xì)胞周期分為G0/G1、S、G2及M期，主要受細(xì)胞周期蛋白（cyclin）以及細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶 (cyclin-dependent protein kinase，CDK)調(diào)控，CDK與cyclin結(jié)合后推動(dòng)細(xì)胞周期的進(jìn)行。有研究表明，SCFA激活GPR43后降低CDK1、CDK2、cyclin D3的表達(dá)并以p53非依賴性的方式增加CDK抑制因子p21的表達(dá)，導(dǎo)致癌細(xì)胞周期阻滯[5]。此外，SCFA作用于癌細(xì)胞表面的GPR109A后，可以下調(diào)cyclin D1、cyclin B1等周期蛋白以及CDK1的表達(dá)，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期阻滯[5,9]。

2.1.3 減弱癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲能力 已知上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化與癌癥轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，其特征包括E-鈣黏蛋白表達(dá)缺失以及細(xì)胞骨架重排[12]。在乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231和MDA-MB-436中，SCFA通過(guò)作用于癌細(xì)胞表面的GPR43，調(diào)節(jié)大腫瘤抑制基因1蛋白，進(jìn)而促進(jìn)Yes-相關(guān)蛋白1磷酸化，使癌細(xì)胞E-鈣黏蛋白表達(dá)量升高、應(yīng)力纖維含量明顯降低[13]。在乳腺癌細(xì)胞系MDA-MB-231中，SCFA還可以通過(guò)激活GPR41，抑制MAPK/ERK通路，減少癌細(xì)胞中應(yīng)力纖維的含量。這些均提示SCFA可能具有抑制乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移及侵襲能力[12-13]。此外，丁酸鹽在體外作用于人結(jié)直腸癌細(xì)胞系RKO后，通過(guò)激活GPR41抑制MAPK/ERK2信號(hào)通路，以劑量依賴性方式抑制RKO細(xì)胞遷移[6]。

2.2 上調(diào)組蛋白乙酰化水平

已有研究表明，SCFA可以通過(guò)抑制HDAC，上調(diào)組蛋白乙酰化水平，產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄和開放活性更高的染色質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期阻滯的特定基因的轉(zhuǎn)錄[4]。

SCFA通過(guò)抑制HDAC，誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡。在肝癌HepG2細(xì)胞中，丙酸鹽通過(guò)抑制HDAC，增加TNF-α 的分泌，從而誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞凋亡[8]。此外，在乳腺癌細(xì)胞系MCF-7中，丁酸鹽通過(guò)抑制HDAC上調(diào)Fas水平，以不依賴p53的方式增強(qiáng)Fas觸發(fā)的死亡受體凋亡途徑[14]。已知氧氣和乳酸均能被癌細(xì)胞利用，而SCFA可以參與調(diào)節(jié)癌細(xì)胞系的能量代謝，如丁酸鈉可以通過(guò)抑制HDAC誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞系的氧消耗或抑制乳酸代謝[14]，進(jìn)而促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的凋亡。

SCFA通過(guò)抑制HDAC，誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期阻滯。有研究表明，丁酸鹽可以通過(guò)抑制HDAC8降低JAK2/STAT信號(hào)通路的活性，進(jìn)而使得cyclin D1的活性降低，促進(jìn)癌細(xì)胞周期阻滯。此外在乳腺癌細(xì)胞系中，丁酸鹽還可發(fā)揮HDAC抑制活性使CDK抑制劑p21基因表達(dá)上調(diào)，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞周期阻滯[14]。

SCFA通過(guò)抑制HDAC，發(fā)揮抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的作用。蛋白激酶B（Akt）和ERK信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架，激活后可以增強(qiáng)癌細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和侵襲能力。有研究發(fā)現(xiàn)，在體外人結(jié)直腸癌細(xì)胞系HCT116、HT29、LOVO和HCT8中，加入丁酸鹽可以阻斷HDAC3活性使Akt/ERK信號(hào)通路失活，使癌細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力下降，提示丁酸鹽可以阻礙結(jié)直腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲[15]。此外，miR-31可以通過(guò)介導(dǎo)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架細(xì)胞的重塑減弱癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲能力。有研究表明，在MDA-MB-231中加入丁酸鹽后可以阻斷HDAC2活性使miR-31表達(dá)上調(diào)[16]，并且在MDA-MB-231中，利用5-氮雜-2′-脫氧胞苷增強(qiáng)miR-31表達(dá)后，Transwell實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞的遷移和侵襲能力減弱[17]，提示丁酸鹽可抑制乳腺癌轉(zhuǎn)移。

2.3 上調(diào)組蛋白巴豆酰化水平

SCFA可能通過(guò)上調(diào)組蛋白巴豆酰化發(fā)揮一定的抗癌作用。組蛋白巴豆酰化是一種新發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳修飾，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力[18]。有研究發(fā)現(xiàn)，SCFA可以通過(guò)抑制HDAC活性，促進(jìn)人結(jié)腸癌細(xì)胞系HCT116和C57BL/6小鼠小腸類器官培養(yǎng)物中的組蛋白巴豆酰化，并且組蛋白巴豆酰化與細(xì)胞停滯于G2~M期有關(guān)[19]。此外，有研究表明組蛋白巴豆酰化水平升高會(huì)抑制內(nèi)吞相關(guān)基因和促生長(zhǎng)基因的表達(dá)[20]，進(jìn)而抑制癌細(xì)胞攝取能量及生長(zhǎng)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)在肝癌細(xì)胞系Huh-7移植小鼠中，敲低HDAC或添加HDAC抑制劑后可以上調(diào)巴豆酰化水平；提高組蛋白巴豆酰化后，Transwell實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肝癌細(xì)胞遷移能力減弱。此外，將Huh-7細(xì)胞皮下注射至裸鼠的側(cè)腹區(qū)域并給小鼠腹腔注射HDAC抑制劑曲古抑菌素（TSA），24天后稱取小鼠腫瘤重量，發(fā)現(xiàn)與未給予TSA的荷瘤小鼠相比，小鼠腫瘤重量較低，提示上調(diào)組蛋白巴豆酰化后可能抑制肝癌細(xì)胞的進(jìn)展[21]。

2.4 SCFA通過(guò)調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞間接發(fā)揮抗癌效應(yīng)

SCFA可以通過(guò)調(diào)節(jié)固有免疫細(xì)胞及特異性免疫細(xì)胞功能塑造局部腸道和全身免疫環(huán)境，從而發(fā)揮抗癌作用。

2.4.1 增強(qiáng)固有免疫細(xì)胞的功能 固有免疫細(xì)胞包括巨噬細(xì)胞、自然殺傷（natural killer，NK）細(xì)胞等，SCFA可能具有參與固有免疫系統(tǒng)的重塑、增強(qiáng)固有免疫系統(tǒng)的抗癌作用。

SCFA可以增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的抗癌效應(yīng)。活性氧（reactive oxygen species，ROS）是巨噬細(xì)胞發(fā)揮吞噬和殺傷作用的主要介質(zhì)。有研究表明，丁酸鹽處理的巨噬細(xì)胞糖酵解代謝途徑減少、戊糖磷酸代謝途徑增多，這可能有助于還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷 酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)NADPH氧化酶依賴性ROS產(chǎn)生，誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[22]。M1型巨噬細(xì)胞主要發(fā)揮抗癌效應(yīng)，而M2型巨噬細(xì)胞有利于癌癥進(jìn)展。有研究表明，SCFA可通過(guò)SCFA-GPR43-RhoA-YAP軸，增加p53水平，抑制M1型巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞極化[11]。另外有研究發(fā)現(xiàn)，SCFA能夠誘導(dǎo)分離的脂肪組織中的M2型巨噬細(xì)胞分泌TNF-α[23]，誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。

SCFA可以增強(qiáng)NK細(xì)胞的抗癌效應(yīng)。NK細(xì)胞2族成員D受體（natural killer group 2 member D，NKG2D）表達(dá)于NK細(xì)胞表面[24]。NKG2D通過(guò)與其配體MHC I鏈相關(guān)分子A和B家族（MHC class I chain-related molecule A/B，MICA/B）接觸，激活NK細(xì)胞的細(xì)胞毒性，通過(guò)釋放穿孔素、顆粒酶等途徑殺傷癌細(xì)胞，還能增強(qiáng)T細(xì)胞的共刺激信號(hào)，發(fā)揮NK細(xì)胞的抗原提呈作用[25]。有研究發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞表面MICA/B的表達(dá)水平下降，不利于NKG2D識(shí)別，而丙酸鹽誘導(dǎo)的乙酰化可以上調(diào)癌細(xì)胞表面MICA/B的表達(dá)[24]，從而增強(qiáng)NK細(xì)胞對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別作用。

2.4.2 增強(qiáng)特異性免疫細(xì)胞的功能 SCFA能夠增強(qiáng)B細(xì)胞的抗癌作用。B細(xì)胞主要通過(guò)分泌抗體，進(jìn)而以抗體依賴性細(xì)胞毒作用、吞噬作用和補(bǔ)體激活途徑發(fā)揮抗癌效應(yīng)[26]。早期研究發(fā)現(xiàn)，食用膳食纖維可以增加動(dòng)物體內(nèi)的抗體水平，恢復(fù)體液免疫[27]，提示SCFA可以通過(guò)不依賴SCFA受體的途徑促進(jìn)B細(xì)胞分化為能夠產(chǎn)生抗體的細(xì)胞；此外，乙酸鹽還可以通過(guò)作用于GPR43受體，促進(jìn)B細(xì)胞分化，增加IgA、IgG的分泌水平，進(jìn)而發(fā)揮抗癌效應(yīng)。

SCFA能夠增強(qiáng)CD4+T細(xì)胞的抗癌作用。抗原識(shí)別后，CD4+T細(xì)胞主要通過(guò)分泌細(xì)胞因子激活其他抗癌細(xì)胞的功能。有研究表明SCFA可以增強(qiáng)效應(yīng)CD4+T細(xì)胞的功能[28]，且在非穩(wěn)態(tài)條件下，丁酸鹽能夠增強(qiáng)CD4+T細(xì)胞分泌γ-干擾素（interferon-γ，IFN-γ）的能力；IFN-γ能夠提高NK細(xì)胞、巨噬細(xì)胞的活性，還可以直接誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡等發(fā)揮抗癌效應(yīng)[29]。

SCFA能夠增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞的抗癌作用。CD8+T細(xì)胞在抗腫瘤免疫中起著核心作用，可以通過(guò)釋放顆粒酶、穿孔素、組織蛋白酶 C或者Fas-FasL途徑直接殺傷帶有致敏抗原的癌細(xì)胞[30]。有研究表明SCFA受體GPR43的缺失，會(huì)促進(jìn)CD8+T細(xì)胞的耗竭，進(jìn)而促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生[31]。也有研究發(fā)現(xiàn)醋酸鹽可以激活低反應(yīng)性的CD8+T細(xì)胞，增加IFN-γ的分泌[32]。此外，丁酸鹽可以增強(qiáng)活化 CD8+T細(xì)胞的記憶潛力，醋酸鹽可以增強(qiáng)記憶CD8+T細(xì)胞分泌IFN-γ的能力[32]，發(fā)揮抗癌作用。

SCFA可以通過(guò)上調(diào)抗PD-1的療效，間接增強(qiáng)特異性免疫。近年來(lái)，抗PD-1/PD-L1免疫療法成為一種有前途的治療癌癥的方法[33]，此療法可以抑制腫瘤免疫逃逸、增加T細(xì)胞的功能，已在多種癌癥中發(fā)揮顯著作用。但由于惡性腫瘤的異質(zhì)性，有的患者療效不佳[34]。有研究表明采用結(jié)直腸癌患者腸道菌群培養(yǎng)的荷瘤小鼠在攝入可溶性膳食纖維果膠后，小鼠體內(nèi)丁酸含量升高；與單獨(dú)使用抗PD-1療法的荷瘤小鼠相比，抗PD-1單抗與果膠聯(lián)合使用時(shí)顯示療效顯著增強(qiáng)[35]。此外，與單獨(dú)使用抗PD-1的黑色素瘤患者相比，高濃度SCFA與抗PD-1單抗聯(lián)合治療的患者無(wú)進(jìn)展生存期延長(zhǎng)[36]。腎細(xì)胞癌患者在攝入能夠產(chǎn)生丙酸鹽和醋酸鹽的新菌種Akkermansia muciniphila后，抗PD-1療效也有所增加[37]。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

SCFA是腸道微生物酵解膳食纖維所得到的脂類物質(zhì)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)飲食或給予細(xì)菌等途徑調(diào)節(jié)體內(nèi)水平。在精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代，如何精確有效地操縱群落屬性是一個(gè)重要的研究目標(biāo)。研究并開發(fā)微生物導(dǎo)向食品、采用新輔助化療方案，從而有選擇性地增加有益人體的腸道微生物豐度和SCFA水平具有良好的應(yīng)用前景。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)SCFA在多種癌癥中發(fā)揮重要作用，鑒于其抗癌作用以及安全可靠、能夠調(diào)控等特性，有望通過(guò)制定合理規(guī)范的飲食指南、給予有益菌群或糞便移植等方法，達(dá)到治療或緩解癌癥的效果。值得注意的是，雖然SCFA具有潛在的抗癌效果，但是關(guān)于SCFA在腸道外發(fā)揮作用的研究比較有限，腸道微生物群與腸外癌癥的聯(lián)系是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，隨著多組學(xué)尤其是代謝組學(xué)的使用，相信可以快速證明腸道微生物群和多種癌癥之間更精確的聯(lián)系，并將這些發(fā)現(xiàn)引入臨床實(shí)踐。