支链脂肪酸及其抗炎作用研究进展

李晓青，林 崟，施文婕，宋夜雨，杨诗敏，闫媛媛

(上海交通大学医学院 公共卫生学院，上海 200025)

支链脂肪酸(Branched chain fatty acid，BCFA)是分枝杆菌、枯草杆菌等细菌细胞膜的组成成分[1]，广泛存在于自然界中，也存在于动物体内，在植物表面也有微量分布[2]。我国对于支链脂肪酸的研究大多还集中在牛羊类反刍动物的乳汁、肉制品上，对于与人类相关支链脂肪酸的研究还很少。

1 BCFA的结构与分布

1.1 BCFA的结构

BCFA大多是饱和脂肪酸，其碳骨架上有1个或多个支链(以支链甲基常见)，支链通常在末端或倒数第2个碳上，可以分为单支链和多支链脂肪酸。支链甲基位于碳链骨架的倒数第2个碳原子上，称为iso(异)-BCFA，位于倒数第3个碳原子上，则称为anteiso(反异)-BCFA。特殊的支链结构和饱和状态使BCFA具有独特的理化性质，如低冻点和倾点、良好的热稳定性和氧化稳定性等[3]。BCFA的存在改变了细胞膜脂质的物理性质，使之具有较低的相变温度和较大的流动性，饱和状态也使之不容易受到活性氧的攻击。

1.2 BCFA的分布

人类的BCFA由皮肤表面的皮脂腺或者睑板腺合成，存在于皮肤、血浆和乳汁中。BCFA与胎儿的关系十分密切，是胎儿皮脂的重要组成部分，占其干重的10%～20%。24周胎龄时胎儿开始合成皮脂，孕后期时胎儿体表的皮脂脱落并形成微粒悬浮于羊水中，随着胎儿的吞咽动作而进入其肠道内[4]。Ran-Ressler等[4]研究表明，健康足月新生儿的皮脂和粪便均存在BCFA，从婴儿的皮脂中检测出30种BCFA，碳原子个数在11～26之间，以饱和BCFA为主，种类有iso-BCFA、anteiso-BCFA和中链单甲基、二甲基BCFA；而粪便中的BCFA碳原子个数在16～26之间，9个粪便样本中有8个检测出iso-BCFA，但只有2个检测出单不饱和脂肪酸(MUFA)和anteiso-BCFA。还有研究[5]用anteiso-17∶0、iso-16∶0、iso-18∶0和iso-20∶0培养人类H4细胞，结果表明尽管所有BCFA都能成为细胞质的一部分，但其中以anteiso-17∶0优先被利用，短链iso-BCFA相较于长链iso-BCFA更容易被吸收。人类H4细胞是一种没有经过转换的胎儿肠道上皮细胞，当其暴露于充足的BCFA的环境下时，会代谢大量特定结构的BCFA并将其合并到细胞质内。

由此可知，婴儿皮脂和粪便中的BCFA存在含量与种类上的差异，是因为婴儿肠道的选择性吸收所致，BCFA不是惰性的成分。粪便中的BCFA谱向高相对分子质量迁移以及除iso-BCFA外大部分BCFA的缺失，更加说明BCFA不是毫无作用的惰性成分，胎儿有选择地代谢了大多数BCFA，BCFA则可以称作人类第一顿固体食物。

1.3 人乳中的BCFA

由于支链脂肪酸占比极低，且在气相色谱分析中容易被饱和脂肪酸(SFA)和MUFA所掩盖，故其报道并不常见。直到1958年Insull等[6]首次在人乳中检测出支链脂肪酸，人乳中的BCFA才为人们所知。人类对于支链脂肪酸的摄入并不仅局限于围产期，人乳作为婴儿的最佳食物含有多种BCFA，是新生儿膳食BCFA的主要来源。虽然人体内部组织的BCFA含量极低，但人乳中其含量可高达1.5%，且在初乳和成熟乳中都存在。一个3个月大的婴儿平均每天摄入800 mL的人乳，其中就含有152 mg BCFA(摄入量约23 mg/kg)，而对于DHA，3个月大婴儿的摄入量仅为12 mg/kg，婴儿BCFA的摄入量甚至超过了DHA[7]。由此可知，哺乳期的婴儿对BCFA的需要较大，BCFA可能在婴儿期扮演着重要角色。

人乳中BCFA的含量受到多种因素的影响，存在着明显的个体差异，包括遗传[8]、饮食和年龄[9]等。一项研究[10]对辛辛那提、上海和墨西哥3个地区母亲产后4周的人乳进行分析，结果显示人乳中BCFA的含量受到哺乳期母亲摄入反刍类动物制品的影响，尤其是奶制品。欧美地区的居民习惯食用奶制品[11]，而中国人摄入较少，饮食摄入BCFA少则人乳中BCFA含量也相对较低。

哺乳期和孕龄对母乳BCFA的含量亦有影响[9]。人乳的BCFA主要位于甘油三酯的sn-2位，而牛羊奶的BCFA仅有1/3位于sn-2位。sn-2位的BCFA对婴儿而言具有更重要的意义，这是因为肠道中的胰脂肪酶分解脂肪酸形成2-单酰甘油(2-MAGs)和游离脂肪酸(FFAs)，肠道优先以2-MAGs的形式吸收sn-2位的BCFA，sn-1和sn-3位的BCFA则分解为FFAs，最后形成不溶性的钙皂。早产儿易发生坏死性小肠结肠炎(NEC)，许多研究均表明早期BCFA的摄入不足与NEC存在关联。在足月产产妇的初乳中BCFA含量超过1%，而在早产产妇中其含量仅有0.68%，无法满足早产儿对BCFA的需要，这可能解释了为何早产儿出生后的前两周更容易发生NEC,尤其是没有初乳喂养的早产儿。同时处于不同哺乳期的妇女其乳汁中BCFA的含量也存在差别，随着泌乳期的进展，泌乳量有所增加，但几乎所有BCFA的含量都下降了，尤其是anteiso-17∶0和anteiso-15∶0[9]。配方奶以牛羊乳为原料，从而忽略了早期早产儿对于sn-2位BCFA的需要，导致了罹患NEC等疾病的可能。配方奶粉应适量添加BCFA，开发BCFA作为孕期、哺乳期妇女的膳食补充剂也十分必要。目前国内针对人类乳脂BCFA的研究比较缺乏，这一领域具有广阔的研究前景。

2 BCFA与炎症的关系

2.1 BCFA对炎症因子分泌的调节作用

BCFA对人肠道上皮细胞有显著的抗炎作用。Yan等[12]预先用BCFA、EPA和DHA处理人肠道上皮细胞(Caco-2)，随后使用LPS施加刺激以产生炎症。结果表明，LPS可刺激Caco-2细胞使其释放IL-8(Interlukin-8)，从而介导炎症反应的发生。但提前加入BCFA、EPA和DHA会降低IL-8的含量，anteiso-BCFA的效果优于iso-BCFA。该实验首次证明BCFA能够减少细胞炎症反应产物的产生。BCFA可能通过抑制了Caco-2细胞表面TLR-4的表达，从而抑制LPS向细胞内的呈递，因此导致由LPS激活的NF-κB减少，IL-8的合成降低，使炎症反应减轻。

2.2 BCFA与NEC

NEC是早产儿发病的主要原因[13]，其死亡率高但发病机制尚不明确，可能和新生儿窒息、早产、肠道细菌定植和喂养因素有关；特征为肠黏膜甚至肠深层坏死，是非常严重的疾病，从出现早期症状到发展为肠组织的广泛坏死只需几个小时，因而行之有效的预防措施非常必要。妊娠后期胎儿吞食含有BCFA的皮脂[13]，每天大约有6 mg的BCFA 进入胎儿胃肠道，胎龄越接近足月分娩则NEC的发病率越低，这与BCFA摄入总量随胎龄增加表现一致，NEC的发展极有可能和人乳以及脂儿皮脂的BCFA缺失有关。异常的肠道细菌组成引起肠产气过多和肠组织坏死，是NEC主要的特征之一，足月婴儿胃肠道菌群比早产儿更为多样化，而BCFA是众多益生菌细胞膜的成分之一，有利于菌群建立，由此推断BCFA可能有利于婴儿肠道的菌群建立而对NEC产生保护作用。

在Ranressler等[13]的研究中，饲料里添加 BCFA 的幼鼠，经过NEC治病条件诱导(每天两次暴露于100%氮气中，每次1 min，并暴露于低温中10 min)处理后，受到的NEC损伤小于对照组，且实验组幼鼠与鼠乳喂养幼鼠没有差异。实验发现BCFA 处理组的幼鼠NEC发病率降低了50%以上，证明BCFA确有降低幼鼠NEC发病率的功能。其中处理组与对照组的幼鼠肠道微生物群落构成有所不同：与对照组相比，喂养BCFA的幼鼠拥有更多和BCFA相关的枯草杆菌和假单胞菌；与患有NEC的幼鼠相比，健康幼鼠肠道枯草杆菌的含量要高出5倍；BCFA被选择性地重组进入回肠磷脂、血清和肝组织。由此可见NEC的发生的确与细菌定植有关，而BCFA有利于肠道菌群建立，使益生菌繁殖，因而起到预防NEC的作用。

2.3 BCFA与其他炎性疾病的关系

2.3.1 肥胖

肥胖是由一系列代谢综合征引起的疾病，其特点为高血压、高血糖、血脂异常和腹型肥胖。与健康人相比，肥胖者的促炎细胞因子高于正常水平，这些代谢上的紊乱与慢性炎症相关，因此将肥胖也归为一种炎性疾病，而减重则能有效改善肥胖引发的轻度炎症。长链脂肪酸是强有力的炎症介质，且体内和体外的实验均已证明饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸尤其是n-6 PUFA具有促炎作用，EPA和DHA则具有显著的抗炎作用[14]。

血脂异常在肥胖中扮演着重要角色，具体表现为低密度脂蛋白、总胆固醇和甘油三酯的升高，以及高密度脂蛋白水平的下降，但目前EW(超重)人群血脂异常的变化机制尚未完全明确。过去对人体脂肪酸的研究集中于偶数碳脂肪酸，其构成了人体90%以上的血浆脂肪酸，BCFA和奇数碳脂肪酸(odd chain fatty acid，OCFA)等含量虽低，但却具有很大的调节功能，类似于不饱和脂肪酸[15]。Mika等[15]有关肥胖人群血清BCFA和OCFA含量的报道中，首次发现肥胖与血液iso-BCFA水平下降有关。肥胖人群脂肪组织的BCFA含量低于正常人，且该参数在减肥后有所增加。该研究证明BCFA和BMI呈负相关关系，iso-BCFA与高脂血症、炎症状态、胰岛素浓度也呈负相关关系，iso-BCFA很有可能起到胰岛素增敏的作用。其结果与Garcia Caraballo等[16]的研究结果相互印证，即低iso-BCFA状态引起血清甘油三酯升高。另一项研究[17]则发现短链支链脂肪酸降低了脂肪新生率，研究人员将[3H]标记的葡萄糖合并到细胞脂质中，结果表明短链支链脂肪酸促进了脂肪细胞中脂质的储存，从而使脂质的合成减少，从代谢上看是有益于减轻体重的。

从另一方面来看，很多肥胖者都存在胰岛素抵抗，已有证据[18]表明支链氨基酸(BCAA)与胰岛素抵抗有关，然而其具体机制尚不清楚，但单甲基支链脂肪酸很可能是支链氨基酸与代谢功能障碍之间的联系。在Xiong等[19]的研究中，BCAA衍生而成的脂质与胰岛素有显著关联。在最外围组织，BCAA在线粒体支链氨基转移酶的作用下脱氨基生成支链α-酮酸，支链α-酮酸在支链α-酮酸脱氢酶复合体-8的催化下脱羧，由此产生的支链酰基可以从线粒体中分离出来，在脂肪酸合成酶的催化下进行脂肪酸的从头合成产生mmBCFA。该研究发现肥胖组的脂肪组织中mmBCFA含量低于偏瘦组，而肥胖组的mmBCFA含量在减重手术后增加。此外采用同位素标记法，该研究还发现脂肪组织mmBCFA含量与骨骼肌胰岛素敏感性直接相关。这些结果表明，脂肪组织mmBCFA的减少很可能导致了肥胖相关胰岛素抵抗。

2.3.2 缺血再灌注损伤

组织或器官长时间缺血可造成缺血组织的损伤甚至坏死[20]。最初组织表现为缺血性损伤，随着时间推移，血液再流即再灌注后通常会进一步出现更严重的损害，这就是再灌注损伤。缺血不严重的组织其损伤是可逆的，理论上恢复供血后有可能恢复功能，但由于再灌注损伤的作用，其功能仍难以恢复。各组织器官缺血再灌注损伤的机制相似，主要有细胞坏死、微血管内皮细胞水肿、中性粒细胞堵塞、白细胞趋化聚集诱导炎症因子产生，可见该疾病与炎症的关系十分密切。因此，在心脑血管缺血性疾病的治疗中，不仅需要尽快恢复供血(再灌注)，也需要应用药物预防再灌注损伤的发生。林泽辉等[20]发现一类有末端支链的脂肪酸，即BCFA，可以抑制血小板聚集和活化，改善缺血组织微循环，减轻再灌注时的无复流现象。同时也能防止再灌注后的再狭窄，具有很好的对抗缺血再灌注损伤的作用。BCFA在血管内能抑制血小板和白细胞功能，在血管外可抑制5-脂氧合酶活性作用，降低细胞膜通透性，减轻水肿及炎症反应。

3 BCFA的其他生理功能

3.1 抗癌作用

13-methyltetradecanoic acid(13-MTD)是从大豆发酵品中提纯所得的饱和支链脂肪酸，可以用作癌症患者的营养和治疗补充剂[21]。有研究[21]初步表明，13-MTD对人类癌细胞有细胞毒性，可以以较低剂量诱导癌细胞发生程序性凋亡。在该实验中前列腺肿瘤和肝细胞肿瘤被分别移植至裸鼠的前列腺和肝脏中，每日向实验组小鼠注射1次13-MTD，共持续40 d。研究结果表明，与对照组相比13-MTD可有效抑制肿瘤植入物的生长。虽然13-MTD对癌细胞有显著杀伤作用，但13-MTD对小鼠本身的急性毒性较小，LD50大于5 g/(kg·d)。用13-MTD处理癌细胞8 h后，所有癌细胞均检测出凋亡DNA片段，凋亡癌细胞的数量随13-MTD处理时间延长而增加。13-MTD通过诱导细胞程序性凋亡而引起癌细胞死亡，对正常细胞不产生显著的毒副作用，因而有望成为人类癌症化疗的潜在药物。

在对人类MCF-7和SKBR-3乳腺癌细胞系的实验中[22]，13-MTD可通过影响SKBR-3细胞的脂肪酸合成酶进而抑制脂肪酸的合成，从而干预癌细胞复制进程。癌细胞非常依赖脂肪酸的合成，相比之下正常细胞不需要经历快速的代际传递，因而对脂肪酸的需求小，这些原因可部分解释BCFA对乳腺癌细胞的选择性细胞毒作用。ACOX2是长链BCFA发生β-氧化的限速酶[17]，在肝癌细胞中发现的ACOX2的一种变异转录被认为在肿瘤发展进程中起着重要作用。研究者[17]发现ACOX2变异——ACOX2-i9存在于人类乳腺癌细胞中，并进一步证明这种变异可被翻译为蛋白质，ER+(雌激素受体阳性)的乳腺癌中ACOX2-i9含量特别丰富，因而其可能成为ER+乳腺癌治疗和诊断的生物标志和靶点。

3.2 BCFA通过非依赖Caspase途径诱导肿瘤细胞凋亡

细胞凋亡是不同生物体内共同的生化过程[23]，其特征有核染色质的凝结、碎片化，细胞器坍缩，凋亡小体形成等，最后细胞核DNA发生降解。引发凋亡的因素主要有DNA损伤、毒物、TNF、CD95、γ-射线，Caspase(半胱氨酸蛋白酶)的激活则是调控细胞凋亡的中心环节。哺乳动物体内的Caspase家族成员主要有Caspase-1～Caspase-16。Caspase的活化有两条途径[24-26]：一条途径由DD介导。死亡受体Fas、TNFR-1、DR3等含有DD，Caspase-8则含DED，而proCaspase-1、2、4、5、9含CARD。DD、DED、CARD结构极其相似可以相互作用，起到接合作用称为接合器。以Fas受体为例，Fas受体被激活后，FADD与募集而来的proCaspase-8的DED结合形成信号复合物，使proCaspe-8活化，形成活性Caspase-8，后者再激活Caspase-3、6、7等。另一途径由细胞色素C介导。细胞内外的死亡信号可诱导线粒体释放cyto-C，cyto-C再与Apaf-1结合，使Apaf-1构象发生改变。然后Apaf-1的CARD区与proCaspase-9的N-末端的CARD区结合，形成cyto-C-Apaf-1-Procaspase-9“凋亡体”，从而使proCaspase-9活化并激活下游其Caspase。

Wongtangtintharn等[22]实验证明13-MTD抑制SKBR-3乳腺癌细胞中脂肪酸的生物合成，并减少磷脂合成所需的脂肪酸前体，然而具体机制尚未完全明确。其他后续的研究描述了13-MTD进入细胞后的位置分布[27]。Caspase参与细胞凋亡信号的转导，Caspase-3在Caspase级联反应的最后一步发挥作用，导致细胞萎缩和DNA片段化。13-MTD已被证明是一种抗癌药物，但其对SKBR-3细胞的Caspase-3活性无明显影响。与13-MTD形成对比的是，孵育24 h后共轭亚油酸(CLA)显著提高了SKBR-3细胞Caspase-3的活性,其中cis-9和trans-11CLA是众所周知的抗癌脂肪酸。尽管缺乏对Caspase-3的激活，但13-MTD降低癌细胞存活的程度与CLA相似。线粒体可能在这其中发挥着重要作用——使用13-MTD孵育后，检测到癌细胞线粒体的完整性受到破坏。线粒体释放的凋亡因子主要有细胞色素C和AIF(Apoptosis Inducing Factor)，但后续实验排除了细胞色素C参与诱导凋亡的可能，故AIF最有可能成为13-MTD诱导凋亡的原因。使用缓冲液处理细胞时，AIF核很少。然而，经13-MTD处理后，AIF间断凋亡细胞核的比例显著增加。大多数促凋亡抗癌药物都依赖于Caspase通路，但Caspase通路的激活不足以杀死所有癌细胞，AIF在诱导癌细胞凋亡中也发挥了重要作用。有研究[28]发现，线粒体释放的与Caspase途径无关的细胞凋亡因子，包括AIF和内切酶G，AIF被认为在Caspase-independent细胞凋亡通路中发挥着中心作用，其活性不受广谱Caspase抑制剂的影响，也不受Bcl-2过表达的影响，因而以不依赖于Caspase的方式诱导染色质凝结。AIF在正常细胞和癌细胞中广泛存在，分布于富含线粒体的区域中，在介导凋亡中起着双重作用，一方面充当细胞凋亡的起始因子，另一方面又是细胞凋亡的直接效应因子。当细胞受到凋亡信号刺激，AIF从线粒体转移细胞核，通过募集或激活核酸内切酶使DNA片段化，染色质固缩。

AIF因子的发现开启了一条新的通路，表明细胞可在无Caspase的情况下执行类似凋亡的程序，随着13-MTD诱导肿瘤细胞凋亡作用不断被人们理解，或对开发新型抗癌药物具有重要的指导意义。

4 结束语

支链脂肪酸结构特殊，含量较低，有独特的生理功能。早在胎儿期BCFA即随胎儿的吞咽动作进入肠道内，出生后人乳则成为婴儿BCFA的主要来源，婴儿摄入BCFA有利于肠道菌群的建立从而预防NEC发生。不仅如此，BCFA还兼具抗癌、抗炎多方面的作用，亟待研究者进一步探讨，如开发BCFA作为孕妇的膳食补充剂，或以BCFA为原料发展新型抗癌药物等。目前国内针对人类相关BCFA的研究还比较缺乏，这一领域具有广阔的研究前景。