丁酸与人类相关疾病发生发展机制的研究进展

刘颖慧，马静静，邓欢综述 董卫国审校

人体肠道为肠道微生物提供了良好的栖息环境，同时，肠道微生物及其代谢产物又可参与调节宿主的一些重要代谢过程和生理功能。多项研究显示，肠道菌群紊乱与人体疾病发生发展关系密切[1]。短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)即挥发性脂肪酸，多由结肠内的厌氧菌酵解低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等未消化吸收的碳水化合物产生，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，在维持肠道功能方面发挥重要作用[2]，其中，丁酸是肠黏膜上皮细胞的首要能量来源，是维持肠道内环境稳定、调节基因表达及参与肠道炎性反应的主要成分[3-4]。近年来，丁酸在细胞能量代谢和肠道功能稳态方面的作用备受关注[5]。本文就丁酸的生理功能及其与人体疾病发生发展的关系做一综述，以期为临床疾病的诊断与治疗提供新思路。

1 丁酸的产生

丁酸(buytrate)俗称酪酸，分子式为CH3(CH2)2COOH,为无色油状液体，具有浓烈的干酪般特殊臭味和奶油味，是肠道的天然保健剂和营养品[6，7]。人类盲肠和结肠中存在着大量的细菌，其中，厌氧菌占据主要地位，包括拟杆菌属(bacteroides)、双歧杆菌属(bifidobacteria)、真菌属(eubacteria)、链球菌属(streptococci)、乳酸杆菌属(lactobacilli)。而近年来，大量研究表明，肠道产丁酸菌属是肠道丁酸产生的主要来源，代表菌种是丁酸梭菌，即革兰阳性厌氧芽孢杆菌。

2 丁酸的生理功能

2.1 丁酸对肠道生理结构的影响 小肠是人体营养物质消化吸收最主要的场所，因而完整的小肠上皮结构是保证消化道内水解产生的物质吸收入血液的重要前提[7]。研究者用丁酸钠处理实验组断奶仔猪，结果表明，丁酸钠能刺激小肠绒毛的生长发育，显著增加绒毛高度以及隐窝深度，改善小肠和大肠黏膜上皮的完整性[8-9]。Geirnaert等[10]在10例克罗恩病患者的粪便微生物群落中添加了能产生丁酸的细菌，研究发现，丁酸可以提高上皮细胞屏障的完整性，降低肠道屏障的分子通透性。另一项研究进一步证实丁酸盐通过促进转录因子SP1与Claudin-1启动子之间的联系，上调紧密连接蛋白Claudin-1的转录表达，从而增强肠道屏障功能[11]。因此，丁酸在维持肠道生理结构完整性方面发挥重要作用。

2.2 丁酸对肠道消化功能的影响 食物中的营养物质在肠道内消化酶的作用下，分解为机体可吸收利用的小分子物质，而肠道内消化酶活性的改变会影响机体的消化吸收功能[7]。 最近一项研究显示，丁酸钠处理组动物小肠的胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性较对照组均显著提高[12]。但有关丁酸调控肠道消化酶的机制仍尚未明确，有研究推测丁酸可能通过调节肠道酸度，激活蛋白酶原，刺激消化酶分泌；同时丁酸还可诱导胰岛素分泌，而胰岛素能促进淀粉酶的生成[13]。

2.3 丁酸对肠道微生物菌群的影响 肠道中微生物，如大肠杆菌、葡萄球菌和梭状芽孢杆菌的适宜生长环境均为中性偏碱性。有研究表明，丁酸处理组肠道内大肠杆菌数目明显下降，而有益菌群乳酸杆菌数量显著增加，改善了肠道微生物菌群[12]。Allen等[14]一项研究运动与肠道微生物关系的实验中，显示实验组人群体内肠道菌群比例能更好地抵御肠道炎性反应，研究发现因其体内丁酸等肠道短链脂肪酸含量显著上升。其作用机制可能是丁酸穿过细菌细胞膜后释放H+，降低pH值，促进乳酸菌的增长繁殖，同时对大肠杆菌增殖产生抑制作用。

2.4 丁酸对免疫功能的影响 肠道免疫系统是由弥散分布在肠黏膜上皮内和固有层的免疫细胞和免疫分子以及肠相关淋巴组织等组成。同时，完整的肠上皮细胞对保护肠道屏障功能也起着重要作用。而丁酸可以调节肠上皮细胞介导的中性粒细胞迁移到充血部位，并随其浓度的增加，作用更加显著[4]。此外，丁酸盐在细胞增殖和凋亡中发挥重要作用，低浓度的丁酸能促进细胞增殖，高浓度的丁酸能诱导细胞凋亡[15]。另一项研究显示，丁酸盐能抑制肥大细胞的活化和炎性介质的产生，改善肠道损伤，同时JNK信号通路参与其中[8]。总之，丁酸盐可以通过影响炎性介质的产生以及免疫细胞迁移、黏附和细胞功能(如增殖和凋亡)来影响免疫反应。

3 丁酸与人类疾病

3.1 丁酸与炎性肠病 炎性肠病(IBD)是一种特发性肠道炎性疾病，包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)，而丁酸盐类与其发生密切相关。Eeckhaut等[16]发现，IBD患者粪便中产丁酸菌的数量很低，进一步在大鼠模型中发现，注入产丁酸菌可以显著减轻三硝基苯磺酸诱导的结肠炎。此外，丁酸产量与炎性肠病的罹患风险及不良反应呈负相关[17]。肠上皮屏障在预防IBD炎性反应中起关键作用，肠上皮屏障功能破坏是IBD的重要发病机制之一。丁酸盐可以增加组蛋白的乙酰化和减少NF-κB的激活，刺激上皮细胞分泌黏液和紧密连接蛋白的重新排列[18]。缺氧诱导因子(HIFs)的稳定化可以预防炎性反应和维持肠道内稳态，在低氧条件下，丁酸大量产生进而调节肠上皮细胞的氧代谢，增加HIFs的稳定性以维持上皮细胞完整性及保护屏障[19]。然而，另一项研究表明，低浓度的丁酸可以增强肠道屏障功能，而高浓度的丁酸会导致严重的肠上皮细胞凋亡，反而会破坏肠道屏障[20]。

另外，丁酸盐还参与调节肠道炎性因子的水平。体外实验表明，丁酸盐类可能通过MEK-ERK及MAPK信号通路调节炎性细胞因子，如IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、IL-17和TNF-α的表达[2]。Vinolo等[21]发现，口服丁二酸(一种促丁酸药物)可以抑制促炎因子TNF-α的产生。另据报道，用丁酸盐处理过的巨噬细胞可以抑制脂多糖诱导的促炎介质，如NO、IL-6和IL-12的生成[22]。丁酸盐还可以促进T细胞向Treg细胞分化，并能增加T细胞中抗炎因子IL-10的分泌[23-24]。总之，丁酸可减少促炎介质分泌，促进抗炎因子的分泌，从而发挥保护作用。

综上，丁酸盐类与IBD的发病机制关系密切，对肠道免疫调节功能有重要作用，但是其疗效还需更多的临床及动物实验佐证，且治疗方式仍有待改进。

3.2 丁酸与结直肠癌 结直肠癌是世界范围内最常见的恶性肿瘤之一。丁酸盐是肠道菌群在结肠中的发酵终产物，具有抗肿瘤的特性，但其作用机制尚待明确。丁酸盐可以维持Th17/Treg平衡，并通过抑制组蛋白去乙酰化酶1来改善结直肠癌[25]。长期胃肠动力下降及结肠转运缓慢是结直肠癌发生的危险因素，研究发现丁酸盐除了调节结肠黏膜稳态外，还可以调节肠道神经元兴奋性[26]。谷胱甘肽-s-转移酶(GST)可以降低结肠癌的发生率，保护细胞免受致癌化合物的侵袭。丁酸酯可以通过不同的机制转录上调GST活性，调节GST基因的表达，增强GST蛋白的表达和活性[26]。在正常结肠上皮细胞中，丁酸盐是正常细胞的主要能量来源，而结肠上皮肿瘤细胞减少了丁酸盐的摄取，并增加了葡萄糖的摄取[27]。最近的一项研究中，研究者将裸鼠饲养在野生型或突变型产丁酸盐菌的环境中，发现膳食纤维可以预防结直肠癌，但是需要依赖于产丁酸盐菌[28]。促肿瘤基因骨桥蛋白(OPN)和环氧化酶(COX)-2参与了结肠癌的发生发展，Jahns等[29]发现，在人肿瘤组织中OPN和COX-2的mRNA水平均升高，而丁酸可以抑制肿瘤组织中OPN和COX-2的蛋白及mRNA表达水平。Sun等[30]发现丁酸盐通过加强α-酮戊二酸依赖的DNA错配修复基因的脱甲基作用而发挥抗结直肠癌功能。然而目前的研究还不足以完全揭示丁酸盐抑制结直肠癌发生的机制，还有待进一步的探索。

3.3 丁酸与代谢性疾病 高纤维素饮食人群肥胖、糖尿病的发生率较低纤维饮食人群低，近年来发现，丁酸盐与代谢性疾病关系密切。肥胖增加了高血压、2型糖尿病、冠心病等相关疾病的风险，而丁酸盐的抗炎作用使其可以缓解[31-32]。Keenan等[33]还发现在添加丁酸盐辅食后，摄入的膳食纤维的种类也会影响肥胖，食物纤维含量高的一组大鼠体质量、脂肪含量均较低，而纤维素降解是丁酸盐的主要来源。此外，在肝脏、脂肪和骨骼肌等主要代谢部位均有丁酸盐的细胞表面受体分布，这些受体的表型改变和生理功能有利于丁酸发挥抗肥胖和抗糖尿病的作用[34]。Li等[35]给予迷走神经切除术后的小鼠高脂饮食，发现补充丁酸盐组发生高脂血症、肝脂肪变性及肥胖的概率明显降低，其机制可能是通过作用于内脏—神经脑回路进而激活棕色脂肪组织，减少能量摄入并增强脂肪氧化以提高能量代谢。

糖尿病患者的血糖稳态遭到破坏，从而引起一系列的症状和并发症，而丁酸盐有利于维持血糖的平衡。在高脂饮食的C57小鼠食物中添加5%的丁酸钠可以降低血糖的水平，并增加胰岛素的敏感性。最近的一项研究中，研究者检测了T1DM患者的粪便，发现T1DM患者的粪便中产丁酸物质较健康对照组减少[36]。Qi等[37]对国内345例糖尿病患者的肠道微生物进行测序，研究发现T2DM患者具有中等程度的肠道微生物生态失调，尤其是产丁酸细菌的丰度降低，提示产丁酸菌可能对T2DM有保护作用。丁酸盐还可以直接刺激结肠、回肠的内分泌细胞GRP43分泌胰高血糖素样肽(GLP)-1，改善进食过程中的血糖稳态[38-39]。Wu等[40]报道丁酸钠可以通过激活Nrf2的转录而减弱糖尿病引起的主动脉内皮功能障碍。综上，肠道的菌群组成，尤其是产丁酸菌可能对糖尿病症状及其并发症的控制有重要影响。

3.4 丁酸与自身免疫性肝病 自身免疫性肝炎(AIH)是由肝细胞的自身免疫反应所介导的肝脏实质炎性反应。其特征性血清学改变为IgG和/或γ-球蛋白的升高[41]。 AIH的发病机制尚不明确，但有证据表明，T细胞在其免疫病理改变过程中发挥重要作用，Treg/Th17的失衡对AIH的发展至关重要[9,42-43]。研究发现丁酸盐类在保护肝脏损伤和调节宿主免疫系统中发挥作用[44]。Hu等[9]探索了丁酸钠对实验性自身免疫性肝病模型中Treg/Th17比值的影响，研究发现丁酸钠能减轻肝损伤，能降低ALT和AST值；同时丁酸钠治疗恢复了Treg/Th17及其对应转录因子Foxp3/RORγt的比值，并且在降低IL-17和IL-6表达的同时，增加了IL-10和TGF-β的表达。同时，最近有研究显示，肠道菌群失调和肠道屏障通透性的破坏可能是AIH发生的原因。Wu等[45]的一项研究中，发现补充丁酸钠能显著改善S100/FCA诱导的AIH小鼠肝脏和小肠的损伤，减轻淋巴细胞浸润和肝细胞损伤并维持小肠绒毛结构完整性。丁酸钠通过下调IL-6和TNF-α以及下调TLR4、MyD88、NF-κB p65和NF-κB p-p65等相关蛋白的水平从而发挥作用。

3.5 丁酸与非酒精性脂肪肝(NAFLD) 非酒精性脂肪肝(NAFLD)是一种以肝内脂肪过度沉积为主要特征的临床病理综合征，按其发病因素可分为原发性和继发性。有研究认为，丁酸抑制NAFLD的进展，可能与激活AMPK信号通路，调节脂质和能量代谢以及胰岛素敏感性和氧化应激有关[46-47]。近期一项研究显示，丁酸钠能够通过PPAR介导的氧化活化和NF-κB信号通路以及NLRP3炎性小体介导的炎症抑制来改善非酒精性脂肪肝[48]。此外，Jin等[49]利用果糖诱导NAFLD小鼠，研究发现，丁酸钠对NAFLD组小鼠的保护作用可能与十二指肠褪黑素合成的增加以及肝脏中iNOS诱导的减弱有关。目前NAFLD仍缺乏公认的治疗方式，虽然各项实验证明丁酸与NAFLD的进展相关，但其如何应用于NAFLD的临床治疗中还需进一步的临床研究去证实。

4 总结及展望

肠道菌群是维系人体微生态系统的重要组成部分，肠道菌群失调可诱发肠道功能紊乱，导致多种人类疾病的发生。丁酸是一种由肠道菌群产生的短链脂肪酸，具有维持肠道正常生理结构和功能，调节机体免疫力，发挥抗肿瘤、抗炎及抗氧化等重要生理功能。其与人体多种疾病的发生发展密切相关，如炎性肠病、结直肠癌代谢性疾病以及自身免疫性肝病等。体内体外的动物实验研究都支持补充丁酸盐可以预防结直肠癌、肥胖症和改善胰岛素抵抗，以及改善肝脏疾病的发展。丁酸作用广泛，其可作为一个重要补充治疗措施，为临床相关疾病的诊治提供新思路。