短链脂肪酸与肠道疾病关系的研究进展

赵美琪 王婧 崔乃玲 张小茜

肠道菌群（gut microbiota，GM）是定殖于人体或哺乳动物肠道中的微生物群落，主要由古生菌、真菌、细菌和病毒等组成，统称为肠道微生物群。越来越多的研究指出，GM 作为人体的“第二基因组”和“第二大脑”，与人体健康密切相关[1～3]。GM 及其代谢产物紊乱可直接诱发消化系统疾病（如肠易激综合征和炎症性肠病等），并进一步通过肠-肝轴导致代谢系统疾病（如糖尿病和肥胖等）[4]。短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）是GM 的重要代谢产物和信息分子，主要由部分肠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）厌氧发酵产生，包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、异丁酸盐、戊酸盐等[5]。研究表明，SCFAs 可通过激活G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor,GPR）和抑制组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases,HDACs）调节体内免疫应答及能量代谢，影响消化系统疾病的发生发展，如肠易激综合征、炎症性肠病、结直肠癌等[6]。现综合近几年国内外相关报道，进一步阐述SCFAs 在消化系统疾病发生发展中的作用机制。

1 SCFAs 概述

SCFAs 是由6 个及以下碳原子组成的饱和脂肪酸，在肠道中主要由乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐（通常比例为3∶1∶1）组成。肠道中SCFAs 主要由拟杆菌属、梭菌属和双歧杆菌属等厌氧菌发酵产生，肠腔浓度为50～100mmol/L。SCFAs 由不同的肠道细菌通过不同的代谢途径产生，并发挥着相应的作用。肠道中的大多数SCFAs 以离子形式存在，主要通过简单扩散、转运体转运[主要的转运体有钠偶联羧酸转运体（SMCT-1）/Slc5a8 和单羧酸转运体（MCT-1）/Slc16a1 两种]、G 蛋白偶联受体转运三种方式被肠上皮细胞吸收。

2 SCFAs 与肠道疾病的相关研究

有研究表明肠道SCFAs 能为肠上皮细胞供应能量、维护肠粘膜屏障完整、调控肠道动力和免疫应答，这与肠道功能性疾病、炎症性疾病及结直肠肿瘤密切相关[7]。因此进一步研究短链脂肪酸与肠道疾病的相互作用机制，有利于肠道疾病的预防和管理。

2.1 SCFAs 与肠易激综合征肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）是以腹痛或腹部不适伴排便习惯改变或大便性状异常为特征的功能性胃肠道疾病，分为便秘型（IBS-C）、腹泻型（IBS-D）、交替型（IBS-M）和未分型（IBS-U），其病理生理机制尚未完全阐明[8]。最近的研究发现IBS 发病与肠道菌群结构和功能紊乱关系密切，SCFAs 作为肠道菌群的主要代谢产物参与肠道功能的调节[9]。

Chey 等[10]发现IBS 患者的临床表现（便秘、腹泻等）与粪便中SCFAs 的水平具有相关性。与健康对照组相比，IBS-D 患者的粪便中SCFAs 总浓度显著升高，IBS-C 患者的粪便中SCFAs 总浓度显著降低，而IBS-U 患者的粪便中SCFAs 水平与对照组无显著差异[11]。基于IBS 的不同亚型进行分析，Gargari 等[12]发现IBS-D 组粪便中乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐和戊酸盐浓度高于IBS-C 组，IBS-U 组粪便中乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐浓度高于IBS-C 组。与所有IBS 患者粪便样本相比，IBS-C 组的乙酸盐含量显著降低，IBS-D 组的戊酸盐含量显著升高，而异丁酸盐和异戊酸盐在IBS 亚组间无明显差异。IBS患者结肠转运时间的长短可能会引起肠道营养不良和SCFAs 含量改变，IBS-D 患者的特点是结肠内发酵作用增加，导致粪便中SCFAs 水平升高，从而刺激肠蠕动，而肠道转运时间减少又会降低SCFAs 的吸收，进而导致粪便中SCFAs 浓度更高。进一步的研究发现，丁酸盐可通过增加胆碱神经元的比例来影响肠道神经元，进而提高肠道蠕动能力[13]；而丙酸盐能够降低肠道蠕动能力[14]，可见SCFAs 对结肠动力的调节受其种类及浓度影响。SCFAs 作为信号调节因子，可作用于肠嗜铬细胞进而调节5-HT 的合成和分泌，促进5-HT 的释放，诱导肠道蠕动反射增强，加快肠道传输速度[15]。另有学者认为IBS 是细胞因子失衡和免疫系统过度激活的炎症性疾病[16，17]。IBS 患者肠道中SCFAs 含量下降可抑制T 细胞向调节性T 细胞分化，从而导致抗炎因子（IL-10 等）及效应T 细胞减少，最终造成免疫反应的过度激活[18]。长期轻度炎症反应可引起肠道肌肉和神经功能的异常，加重IBS 病变程度。

2.2 SCFAs 与炎症性肠病炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一组病因不明的慢性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和 克 罗 恩 病（Crohn's disease，CD）。早 在1980 年，Roediger[19]提出的“饥饿学说”就认为UC 的病因可能与肠上皮细胞吸收利用SCFAs 障碍有关，从而引起人们对IBD 与SCFAs 关系的探讨。随着对肠道微生物和SCFAs 研究的不断深入，SCFAs 在IBD 治疗中的应用价值和前景日益凸显。

研究发现，与健康人相比，UC 患者的粪便样本中乙酸盐、戊酸盐和总SCFAs 水平均显著下降，丙酸盐和丁酸盐水平无显著差异[20]。而CD患者的粪便样本中乙酸盐、丁酸盐和戊酸盐水平低于健康人，但丙酸盐与健康人无显著差异[21]。Gurav 等[22]研究发现丁酸盐通过刺激树突状细胞（dendritic cells，DC）过表达吲哚胺2,3-二加氧酶1（indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）和醛脱氢酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1 family member A2，Aldh1A2），进而促进未成熟T 细胞分化为FoxP3 +调节性T 细胞（regulatory T cells，Tregs），并抑制未成熟T 细胞分化为产生干扰素IFN-γ 的细胞，这是其抗炎作用的关键。SCFAs 具有调节肠道巨噬细胞活性的功能，利用丁酸盐和丙酸盐处理巨噬细胞可抑制LPS 诱导的iNOS、IL-6 和IL-12 等促炎因子的产生，但不能抑制TNF-α 或MCP-1 的产生，这些作用依赖于SCFAs 对组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HADC）的抑制[23]。在病原相关分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）刺激后，机体Toll 样受体（toll-like receptor，TLR）可启动免疫应答，而SCFAs 可以增强TLR 启动的炎症反应中NF-kB 的产生，最终引起包含杯状细胞、肠上皮吸收细胞、肠内分泌细胞和潘氏细胞等肠上皮细胞（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 等可通过影响上皮间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和反向过程（mesenchymal-epithelial transition，MET）参与维持上皮细胞内稳态[24，25]。此外，SCFAs 能够通过GPR41 和GPR43 等G 蛋白偶联受体参与调节肠道免疫反应，研究发现缺少GPR41 和GPR43 受体的小鼠更易患结肠炎[26]，进一步研究证实SCFAs能够激活肠上皮细胞膜上的GPR41 和GPR43，导致丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，产生趋化因子和细胞因子，迅速参与入侵细菌的清除。SCFAs 还能为肠上皮细胞提供能量，参与改善IECs 的屏障活性，维持肠黏膜屏障的紧密连接作用，防止病菌感染进而减少炎症反应的发生[27]。

2.3 SCFAs 与结直肠癌结直肠癌（colorectal cancer，CRC）是消化系统最常见的恶性肿瘤之一，其发病率位于全球恶性肿瘤的第三位，且呈逐年上升趋势，严重危害人类健康。近年随着对肠道微环境和结直肠肿瘤发病机制的深入研究，越来越多的证据表明短链脂肪酸在CRC 治疗及预后方面具有较好的疗效[28]，但是具体作用机制仍需继续探究。

CRC 患者肠道中主要以促炎性条件致病菌和代谢紊乱相关的微生物为主，缺乏参与丁酸产生的菌株[29]。有研究发现，与健康对照组相比，CRC 患者粪便样本中乙酸盐的浓度相对较高，而丁酸盐的浓度相对较低[30]。正常结肠细胞60%～70%的能量需要丁酸提供[31]，丁酸在线粒体中经 β-氧化为结肠上皮细胞增殖提供能量供应。与之相反，结直肠癌细胞利用葡萄糖有氧酵解供能，而丁酸在结直肠癌细胞线粒体中异常代谢，作为HDAC 抑制剂在细胞核内不断积累，进而在基因表观遗传调控中发挥重要的作用。研究发现丁酸盐作为HDAC 抑制剂导致p53 高乙酰化，进而下调p53 的转录和翻译，同时使Sp1 和Sp3 乙酰化，进一步上调p53 靶基因（p21WAF1、p27 和细胞周期蛋白依赖性激酶）表达，诱导细胞周期阻滞和促进癌细胞凋亡[32，33]。进一步研究发现，丁酸盐可以激活癌细胞凋亡的固有通路，刺激调控促凋亡蛋白表达的上调和抗凋亡蛋白表达的下调[34]。当丁酸盐浓度达2～4mmol/L 时可通过激活生长停滞与DNA 损伤诱导（growth arrest and DNA damage-inducible，GADD）基 因 和MAPK信号通路诱导细胞应激反应，促进细胞凋亡。在HCT116 细胞系中，丁酸盐可通过诱导GADD153激活MAPK 信号通路；而在RKO 结直肠癌细胞系中，丁酸盐通过激活c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK），促进细胞凋亡[35]。SCFAs不仅可以通过诱导癌细胞分化凋亡发挥抗癌作用，还可以通过氧化应激和炎症反应机制发挥作用。在肠上皮细胞中，丁酸盐通过降低IL-8 的分泌和抑制iNOS 的表达来预防结肠炎症甚至结肠肿瘤的发生。进一步研究发现[36]，丁酸盐可以提高自由基清除蛋白的表达和谷胱甘肽s-转移酶的活性（一种负责代谢潜在致癌物的蛋白），增强了机体内自由基清除能力，减轻氧化压力，防止结肠黏膜的DNA 氧化损伤。TNF-α 可以激活Cox-2 蛋白表达，产生IL-10 等炎症因子，而丁酸盐的HDAC 抑制作用可以阻断该反应，抑制Cox-2 蛋白表达，减轻炎症反应，进而防止结直肠屏障功能损伤。结直肠屏障功能损伤是导致结直肠细胞癌变的主要诱因，而丁酸盐能够诱导结肠细胞系中黏蛋白MUC2的表达，这有利于保持肠道黏膜屏障功能稳定。

3 小结

目前越来越多的研究已经证实肠道菌群及其代谢产物通过调节免疫和炎症反应在消化系统疾病的发生发展过程中起到了不可忽视的作用。由于IBD、IBS 和结直肠癌等消化系统疾病的发病机制复杂，与饮食习惯、环境因素和先天条件等诸多因素有关，因此SCFAs 在消化系统疾病中具体作用机制还未完全明确。但是在临床上基于患者的实际情况，调整食物摄入，在肠内营养治疗中补充SCFAs 或者高纤维饮食，改善肠道营养状况，进而调控肠道菌群的比例及丰度，调节免疫反应，对于患者的症状缓解有极大的帮助，这为预防和治疗消化系统疾病提供了新的思路。然而，目前大多数研究均是基于啮齿类动物获得，但动物与人类肠道和机体功能存在差异，缺乏可靠的临床应用研究，具体作用机制及完善的临床应用方案还需进一步研究和探讨。