丁酸在炎症性肠病方面的研究进展

倪积广

(南京大学医学院附属鼓楼医院消化内科，江苏 南京)

0 引言

炎症性肠病(IBD)是一组慢性复发性疾病，临床上主要有溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)两种类型，现已成为严重危害人民健康的常见疑难疾病。目前对IBD 的病因和发病机制尚未完全阐明。大量研究已经表明，IBD 患者存在显著的肠道菌群紊乱及菌群代谢产物的变化。丁酸是一种重要的肠道菌代谢产物，它与炎症性肠病的关联尤为明显。本文旨在对丁酸在炎症性肠病方面的研究进展做一阐述。

1 关于丁酸的产生

在人和动物肠道内存在数目众多的微生物，可以在大肠内发酵分解未吸收的碳水化合物及蛋白质产生碳原子数为1-6 的短链脂肪酸(SCFA)，大肠内的主要短链脂肪酸是乙酸，丙酸和丁酸，三者比例大约在75：15：10 至40：40：20 之间[1]。虽然在肠道的SCFA 中乙酸占比最高，但三种主要SCFA 在从结肠内容物到门脉过程中浓度比发生的变化表明结肠上皮对丁酸的利用更多[2]，丁酸与肠道的关系较之其他短链脂肪酸更为密切。

谈到丁酸，首先要提到的是肠道内众多的产丁酸菌。产丁酸的各种菌类在人出生后就定植到人体，并且在成年人中显示出高丰度[3]。肠道内的产丁酸菌种类繁多，产生丁酸的途径也是多样的。Vital 等人[4]从微生物基因组数据库筛选3，184 个测序的细菌基因组，对丁酸盐产生途径和个体基因进行了广泛分析，发现大多数产丁酸菌属于厚壁菌门。此外，产生丁酸盐的途径中乙酰辅酶A 途径是最普遍的(占79.7%)。

产丁酸菌在脊椎动物中大量存在，饮食是决定其群体组成的主要因素[5]。高植物性饮食者的粪便在体外发酵试验中能产生更多的丁酸[6]。除了食物种类外，在健康人的饮食中直接引入益生菌产品也能显著改变肠道菌群的优势类群，从而导致肠道中短链脂肪酸浓度的调节[7]，但这种影响影响似乎严格依赖于肠道微生物生态系统的初始特征，粪便中丁酸盐的浓度可以作为鉴定受试者能从益生菌治疗中获益的重要生物标志物[8]。

2 IBD 患者肠道内丁酸的变化

多项研究表明，在炎症性肠病患者肠道内存在着产丁酸菌的减少和丁酸合成能力的下降。普拉梭菌是一种近年研究较多的产丁酸菌，它能在肠道内通过发酵作用产生大量的丁酸， 活动期UC及CD 患者的粪便中普拉梭菌数量较正常人均有明显下降[9,10]。Sitkin S[9]等人对轻度至中度活动期UC 患者与健康对照组的粪便菌群进行了初步比较研究，定量测定了丁酰-CoA：乙酸CoA-转移酶(BCoAT)的基因，UC 组BCoAT 基因含量明显低于健康对照组。UC 和CD 患者丁酸合成能力的变化也是有区别的，Laserna-Mendieta EJ[11]等人通过量化克罗恩病患者粪便中BCoAT 基因含量对产丁酸微生物群合成丁酸的能力进行了比较评估，活动性CD组和非活动性CD 组丁酸合成能力下降，而仅活动性UC 组丁酸合成能力下降。

IBD 患者体内丁酸水平的变化可能发生在肠道出现病理变化之前。Meisel M 等人[12]使用肠道上皮过表达IL-15 的小鼠进行实验，发现肠腔中丁酸浓度的降低是IL-15 诱导的肠道微生物群内在改变的结果，可在没有明显病理学的情况下会降低丁酸含量。这些变化增加了右旋糖酐硫酸钠诱发的结肠炎的易感性。

在炎症性肠病中不仅存在肠道内丁酸生成减少，还存在着丁酸代谢受损。Boesmans L 等人[13]的研究表明，炎症引起的肠上皮细胞对丁酸盐摄取和氧化的下调并不是由于参与丁酸盐代谢途径的基因表达减少所致，丁酸盐代谢受损可能是丁酸盐摄取减少的结果，可以被丁酸盐抵消。

3 丁酸对于IBD 可能有益处的证据

肠道炎症发生前和发生时有产丁酸菌和肠道丁酸水平的降低，补充丁酸亦能减轻IBD 模型动物的肠道炎症。Celasco G[14]等人使用结肠给药丁酸钙的方式治疗IBD 模型大鼠改善了结肠炎症；Lee C[15]等人使用硫酸葡聚糖硫酸钠诱导了急性结肠炎模型，并使用IL-10-/-小鼠中诱导了慢性结肠炎模型，予丁酸治疗后二者组织学评分均有显著改善。丁酸对于炎症性肠病的效果与其给药方式也有关系，Malago JJ 等[16]分别通过腹膜内、直肠内、口服给药的方式对结肠炎模型大鼠治疗，腹膜内施用丁酸盐消除了乙酸诱导的UC 的病变，其效力超过了直肠内或口服给予丁酸盐的方式。

丁酸能降低体多种促炎基因的表达。Elce A 等人[39]对来自人类小肠和结肠的原代上皮细胞中暴露于丁酸之前和之后的86种编码表达促炎途径蛋白的基因进行了实时定量PCR 分析，丁酸明显下调了炎症反应相关基因的表达，其中包括NF-κB，干扰素-γ，Toll 样2 受体和肿瘤坏死因子-α。

4 丁酸对于IBD 可能的作用机制

4.1 为肠道上皮细胞提供能量，维持肠道屏障功能

丁酸是肠道上皮细胞重要的能量来源，能调节能量稳态，维持肠上皮细胞的正常生理功能。肠道紧密连接蛋白、结肠粘蛋白大量减少与循环中脂多糖的显著增加有关，丁酸盐治疗可以通过增加结肠粘蛋白和紧密连接蛋白来改善肠屏障功能[18]，并能保护上皮细胞免受LPS 诱导的屏障完整性损伤[19]。Miao[20]等人使用Caco-2 细胞单层模型证明丁酸盐可以通过激活CaMKKβ 通路来介导AMPK 磷酸化，抑制MLCK/MLC2 途径并促进PKC2 的磷酸化，从而促进紧密连接蛋白的重组。Jungd[21]用不同浓度的丁酸处理LS174T 细胞发现黏蛋白含量呈剂量依赖性增加。这导致益生菌的粘附增加，降低了大肠杆菌的粘附能力。除了刺激屏障蛋白的表达，丁酸盐还能通过IL-10 受体依赖机制抑制促进通透性的紧密连接蛋白claudin-2 的表达[22]从而降低肠道通透性。

但是丁酸盐对于肠道屏障的作用也可能是矛盾的，取决于施用丁酸的剂量：低浓度[2 mM]的丁酸盐促进了屏障在Caco-2 细胞中起作用，高浓度[8 mM]诱导肠细胞凋亡并减少跨膜电阻[23,24]。

4.2 调节免疫及细胞功能

组蛋白去乙酰化酶是一类对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥重要作用的蛋白酶，抑制组蛋白去乙酰化酶可以引起基因激活的启动或延长。组蛋白乙酰化酶还可以调控大量基因和转录因子的表达，负责调节细胞生长和凋亡信号转导的信号传导与转录激活因子(Stat3)以及炎症中枢调节的NF-κB，这些都可以被丁酸抑制[25]。

丁酸在炎症性肠病中对于免疫细胞可以发挥调节作用从而产生抗炎效果。受丁酸调节的细胞目前研究较多的有淋巴细胞和单核-巨噬细胞。

调节性T 细胞(Treg)的功能主要是调节免疫反应在适度范围，如果免疫反应过强就会导致组织损伤。Foxp3 是叉状头转录因子家族中的一个成员，长期以来被认为是Treg 细胞功能和身份确定的标志，体外实验表明丁酸钠可促进体外培养的T 细胞Fxop3 的表达[28]。Zhou[29]等人使用普拉梭菌的上清液对实验性结肠炎模型的动物进行治疗，发现普拉梭菌的上清液可以调节T 辅助细胞17(Th17)及Treg 的分化，并鉴定出了其中起作用的成分是丁酸。丁酸盐可通过抑制HDAC1 促进Foxp3 表达，阻断IL-6/STAT3/IL-17 的下游通路，维持Th17/Treg 平衡，具有明显的抗炎作用。Zhang[30]等人用丁酸对三硝基苯磺酸诱导的大鼠结肠炎模型进行干预，发现丁酸给药可增加外周血Treg 细胞水平以及抗Th17 细胞因子(IL-10 和IL-12)的血浆水平，降低了血浆和结肠粘膜中的IL-17 水平，并改善了大鼠结肠结肠炎的病变。Chen L[31]等人的研究则表明丁酸盐可以差异性调节Th1 和Th17 细胞分化并促进IL-10 产生来控制T 细胞诱导结肠炎的能力。此外，丁酸还可通过依赖HDAC1 的Fas 上调和Fas 介导的T 细胞凋亡来抑制结肠炎症[32]。

丁酸对于淋巴细胞的影响与丁酸的浓度有关，但并非丁酸浓度越大益处越多。丁酸盐对Treg 细胞和传统的CD4 T 细胞的呈剂量依赖性影响，在TGF-1 存在下低丁酸盐浓度(0.1-0.5mM)促进Foxp3Treg 的分化，而在较高浓度丁酸下，丁酸盐诱导Tregs 和常规T 细胞中促炎因子T-bet 和IFN-γ 的表达[33]，导致产生IFN的Treg 或常规T 细胞。

除了淋巴细胞外，丁酸对单核-巨噬细胞的作用也越来越受到关注。肠道巨噬细胞是固有层中最丰富的免疫细胞类型，丁酸能使下调人单核细胞先天反应受体[34]，这可能有利于人与肠道微生物的共生；丁酸盐预处理巨噬细胞可通过诱导产生抑制细菌生长的抗微生物蛋白，增强其抗菌能力[35]。IL-4 分化的巨噬细胞[M(IL-4)]可以抑制结肠炎，与未使用丁酸处理的[M(IL-4)]相比，用丁酸处理的M(IL-4)显示出更强的吞噬作用和细菌杀灭作用，而这并不伴随促炎性细胞因子产生的增加[36]。丁酸可使脂多糖诱导巨噬细胞产生的促炎介质(包括一氧化氮，IL-6 和IL-12)下调[37]，还抑制脂多糖诱导的人单核细胞衍生的DCs(moDCs)的成熟和代谢重编程，并调节它们将幼稚CD4 T 细胞极化为产生IL-10 的调节性T 细胞[38]。

4.3 作为天然配体激活体内相关受体

丁酸可通过激活G 蛋白偶联受体(GPRs)等从而发挥免疫调节作用。GPR 109A 信号传导可促进结肠巨噬细胞和树突细胞的抗炎特性，并使它们能够诱导Treg 细胞和产生IL-10 的T细胞的分化[41]。补充丁酸钠可上调G 蛋白偶联受体109A 蛋白的表达[42]，下调GPR43 和相关炎症细胞因子的表达，并降低ERK1/2、p38 蛋白表达水平[43]，丁酸通过激活GPR109A 和抑制AKT 和NF-kB p65 信号通路改善了TNBS 诱导的炎症反应和肠上皮屏障功能障碍[44]，促进结肠中Claudin-3 的表达。[45]此外，丁酸还能通过GPR109A 抑制NLRP3 炎性体活化[46]芳烃受体(AhR)被认为是胃肠道免疫和代谢过程的关键调节剂，Marinelli L[47]等人发现AhR 配体拮抗剂降低了丁酸酯对IEC 的影响，表明丁酸酯可以充当AhR 的配体，丁酸盐通过直接激活AhR 来刺激依赖AhR 的基因，这可能是对其在人类肠道细胞中HDACi 特性的补充。

5 结论

丁酸作为天然的HDAC 抑制剂以及多种受体的天然配体，在调节肠道免疫和炎症反应的平衡方面具有重要的作用，但是由于不同给药方式和剂量带来的结果有差异甚至相反，在给药方式和剂量方面仍需要深入研究。探寻合理的给药方式及最佳的药物浓度对于丁酸在炎症性肠病治疗方面有重大意义。