短链脂肪酸及其调节肠道炎症作用的研究进展

杨丽婷，王子微，王加启，郑 楠,

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东青岛 266109）

肠道菌群（gut microbiota，GM）是人或哺乳动物肠道中的微生物群落。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既能够产生有害代谢产物，也能产生有益代谢产物，从而影响着人类健康。不同的肠道微生物会产生不同量的短链脂肪酸（SCFAs）。拟杆菌（革兰氏阴性菌）主要产生乙酸盐和丙酸盐，而厚壁菌门（革兰氏阳性菌）主要产生丁酸盐[4]。研究报道，丙酸盐和乙酸盐还可由支链氨基酸和甲硫氨酸在机体内代谢产生[5]。不同短链脂肪酸的合成途径也不同，乙酸由乙酰辅酶A或Wood-Ljungdahl途径产生[6]，丙酸由琥珀酸盐途径或丙烯酸盐途径合成[7]，而丁酸的合成途径则较为复杂。SCFAs在体内合成之后的分布也是不同的，大多数乙酸盐和丙酸盐合成后进入门静脉循环和外周血[8-9]。进入门静脉循环的丙酸盐主要用于肝脏的糖异生，随后通过三羧酸循环和其他代谢途径代谢为CO2，而乙酸盐则进入体循环并到达外周组织。丁酸盐主要在肠上皮黏膜内代谢，部分在肝脏中降解后最终分布在肠道系统中[10]。

肠道中SCFAs在维持肠道健康方面发挥着重要作用。SCFAs除了具有调节机体电解质平衡、刺激胃肠激素的分泌、调节肠道动力等功能外，还可以调节肠道化学屏障、免疫屏障、物理屏障和肠道炎症等，在SCFAs众多的生理功能中，肠道炎症的调节受到大多数研究者的关注。研究表明，SCFAs治疗已被证明可以改善体内炎症性疾病，如饮食诱导肥胖小鼠的结肠炎、气道疾病和代谢综合征[11]。SCFAs的这些有益作用不仅与其作为组蛋白乙酰化（HDAC）抑制剂的特性有关，还与其激活跨膜同源G蛋白偶联受体（GPCRs）有关[12-13]。因此，本文从SCFAs的组成和来源、机体中合成途径和分布、对肠道健康的影响、在肠道炎症中调节的分子机制以及膳食纤维对SCFAs合成的影响五部分进行综述，其中重点阐述了短链脂肪酸调节肠道炎症的作用机制，为后续进一步研究提供理论依据。

1 肠道中主要的短链脂肪酸

1.1 SCFAs的组成和来源

SCFAs是含2～6个碳原子的羧酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占全部SCFAs的95%以上[14-15]。据报道，人体近端结肠乙酸、丙酸和丁酸的释放浓度较高，约为70～140 mmol/L，远端结肠处释放浓度约为20～70 mmol/L，回肠末端处释放浓度约为20～40 mmol/L。结肠中乙酸、丙酸和丁酸的摩尔比分别约为60:25:15[14]。研究表明，许多肠道细菌可以膳食纤维为底物合成SCFAs，细菌产生的糖苷水解酶可将膳食纤维转化为单糖，然后在厌氧发酵过程中通过碳代谢途径生成主要终产物SCFAs[16]。除了食用膳食纤维之外，肠道细菌还可以将其他底物，如来自膳食的氨基酸、内源性蛋白质或有机酸（乳酸盐）转化为SCFAs[17-18]。此外，一些肠道细菌本身也会合成短链脂肪酸。迄今为止，能产生SCFAs的细菌有74种[19-27]，将其进行门、纲、目、科、属分类如表1所示，其中厚壁菌门与拟杆菌门是肠道中产生SCFAs的两门优势菌，而变形菌门和放线菌门在肠道菌群中相对较少。

表1 合成短链脂肪酸的肠道细菌Table 1 Intestinal bacteria for the synthesis of short-chain fatty acids

1.2 SCFAs的合成和分布

图1所示为膳食纤维发酵生产乙酸、丙酸和丁酸的途径。乙酸是SCFAs中含量最丰富的，占SCFAs的60%～75%[29]。乙酸由丙酮酸通过乙酰辅酶A和Wood-Ljungdahl途径产生[7]，乙酸也可以作为底物与丁酰辅酶A交换，通过丁酰辅酶A乙酰辅酶A转移酶途径产生丁酸和乙酰辅酶A[20]。丙酸是由磷酸烯醇丙酮酸（Phosphoenolpyruvate，PEP）通过琥珀酸酯途径和丙烯酸盐途径合成的[7]。丁酸的合成途径较多，可通过丁酸酯激酶途径或者乙酰辅酶A转移酶途径转化产生，还可以通过赖氨酸途径由丁基辅酶A转移酶催化合成[30]。此外，肠道中的微生物也参与了SCFAs的合成，肠道微生物可以利用乳酸盐和乙酸盐来合成丁酸盐从而维持肠道内环境稳态[31]。

图1 乙酸、丙酸和丁酸生产示意图[29-30]Fig.1 Schematic representation of acetate, propionate and butyrate production[29-30]

续表 1

续表 1

SCFAs在机体内合成后约95%被结肠上皮细胞吸收[7]，随后由肠道上皮血管经门静脉转运到达肝脏，再通过血液循环到达其他组织器官被吸收利用[32]，其余5%～10%的SCFAs通过粪便排出体外[33]。SCFAs可以通过三种机制被结肠上皮细胞吸收：a.细胞通过Na或K盐的离子扩散吸收SCFAs[34]；b.SCFAs与碳酸盐离子结合后转化为SCFA-2HCO3-结合体，再通过阴离子反转运通道被结肠上皮细胞吸收[35]；c.结肠腔膜上的单羧酸转运蛋白（MCT1）可以作为载体将丁酸盐运输至结肠中被结肠细胞吸收[36-37]。乙酸是外周循环中含量最多的SCFAs[38]，其在机体中经门静脉到达肝脏后被释放到体循环中[9]，而丙酸到达肝脏后被代谢降解[8]。丁酸是结肠细胞的主要能量来源[39]，分布在机体中的丁酸主要在肠上皮黏膜内代谢，部分在肝脏中被降解[10]。

2 SCFAs对肠道健康的影响

肠道是机体抵御外来污染物的第一道屏障，承担了机体70%的免疫防御功能，肠道屏障包括物理屏障、化学屏障、微生物屏障和免疫屏障。越来越多的证据表明，SCFAs在维持肠道健康方面发挥着重要作用。SCFAs可以调节肠道化学屏障、物理屏障、免疫屏障等，对肠道健康至关重要[40]。

2.1 调节肠道化学屏障

肠道中的化学屏障是指由胃肠道分泌的胃酸、胆汁、各种消化酶、溶菌酶、粘多糖、糖蛋白和糖脂等化学物质。粘液是由肠粘膜的特殊杯状细胞分泌的，作为一种生物润滑剂，为特殊的肠道微生物提供营养来源。粘液作为一种化学-物理屏障，有助于防止化学物质、毒素、病原体和过敏原等进入机体[41]。粘液的增加通常是由MUC2基因的表达增加推断出来的，MUC2基因编码黏液蛋白2，黏液蛋白2是肠上皮细胞分泌的最显著的黏液蛋白。丁酸盐可以通过MUC2基因组蛋白选择乙酰化/甲基化来刺激MUC2基因表达[38,42]。丁酸灌肠对小鼠结肠黏膜MUC1、MUC2、MUC3、MUC4的表达有不同程度的刺激作用，在近端结肠中，虽然MUC2阳性细胞数量没有改变，但丁酸盐优先使MUC2的表达上调，从而导致黏液层厚度的减少[43]。然而，在健康受试者和溃疡性结肠炎（UC）患者每日给予丁酸灌肠（60 mL,100 mmol/L丁酸）两周后，MUC2表达未受影响[44]。

2.2 调节肠道物理屏障

肠上皮细胞的屏障功能是重要的第一道防线，可使上皮层具有渗透特性[45]。研究表明，丁酸盐可以修复和增强肠上皮细胞的物理屏障功能[46-47]，在单层分化的肠上皮细胞中，丁酸盐通过增加紧密连接蛋白（Tight junction，TJ）claudin-1的表达来促进肠道屏障功能，减少细胞旁通透性[32]。脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）由脂类和多糖组成，是革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分，LPS是机体炎症抗原，可诱发宿主免疫应答与炎症，而丁酸盐处理减轻了LPS对肠上皮完整性的负面影响，同时在猪肠上皮细胞系的体外模型中选择性上调TJ蛋白的表达[48]。此外，丁酸盐还能诱导细胞膜上TJ蛋白occludin和（zonula occludens-1，ZO-1）的再分配[28,49-50]。给小鼠喂食可发酵膳食纤维可增加粪便SCFAs，并通过增加TJ蛋白（ZO-1、ZO-2、occludin、连接粘附分子A和claudin-7）的表达来保护结肠屏障[51]。

2.3 调节肠道免疫屏障

SCFAs在免疫稳态中可能发挥着多种作用。SCFAs可以通过抑制免疫效应细胞增殖来抑制炎症因子释放，进而调节肠道免疫功能。研究表明，丁酸盐可以作为介质减少中性粒细胞向炎症部位迁移[52]。此外，丁酸盐在细胞增殖和凋亡中也起着重要的作用，低浓度的丁酸盐促进细胞增殖[53]，但高浓度的丁酸盐诱导细胞凋亡[54]。丁酸盐刺激细胞生长和脱氧核糖核酸合成，并在细胞周期的G1阶段诱导生长停滞[52-53]。这表明丁酸盐可以通过影响免疫细胞迁移、粘附和细胞功能（如增殖和凋亡）来影响免疫反应。

3 SCFAs在肠道炎症中的作用机制

炎症是身体对各种有害刺激产生的病理反应。SCFAs与肠道炎症密切相关，其作为信号分子，在细胞内外通过不同的途径发挥着抗炎作用[55-56]。转录因子-核因子κB（NF-κB）是一种转录调节因子，调节多种参与炎症和免疫的基因的表达，如促炎细胞因子和酶、粘附分子、生长因子和免疫受体[57-58]。Tan等[59]研究表明，SCFAs会抑制中性粒细胞和巨噬细胞的增殖，降低炎症因子的表达量，减少NF-κB活化从而减轻肠道局部炎症反应。另一研究表明，丁酸盐能够激活核激素受体PPAR-γ，其激活被认为发挥着抗炎作用[60]。除了抑制NF-κB活化和上调PPAR-γ，丁酸盐还可能通过抑制促炎细胞因子IFN-γ信号通路传导，抑制氨基酸（酪氨酸和丝氨酸）磷酸化、核转位来缓解肠道炎症[61]。

肠道炎症是炎症性肠病发生的前兆，炎症长时间不消退或炎症过程失控会转变为慢性炎症肠病，甚至引发癌症[62]。许多研究表明，SCFAs在肠道炎症中发挥作用主要是通过G蛋白偶联受体（G-Protein-Coupled Receptors，GPCRs）以及组蛋白去乙酰化酶（Histone Deacetylase，HDACs）两条途径来实现的[63]。

3.1 SCFAs作为G蛋白偶联受体的配体发挥肠道抗炎作用

GPCRs是哺乳动物机体中的膜蛋白，SCFAs会激活几种细胞表面G蛋白偶联受体（GPCRs），如游离脂肪酸受体2（Free Fatty Acid Receptor 2，FFAR2或GPR43）、游离脂肪酸受体3（Free Fatty Acid Receptor 3，FFAR3或GPR41）、羟基羧酸受体2（Hydroxycarboxylic Acid Receptor 2，HCAR2或GPR109A）和嗅觉受体78（Olfactory Receptor 78，OLFR78），尽管GPCRs之间的同源性约为40%[64]，但它们在组织和细胞中的配体特异性和效力不同，因此可以发挥不同的作用，如表2所示。GPCRs被配体激活后，可以结合四种不同的异源三聚体G蛋白（Gs，Gi/o，Gq/11和G12/13），这些蛋白可以影响单个或多个效应物的活性，如产生第二信使的酶或离子通道[13,65]。目前，GPR41和GPR43已被确定为GPCRs家族中最重要的短链脂肪酸受体。

表2 短链脂肪酸受体Table 2 Receptors for short-chain fatty acids

GPR41与Gi/o蛋白偶联，参与脂肪细胞中瘦素的产生和脂质谱的调节[66]，在各种人体组织和细胞中表达，如大肠固有层细胞、脾脏、淋巴结、骨髓、脂肪细胞、多形核白细胞、外周神经系统细胞以及肾的远端小管和集合管细胞[67-68]。GPR41受体的配体亲和力依次为：丙酸＞丁酸＞乙酸[69]。在不同物种中，激活GPR41的丙酸的半数效应浓度（Half Effect Concentration，EC50）约为12～274 μmol/L[13]。GPR43与Gi/o和Gq双重偶联，主要在人体多形核中性粒细胞、单核细胞和淋巴细胞中表达，GPR43受体的配体亲和力为：丙酸＞乙酸≥丁酸[69]，乙酸和丙酸对GPR43激活的EC50约为35～431 μmol/L[13]。GPR43激活后参与调节胰高血糖素样肽-1 （Glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌[70]。GPR109A与Gi/o偶联，研究表明GPR109A在结肠/小肠上皮、巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞和中性粒细胞中表达[67]，但在淋巴细胞和脂肪细胞中不表达[7]。GPR109A只有丁酸作为GPR109A的配体[71]。丁酸激活GPR109A的EC50值约为1 mmol/L[72]。OLFR78主要在神经元、肠内分泌细胞、大肠上皮、肾动脉和血管平滑肌中表达[73]，在呼吸系统中可以作为缺氧传感器感知氧气水平下降时所产生的乳酸盐[74]。研究表明OLFR78只与乙酸和丙酸结合，而不与丁酸结合[75]。乙酸和丙酸激活OLFR78受体的EC50分别为2.35 mmol/L和

920 μmol/L[75]。

研究表明，在结肠炎小鼠模型中，乙酸可以激活GPR43和GPR41受体，使机体中的钾离子外排与超级化，诱导抗炎因子白细胞介素-18（Interleukin-18，IL-18）释放，从而缓解了小鼠结肠炎症[76]。与上述机制一致，丁酸盐可以激活肠上皮细胞中的GPR109A受体从而释放IL-18缓解肠道炎症[77]。另一研究报道，丙酸也可以通过激活GPR41和GPR43促进抗炎性白细胞介素10 （Interleukin-10，IL-10）的释放缓解肠道炎症[78]。此外，SCFAs还可以通过激活GPR43抑制促炎因子白细胞介素6（Interleukin-6，IL-6）、白细胞介素8（Interleukin-8，IL-8）、白细胞介素1β（Interleukin-1β，IL-1β）和肿瘤坏死因子α（Tumor necrosis factor，TNF-α）的表达来缓解肠道炎症[79-81]。Kobayashi等[68]发现，在没有GPR41或GPR43受体的C57BL6小鼠中，SCFAs可激活肠上皮细胞上的GPR41和GPR43，以保护免疫和组织炎症。在肠上皮细胞（Intestinal epithelial cells，IECs）模型中，丁酸激活GPR109A后会影响NF-κB活化，这一结果表明丁酸激活GPR109A在缓解肠道炎症和促进肠上皮细胞修复中具有重要的作用[71]。在巨噬细胞中，丁酸盐通过GPR41受体减少iNOS、TNF-α、单核细胞趋化蛋白-1和IL-6的产生而发挥抗炎作用[82]。

3.2 SCFAs作为HDAC抑制剂发挥肠道抗炎作用

组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase，HDAC）是一种在染色体结构修饰和基因表达调控中起重要作用的蛋白酶，HDAC过表达会导致组蛋白乙酰化减少而抑制基因的表达[83]。SCFAs可以作为HDAC抑制剂来影响免疫系统，调节肠道炎症[84]。

抑制核因子-κB（NF-κB）的激活是HDAC抑制的一个基本机制[85]。SCFAs可能通过抑制HDAC作用于单核血细胞和中性粒细胞，抑制NF-κB激活，从而减少这些细胞产生促炎因子TNF-α、IL-2、IL-6、IL-8的表达。SCFAs作为HDAC抑制剂的配体，可以通过诱导HDAC抑制作用刺激单核细胞和中性粒细胞，导致NF-κB激活，减少促炎因子的产生[86]。此外，有研究表明SCFAs作为HDAC抑制剂可以调节巨噬细胞的功能，发挥抗炎作用[87-88]。HDAC可以通过影响Foxp3的乙酰化，导致Foxp3降解，所以在小鼠模型实验中，补充丁酸盐可上调Foxp3基因表达并诱导Treg细胞的产生，从而抑制炎症反应[89]。研究表明，SCFAs可通过增加L-选择素的表达，促进细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子-2αβ（CINC-2αβ）的释放，刺激中性粒细胞向炎症部位迁移[57]。

4 膳食纤维对SCFAs合成的影响

肠道SCFAs水平可由内源性和外源性调节。内源性SCFAs水平受多种因素影响，其中肠道细菌是最重要的因素，外源性调节通过与膳食纤维的酯化作用将SCFAs传递到肠道。膳食纤维主要是不能被机体中消化酶所消化分解的多糖，主要包括非淀粉多糖、低聚糖、木质素和其他类似多糖。机体摄入膳食纤维后可在肠道中经肠道菌群发酵，从而产生外源性SCFAs[90]。研究表明，2型糖尿病患者在摄入膳食纤维丰富的食物后肠道内益生菌的数量明显增加，这些特异菌株比其他的短链脂肪酸产生菌有更强的生态竞争力，能产生更多的能量和SCFAs[91]。研究表明，50%几丁质-葡聚糖和50%生马铃薯淀粉组成的饮食显著增加了肠道中SCFAs水平和产生SCFAs的细菌，如放线菌门和厚壁菌门[92]。食用大麦仁面包3 d后普雷沃氏菌/拟杆菌的比例会增加[93]。随着高抗性淀粉饮食的增加，溴乳球菌和直肠真杆菌的数量增加[94]，而在非淀粉多糖饮食条件下，毛螺旋菌数量会增加[95]。因此，膳食纤维的摄入可改善肠道有益微生物的丰度，从而使机体中SCFAs的含量增加，进而在机体中发挥重要的作用。

不同的膳食模式产生的SCFAs不同。国外研究[96]发现，中国膳食和日本膳食每天摄入膳食纤维14 g后产生的乙酸、丙酸、丁酸的量分别为39.9:12.8:12.2和36.0:22.3:17.5。另外一项研究发现[97]，人体胃肠道中SCFAs的含量以及种类与膳食中所摄入的动植物食品有关，该研究中在低动物性食物模式（LAFD）干预之后以乙酸、丁酸含量增加为主，而动植物平衡模式（BD）和高动物性食物模式（HAFD）SCFAs总量没有改变。因此，肠道SCFAs量受动植物性食品含量的影响。在三种膳食模式基础上添加大豆低聚糖后，BD和HAFD模式SCFAs总量均有所增加，且BD模式以乙酸、丙酸增加为主，HAFD模式以丙酸、丁酸增加为主，这表明不同膳食模式可以影响人体胃肠道中SCFAs的含量。通过口服可发酵膳食纤维（60 g燕麦麸/d对应20 g膳食纤维），改变了结肠炎患者粪便中丁酸的含量[98]。该结果表明，动物性食品摄取量高时适当补充大豆低聚糖对改善大肠健康有重要作用。

以上结果表明，改变膳食组成和膳食模式，可以调节肠道SCFA产生菌的丰富度和多样性，改变肠道SCFAs的含量，从而持续调控内源性细菌发酵，最终使机体内SCFAs保持在稳定平衡的水平。

5 展望

人们越来越意识到饮食、肠道微生物群和健康之间的联系，而SCFAs是连接膳食纤维、肠道微生物群与肠道健康的重要代谢产物。SCFAs可以通过GPCRs和HDAC两条途径来缓解肠道炎症，但在不同细胞、组织甚至物种中的确切机制仍不清楚，在以后的研究中可靶标不同细胞与组织进行进一步研究。另外，合理改善膳食可调节肠道中SCFAs的含量，调控肠道中肠道菌群的结构，但如何控制膳食纤维的摄入量未得到量化，因此在后续研究中可进一步探讨膳食纤维每日摄入量的研究，为机体健康提供一定的理论依据。目前对SCFAs缓解肠道炎症的研究大多为单一SCFA且主要集中在分子层面，而乙酸、丙酸和丁酸联合作用对肠道炎症保护的效果以及对人体的研究仍未知。未来的研究方向可以探索特异性调节微生物群的策略，从而预测对治疗的可能反应，进而促进人类疾病个性化治疗策略的发展，促进人类健康。