短链脂肪酸与结肠癌的研究进展

王斯琪 陈烨，2

(1南方医科大学南方医院消化内科 器官衰竭防治国家重点实验室 广东省胃肠病重点实验室，广东 广州 510515；2南方医科大学深圳医院微生态诊疗中心消化内科)

结肠癌(CRC)是消化系统常见的恶性肿瘤之一，在我国发病率仅次于胃癌和食管癌，2018年全球统计新发肿瘤中，结肠癌占6.1%，因肿瘤发生死亡中结肠癌占5.8%〔1〕，其发病与遗传、生活方式、饮食、心理因素、慢性炎症及肠道菌群密切相关。有研究显示，高膳食纤维饮食可以预防和减少CRC的发生，短链脂肪酸(SCFAs)在其中发挥重要作用〔2〕。SCFAs是膳食纤维经结肠肠道菌群酵解产生的代谢产物，不仅可以维持正常结肠上皮细胞的增殖，为细胞生长提供能量，更有明显拮抗CRC肿瘤细胞增殖，促进肿瘤细胞凋亡的作用，参与肿瘤疾病的发生进展的调控。有研究表明CRC与结肠腺瘤患者粪便中丁酸与总SCFAs的比例较健康者相比均有所下降，提示可能是结肠丁酸盐低比例增加了结肠肿瘤的风险〔3〕。超过90%的CRC是由结肠息肉转变而来，有结肠息肉的患者比正常人产丁酸含量明显减少〔4〕。SCFAs再成为广大临床医生及研究者关注的热点。本文对SCFAs在CRC疾病中的机制作用做简要综述，为SCFAs临床应用提供理论依据。

1 SCFAs概述

SCFAs是指未被消化吸收的膳食纤维、蛋白和肽进入盲肠和结肠后，由微生物代谢产生的挥发性脂肪酸，由1～6个碳原子组成，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，其中乙、丙、丁酸占据了总量的95%〔5,6〕。肠道产生的SCFAs的种类、数量主要受发酵底物、细菌种类等因素的影响〔7〕。抗性淀粉发酵产生较多的丁酸，果胶则产生更多的乙酸和丙酸〔8〕。拟杆菌发酵的主要产物是乙酸和丙酸，而厚壁菌属则为丁酸〔7〕。

SCFAs在人体的不同器官参与多种代谢途径，发挥各自功效。乙酸大部分吸收入血，作为胆固醇合成最主要的底物，参与肝脏的代谢或为周边组织提供能源，参与肌肉、脾脏、心脏和脑内的代谢。丙酸经结肠吸收后，经肝脏代谢转化为丙酮酸并被异生为葡萄糖，此外，还能降低羟甲基戊二酸单酰辅酶(HMG-Co)A还原酶的活性，抑制胆固醇的合成〔9〕。丁酸被结肠上皮细胞吸收利用，作为结肠上皮细胞的首要能量来源〔10〕，并抑制白介素(IL)-6、IL-17等多种促炎因子的生成及肿瘤细胞的增殖，预防结肠炎症和CRC的发生，维持肠道内环境的稳定。由此可见，SCFAs在机体生理、病理状态下均发挥着不可替代的作用。

2 SCFAs在CRC发生发展中的作用

2.1SCFAs抑制CRC细胞增殖 SCFAs可作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACI)，发挥抗癌作用。基因转录的有序调控是机体细胞维持正常功能的前提，当基因转录调控功能紊乱，细胞就可能发生癌变。肿瘤的发生与核心组蛋白的乙酰化及去乙酰化的失衡有密切的关系。在机体内，负责组蛋白乙酰化和去乙酰化的是一对功能相互拮抗的蛋白酶：组蛋白乙酰转移酶(AHT)和组蛋白去乙酰酶(HDAC)。机体利用这两种酶对组蛋白氮端氨基酸残基进行乙酰化和去乙酰化，调节染色质的结构，介导核小体结构改变，进而调控基因转录。当HDAC过表达破坏基因表达平衡时，导致细胞异常增殖，肿瘤发生。诸多研究表明丁酸在浓度为0.5～5 mmol/L时〔11〕可显著抑制HDAC活性，从而抑制CRC细胞增殖，尤其对结肠腺癌细胞的HDAC活性的抑制最明显〔12,13〕，使染色质乙酰化水平上调,处于高转录活性的开放状态,从而增加基因表达量〔14〕,研究证实用丁酸预处理CRC细胞系后,发现研究的588个基因中有23个表达量明显上调,诸多基因如p21/Cip1和细胞周期蛋白(cyclin)D3发生转录〔15〕，其中P21基因转录水平增加4倍以上〔16〕。P21蛋白一方面作为 G1/S 期调控点因子,与相应的cyclin-细胞周期依赖性蛋白激酶(CDK)复合物结合并抑制其活性,减慢细胞周期进程,抑制细胞生长,促进细胞分化;另一方面,p21抑制细胞增殖过程中的 DNA 复制，是一种临床应用较广的抑癌基因〔17〕，但具体下游效应和机制有待进一步研究。

SCFAs还可通过阻滞细胞周期，从而抑制肿瘤细胞增殖。丁酸可以明显导致HCT-116细胞G0/G1和G2周期时间增加，S周期时间减少〔16,18〕。5 mmol/L浓度丁酸与RKO、HCT-116和HT-29等多种结肠癌细胞共孵育时，更大程度将细胞周期阻滞于G2/M期,而转化生长因子(TGF)-β则主要阻滞在G0/G1期〔19〕。TGF-β可直接或间接抑制pRb磷酸化,而pRb是决定细胞是否增殖的中心调控分子〔20〕。当丁酸和TGF-β联合治疗同样可改变肿瘤细胞的周期分布，G0/G1期细胞阻滞率较高，S期阻滞率较低〔21〕，这表明丁酸盐不仅对细胞增殖有独特的影响,还可加强TGF-β信号通路的影响。Chen等〔22〕研究丁酸盐可通过增加Kruppel样因子(KLF)4/胃肠富集KLF(GKLF)mRNA水平，直接激活细胞周期蛋白依赖激酶抑制因子P21的启动子而促使其转录表达，负向调节整个细胞周期。 此外，丁酸还可干预其他环节抑制肿瘤细胞增殖。蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)1是一组催化蛋白质精氨酸发生甲基化修饰的酶，与多种肿瘤疾病发生相关。结肠肿瘤组织PRMTI的亚型PRMT1v1蛋白水平显著高于正常组织〔23,24〕。Ryu等〔25〕研究发现HCT116细胞丙酸钠通过mTOR通路下调PRMT1,降低结肠肿瘤细胞群体增殖能力和克隆性增殖能力，诱导细胞凋亡。

2.2SCFAs诱导CRC细胞凋亡 Fas/FasL是细胞外死亡受体途径介导细胞凋亡最主要的信号之一〔26〕。Rivkin等〔27〕发现，丁酸钠可以明显增加CRC细胞对Fas介导凋亡的敏感性。丁酸作为HDACI可以促进Fas启动子部位的组蛋白H3在H3K9位点的乙酰化水平增加，进而导致Fas表达增加，抑制STAT1活性，抑制诱导性一氧化氮合酶(iNOS)诱导的炎症反应，从而降低CRC的发生〔28〕。丁酸还可诱导CRC细胞内的线粒体途径发生凋亡。在HCT116细胞中，通过促进线粒体内Ca2+的募集，导致Ca2+超载，引起线粒体损伤，诱导肿瘤细胞凋亡〔29〕。

B细胞淋巴瘤(Bcl)-2基因家族蛋白是线粒体凋亡途径中重要的调控分子。研究表明，促凋亡蛋白(Bax)和抑制凋亡蛋白(Bcl-2或Bcl-xl)之间相互控制着细胞色素C等物质从线粒体释放，进而启动半甘氨酸蛋白酶(caspases)级联反应，诱导细胞凋亡。丁酸可以抑制沉默信息调节因子(SIRT)1激活mTOR/S6K1通路，增加Bax/Bcl-2蛋白比例，诱导HCT116细胞发生凋亡〔30〕。其中，SIRT1在DNA修复、体内能量平衡、氧化还原平衡、抗衰老及胰岛素分泌等方面具有重要的调控功能〔31,32〕。

此外，SCFAs也可通过多种途径参与肿瘤凋亡。有研究表明丁酸通过钠耦联单羧酸转运蛋白(SMCT)-1摄取，影响HCA-7人结肠癌细胞中前列腺素(EP)4受体的表达水平，从而维持肠道上皮稳态。EP4受体在正常结肠隐窝上皮细胞表达，并通过保持黏膜完整来维持肠道稳态，当结肠组织中丁酸浓度降低，或丁酸摄取减少时，EP4受体过度表达，伴随环氧化酶-2过度诱导，则会发生早期CRC癌变〔33〕。Terranova-Bareberjo等〔34〕发现丙戊酸与卡培他滨衍生物协同作用于野生型HCT116肿瘤细胞时，有明显的协同效应；但当作用于HCT-116 p53-/-细胞时，则产生拮抗作用，说明丙戊酸需要通过p53肿瘤抑制蛋白调节细胞凋亡。SMAD蛋白是TGF-β通路下游受体，是重要调控分子之一，在调控干细胞活性和器官形成中发挥重要作用，当TGF-β信号通路各成员活性未激活时，体内会自发性发生多种癌症。丁酸可以呈时间依赖性地上调SMAD3 mRNA的表达〔21,35,36〕，48 h时表达量最大；此外，丁酸钠对SMAD3蛋白表达在24 h内呈剂量依赖性，中等剂量(2.5和5.0 mmol/L)时效应最大〔37〕。

2.3其他 此外，SCFAs拮抗CRC的发生，也可通过调控炎症，抑制炎症相关癌变进展。研究表明约40%的CRC肿瘤组织中核因子(NF)-κB已处于激活状态〔38〕，丁酸可以抑制促炎信号通路NF-κB，同时诱导调节性T细胞分化和抗炎IL-10细胞表达，促进肿瘤细胞凋亡〔39,40〕。

SCFAs可通过维持肠上皮完整性，降低CRC发生。偶氮甲烷(AOM)和葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎相关性CRC动物模型中，在饮水中加入67.5 mmol/L 乙酸,25.9 mmol/L 丙酸和40 mmol/L丁酸，发现SCFAs混合用水可以有效维持肠绒毛高度、宽度、隐窝深度及黏膜厚度,增加肠黏膜细胞增殖能力，减轻肠黏膜萎缩，维护肠黏膜形态，维持肠上皮完整性，显著降低肿瘤发生率和肿瘤大小，并且抑制IL-6、TNF-α、IL-17等促炎细胞因子〔41〕。 这是因为SCFAs是肠黏膜营养物质之一,为肠上皮提供60%～70%能量,促进增生从而修复肠黏膜。 实验证实无菌鼠肠道细胞明显能量供应不足,甚至出现自噬现象,破坏肠道上皮的完整性,但对小鼠饲喂含丁酸的食物后,肠道上皮细胞的形态和结构恢复正常〔42〕。SCFAs还可以促进肠细胞分泌肠上皮特异性生长因子胰高血糖素样肽(GLP)-1,进而促进肠黏膜的生长及修复肠上皮损伤,提高肠黏膜屏障功能〔43〕。黏液屏障是肠腔抵御攻击的第一道屏障，黏液屏障主要由黏蛋白多聚糖组成，黏蛋白由MUC基因编码合成。有研究表明当丁酸浓度为9 mmol/L时，可促进黏液分泌，在转录水平提高结肠杯状细胞黏蛋白的分泌量，增强黏液屏障功能〔44〕。

SCFAs发挥不同的拮抗肿瘤作用还与肠道内的pH值水平有关。Lan等〔45〕研究膳食纤维在结肠内酵解的产物SCFAs(丙酸和乙酸)所营造的不同酸性(pH5.5～7.5)环境发现,pH为6.0～7.5时SCFAs可触发HT-29腺癌细胞凋亡,pH为7.5时SCFAs诱导癌细胞处于细胞周期G2/M期,细胞随之凋亡;pH为5.5时SCFAs使癌细胞线粒体除极化、内膜通透性增加、ATP迅速耗竭、活性氧(ROS)聚集增多,从而导致细胞死亡。

综上，SCFAs对CRC的发生、发展有着重要影响，具有很高的临床研究价值。随着分子研究技术的不断发展，SCFAs对CRC的具体机制会逐步阐明，为CRC的防治开辟新方向。