丁酸及其衍生物防治非酒精性脂肪性肝病的作用机制研究进展

陈慧，李硕烨 ，李楠，，王慧

1 潍坊医学院传染病学教研室，山东潍坊 261000；2 日照市人民医院感染科

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）为临床上最常见的慢性肝病，统计显示其全球发病率约25.24%（14%~32%）。NAFLD包括肝脏脂肪变性、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、肝纤维化等病理过程，后期可进展至肝硬化、肝癌［1］。它的发病机制复杂，涉及到代谢、遗传和环境等多个因素，具体机制尚未完全明确，因此目前的治疗方法疗效有限。越来越多的研究表明，肠道微生物菌群与非酒精性脂肪性肝病的发生发展关系密切，而丁酸作为肠道微生物分解产物—短链脂肪酸的重要组成部分，也被多次证明与NAFLD 的发生发展密切相关，成为NAFLD 的潜在治疗药物［2-8］，其衍生物如4-苯甲基丁酸（PBA）也被证明能改善高果糖诱导大鼠的NAFLD［9］。丁酸除了来源于膳食纤维外，主要在肠道中由厚壁菌门产生，是结肠上皮细胞的主要能量来源。丁酸衍生物如PBA，克服了丁酸的短半衰期而保留其生物活性。丁酸及其衍生物对肠道及肠外疾病均存在有益作用，如在肠道疾病有调节跨上皮离子转运功能、抗炎抗氧化、维持结肠防御屏障、影响内脏感知、诱导肠道运动增强等作用，肠道外有增加胎儿血红蛋白、增加胰岛素敏感性与减少胆固醇合成、氨清除、保护神经等作用［10］。目前丁酸及其衍生物防治NAFLD 的分子机制仍不十分清楚，但关于此方面的研究逐年增多，且已经取得了不少研究成果。研究发现，丁酸及其衍生物通过调节能量代谢、脂质代谢，改善炎症反应，减轻氧化应激，调节肠道菌群、维持肠道稳态等机制预防NAFLD 的发生、延缓其进展，现综述如下。

1 调节能量代谢

丁酸盐通过减少能量摄入、改善线粒体生物功能来调节能量代谢从而对非酒精性脂肪性肝病发挥防治作用。目前认为，NASH 是肝脏由于过量的脂肪酸和碳水化合物而产生的代谢应激反应。高热量食物造成的营养过剩，加上缺乏运动的生活方式造成的能量消耗低，促进脂肪组织肥大，储存多余的热量，从而导致脂肪细胞大量膨胀，进而导致脂肪组织缺氧。缺氧脂肪组织会导致组织纤维化和炎症，进一步降低脂肪组织功能，增加葡萄糖和脂质的循环水平，并导致代谢性疾病的更早发生［11］。

丁酸被认为是一种能量摄入调节剂。丁酸可与G 蛋白偶联受体（GPCRs）GPR41和GPR43结合刺激食欲抑制激素分泌［12］。正常结肠内存在大量的内分泌L细胞，可分泌参与食欲调节的肽类，如胰高血糖素样肽 1（GLP-1）、肽 YY（PYY）和胃泌酸调节素等。丁酸可激活肠道内分泌L 细胞表面的GPR41和GPR43，刺激 PYY 和GLP-1 的分泌，两者均可以延迟胃排空，诱导饱腹感，从而减少能量摄入。KIMURA 等［13］对比了 GPR43 缺陷的小鼠和 GPR43过量表达小鼠，发现前者在正常饮食下也会肥胖，而后者即使喂食高脂肪饮食，仍然是瘦的，这进一步表明丁酸介导的GPR43 激活抑制了脂肪细胞中的胰岛素信号传导，促进了能量的代谢。丁酸还可以作用于肠—脑神经回路，调节机体能量摄入。LI 等［14］研究发现，丁酸盐被模型小鼠摄入后抑制了其下丘脑中表达神经肽Y 的促食欲神经元的活动，并降低了其脑干中的孤束核和迷走神经背侧复合体内的神经元活动，从而影响了小鼠食欲，减少了食物摄取。这些都说明丁酸盐对于NAFLD 的有益作用部分归功于减少能量摄入来改善能量代谢。

另外，线粒体参与体内各种生理反应，提供能量，因此线粒体功能障碍会引起包括代谢性疾病在内的多种疾病。线粒体功能障碍和相关的氧化应激是NAFLD 和NASH 发展的标志性特征。从这个意义上说，恢复线粒体功能对于缓解NAFLD 的进展至关重要。有研究［15］显示，在 NAFLD 中，丁酸盐可以显著促进线粒体的生物合成和功能，其中GPR43-β-arrestin2-AMPK-PGC1-α 信号通路发挥了巨大作用。GPR43 是细胞膜上的G 蛋白偶联蛋白，β -arrestin2 是其下游激活剂之一，通常被认为是炎症的调节剂，在维持脂肪细胞内能量稳态中也有重要作用。线粒体含量受其生物发生的影响，“过氧化物酶体增殖物激活受体γ-共激活因子-1a（PGC-1a）”是线粒体生物发生的中心环节。在NAFLD 患者中可发现PGC-1a 表达降低，而PGC-1a 的上调可显著增加胰岛素敏感性和脂质氧化。已有研究表明，蛋白激酶（AMPK）的磷酸化会激活PGC-1alpha，增加线粒体相关基因的表达，并促进线粒体生物发生。ZHAO 等［15］研究发现，丁酸盐可以显著逆转高胰岛素诱导的GPR43 和β-arrestin2 减少，并通过促进AMPK-PGC1-α 和阻断组蛋白去乙酰化酶(HDAC）信号通路来促进线粒体的生物发生，从而改善了小鼠的肝功能。说明丁酸盐还能通过改善线粒体生物功能调节能量代谢，从而发挥防治NAFLD的作用。

2 调节脂质代谢

多个研究表明，摄入丁酸及其衍生物PBA 有益于机体的脂质稳态。它们从改变脂肪生成、影响脂肪分解、促进脂肪酸（FA）β-氧化、调节载脂蛋白代谢等方面发挥调节脂质代谢的作用。其中，丁酸作为 HDAC 抑制剂［16］发挥核心作用，而 PBA 则起到HDAC 抑制剂或化学分子伴侣的作用。

2.1 调控脂肪生成 过度刺激的脂肪生成导致了NAFLD 患者的肥胖和胰岛素抵抗，过去几年，抑制脂肪生成的方法一直是研究的主题。为探究丁酸对脂肪生成的影响，TOSCANI等［17］将0.5 mmol/L 丁酸应用于3T3-L1 前脂肪细胞5 天，结果显示丁酸抑制HDAC 活性，刺激 Pparg、Add1 和 Fasn 基因表达、脂质积累，进而加速脂肪细胞分化，但后期脂质水平降低。常见的HDAC 抑制剂包括曲古抑菌素A（TSA）、scriptaid 和辛二酰苯胺异羟肟酸均可阻止3T3-L1 细胞分化和脂质积累，且丁酸的脂肪生成作用在与TSA 共孵育后被完全阻断。HABERLAND等［18］研究发现，是丁酸的短链脂肪酸特性而不是其HDAC 抑制特性促进了脂肪生成，且还发现丁酸在应用后的前48 h 内发挥HDAC 抑制作用，因此认为，这种抑制发生在脂肪生成的早期标志物（C/EBPβ）下游及在脂肪生成的中晚期标志物（PPARγ）上游，推断丁酸作为HDAC 抑制剂可能通过影响C/EBPβ 的乙酰化状态或者降低C/EBPβ DNA 结合亲和力及其转录激活潜力来阻断脂肪生成。PBA 主要通过调节未折叠蛋白反应（UPR）信号、减弱内质网（ER）应激来影响脂肪生成，而早有研究证明ER应激在NAFLD 发病机制占据重要作用［19］。另外，PBA 对脂肪形成有不同作用，这可能与所用PBA的浓度有关。LONGO 等［20］指出在低浓度时，PBA（50 μmol/L）会刺激脂肪生成，因为PBA 仅抑制非必要的ER 应激，对低级别生理性ER 应激无反应，而在高浓度下，PBA（10～20 mmol/L）消除病理和生理性ER 应激，从而抑制脂肪生成。

丁酸和PBA 通过抑制HDAC 活性和UPR 信号传导影响脂肪生成。预计长期丁酸治疗将具有抗脂肪生成作用，尽管丁酸支持早期脂肪生成，但它并没有刺激整个过程，细胞脂质水平在脂肪生成的后期降低。 PBA 对脂肪生成的不同影响可能与在PBA特定环境中作为化学伴侣发挥的常规作用以及使用的PBA浓度有关。

2.2 促进脂肪分解 通过刺激脂肪分解来动员和分解脂肪细胞中的脂肪沉积是肥胖及相关疾病管理方法之一。已有多个小鼠模型研究表明，丁酸对脂肪分解有促进作用，包括白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT）。在饲喂高脂饮食（HFD）的C57BL/6J小鼠研究中，口服丁酸盐（80 mg/只，10天内灌胃5次）可通过以下途径促进脂解：肾上腺素能受体β3（ARβ3）基因和蛋白表达的增加，脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）的表达上调和激素敏感脂肪酶（HSL）的磷酸化，线粒体氧化磷酸化基因的选择性表达［21］。丁酸对WAT和BAT的脂解作用调节不同。丁酸主要在下丘脑内交感神经系统的控制下刺激BAT 功能，增加产热［14］。但目前大多数基于细胞的证据都不支持丁酸刺激脂肪分解的观点。体外和体内模型之间关于丁酸对脂肪分解影响的差异部分原因为肾上腺素能系统对WAT 脂肪分解的双重调节以及区域脂肪库对肾上腺素能信号的反应强度的差异。肾上腺素能系统由两种受体组成，一种是刺激脂肪分解的β 肾上腺素受体，另一种是抑制脂肪分解的α肾上腺素受体。这两种受体类型都受儿茶酚胺的调节，儿茶酚胺作为激素刺激脂肪分解。在人类中，儿茶酚胺的脂解活性在内脏脂肪中最高，其次是腹部皮下脂肪，在外周皮下脂肪中最低。在比较体外和体内数据时，脂肪组织的这些特征不一定完全反映在细胞培养系统中，这可能是变异的来源。

PBA对脂肪分解的影响尚不清楚。有一些证据支持PBA 在WAT 褐变中的作用。为了响应适当的刺激（长时间的冷暴露、PPARγ 激动剂、β-肾上腺素能刺激），来自某些脂肪库的WAT 可以通过呈现BAT 的特征而发生褐变。WAT 褐变有可能使能量平衡从储存转向消耗，这是一种可能的抗肥胖策略。PBA 已被证明可以改善由ER 应激引起WAT褐变的缺陷过程［22］。在这些研究的基础上，抑制ER应激是PBA 影响脂肪分解的主要作用机制，但还需要进一步的研究。

2.3 促进脂肪酸（FA）β-氧化 线粒体和过氧化酶体中的氧化作用有助于脂肪分解释放的FA 的分解代谢，以满足身体的能量需求。因此，刺激FA 氧化被视为是对抗肥胖及NAFLD的一种策略。

在动物模型中进行的研究表明，丁酸通过刺激FA β-氧化改善肥胖相关的代谢紊乱，如胰岛素抵抗和糖耐量减低。其中，PPARγ 被确定为丁酸发挥其促FAβ-氧化机制的关键信号分子。丁酸可以诱导PPARγ 下调，PPARγ 的下调激活了 UCP2-AMPKACC 通路，从而促进脂肪和肝脏组织中的代谢从脂肪生成转变为脂肪酸氧化，并降低肝脏脂肪酸活性［23］。此外，丁酸还可以作为肝成纤维细胞生长因子21（FGF21）诱导剂促进FGF21 表达以支持FAβ-氧化，FGF21 在动物体内刺激脂肪酸氧化和酮体生成。但丁酸并没有增加PPARα 与FGF21 基因的结合，而是增加聚合酶II 的募集并减少HDAC3 的募集。总之，动物研究［24］表明，丁酸通过作为HDAC抑制剂刺激β-氧化来减轻NAFLD代谢功能障碍。

据报道，PBA也能刺激FA β-氧化。证据来自对X 染色体连锁肾上腺脑白质营养不良症的研究，结果表明PBA 有利于过氧化酶体和线粒体FA 的氧化，但在NAFLD中促进FA β-氧化的机制尚不清楚，还需要进一步研究。

2.4 调节载脂蛋白表达 载脂蛋白（apoA、B、C、D、E、H、L）与脂蛋白密切相关，它们识别脂蛋白颗粒并在脂蛋白代谢过程中充当受体配体或识别节点。目前，丁酸和PBA 已通过调节载脂蛋白的表达显示出对血脂异常的治疗潜力。丁酸调节载脂蛋白的机制并不完全清楚，目前研究［25］表明，丁酸对脂蛋白代谢的影响可能是剂量和细胞类型的函数，低丁酸剂量有利于人肝癌HepG2 细胞生长和间接脂蛋白产生，而高丁酸剂量抑制Caco-2 肠上皮细胞中的脂蛋白产生，具体机制还需要进一步研究。另有证据表明，在apoB 产生异常升高或被ER 应激抑制的情况下，PBA 可以纠正apoB 代谢，机制为降低肝脏TAG 含量和提高血浆 TAG 水平［26］。

3 改善炎症反应

NAFLD 的特点是由肝脏、肠道和脂肪组织之间的相互作用介导的肝脏和全身的免疫和炎症反应的激活。持续的低炎症状态与炎症因子失调、肠黏膜受损密切相关。丁酸已被反复证明具有抗炎作用，尤其是肠道相关炎症。在NAFLD 中，丁酸的抗炎作用主要通过抑制抗炎通路、调节炎症因子、发挥HDAC 抑制剂作用及改善肠黏膜屏障完成的。

一方面，丁酸主要通过激活AMPK 及其下游靶点如核因子-κB（NF-κB）信号通路，增加抗炎因子、减少炎症因子的表达来抑制炎症反应。DENG 等［2］研究表明丁酸盐可以通过激活AMPK及抑制巨噬细胞促炎激活，减轻由于缺乏蛋氨酸和胆碱的饮食导致的小鼠脂肪变性和促炎细胞因子的分泌。丁酸盐通过靶向NF-κB 信号通路和NLRP3 炎症小体（一种多蛋白复合物，负责激活炎症反应）激活，减轻了高脂饮食诱导的NAFLD 相关的肝脏炎症［3］。ZHOU等［4］研究表明，高脂饮食诱导的小鼠模型在丁酸盐干预后内毒素相关基因如TLR4和Myd88，促炎基因如 MCP-1、TNF-α、IL-1、IL-2、IL-6 和 IFN-γ 明显下调，肝脏中的抗炎因子如IL-4、IL-10显著增加。

另一方面，丁酸盐发挥其HDAC 抑制剂作用，在表观遗传学上诱导小鼠结肠Treg 细胞分化，从而起到抗炎作用。FURUSAWA 等［27］发现，在Treg细胞极化条件下，用丁酸盐处理幼稚T 细胞可增强启动子中的组蛋白H3 乙酰化和增加Foxp3 基因位点（与调节性T细胞密切相关的转录因子）的保守非编码序列区域，从而诱导Treg细胞的分化增加。

另外，丁酸可以修复黏膜屏障，减少内毒素入血，进而减轻肝脏炎症。ZHOU 等［4］研究发现，丁酸盐可通过激活AMPK 促进紧密连接的组装完成，保护肠道屏障完整性，减少病原体相关分子模式等逃逸到血液中，以此来降低肝脏炎症。BEISNER 等［5］研究表明，丁酸钠可减轻高脂肪和高糖饮食诱导的α-防御素下调，有助于恢复肠道抗菌屏障功能。CHEN 等［6］也发现，SIRT3（一种Ⅲ级HDAC）基因缺乏会导致肠道微生物失调、肠道通透性增加，而补充丁酸钠可以减轻这种肝损伤。

4 减轻氧化应激

在生理条件下，由于细胞内代谢，活性氧（ROS）在肝脏中持续产生，当过量存在时，ROS 可诱导分子和细胞器损伤，从而导致细胞器功能障碍（例如线粒体功能障碍）和进一步的疾病进展。

丁酸除了上述提到的减轻线粒体相关的氧化应激机制，还可以通过减少ROS 产生及改善抗氧化酶的活性发挥作用，其中AMPK信号起到了重要作用。AMPK 可作用于下游靶点，激活Nrf2 信号通路。Nrf2 是一种重要的细胞转录因子，被认为是细胞抗氧化还原的主要媒介，参与解毒和化学预防机制有关的几种酶，如谷胱甘肽巯基转移酶、氧化还原酶辅酶 NAD 的转录。MOLLICA 等［28］研究发现，HFD 小鼠的NQO1 和GST 活性以及谷胱甘肽水平明显降低，应用丁酸盐处理后上指标均有所增加，同时发现，丁酸盐可以通过直接激活AMPK 信号减少ROS的产生。

丁酸盐还可以通过促进肠褪黑素合成减轻氧化应激。JIN 等［7］研究发现，丁酸盐还可以增加肠褪黑激素的合成，进而可能通过褪黑素受体依赖的信号级联，减弱肝脏诱导型NO 合成酶的诱导和脂质过氧化。已有研究［29］证明，褪黑素及其前体色氨酸治疗可降低NAFLD 患者的促细胞因子并改善脂肪代谢参数。

MicroRNAs 是短的非编码RNAs，参与 NAFLD和相关代谢疾病的发病机制。一项最新研究证明，丁酸钠通过上调miR-150 抑制趋化因子受体CXCR4 表达，减轻HFD 诱导的小鼠氧化应激，从而改善NAFLD；这也表明丁酸盐可作为化学补充剂治疗反刍动物的氧化应激及其相关疾病［8］。然而，其相关分子机制仍有待深入研究。

5 调节肠道菌群、维持肠道稳态

肠道菌群维持着机体生理功能，处于动态改变中，并参与了许多疾病的发生发展。已有研究表明，NAFLD 患者体内存在着菌群失调。多个研究［4，30］表明丁酸盐可以通过改变机体肠道中pH水平，调整肠道菌群，促进肠道中有益菌群恢复，减少有害菌群生长，从而调节粪便短链脂肪酸和内毒素水平，并降低促炎细胞因子的表达。另外，丁酸还可以通过激活结肠细胞中β 氧化增加氧消耗，从而降低管腔内氧和硝酸盐水平，防止病原菌的增加，维持肠道稳定［31］。这说明肠道菌群是丁酸发挥其多重作用的重要靶点之一，丁酸通过作用于肠道微生物，调节其相关炎症反应及氧化应激，维持肠道稳态，从而达到对NAFLD的治疗效果。

总之，丁酸盐通过调节能量代谢、调节脂质代谢、改善炎症反应、减轻氧化应激、调节肠道菌群、维持肠道稳态等机制起到防治NAFLD 的作用。鉴于丁酸的短半衰期的局限性，研发新的丁酸衍生物可能是进一步防治NAFLD 的重要方向，丁酸及其衍生物有望成为NAFLD的潜在治疗方法。