丁酸盐在多发性硬化中的积极作用及其机制研究①

潘 頔 李 瑾 李 苗 郭威丽 杨 丹（哈尔滨医科大学附属第二医院神经内科，哈尔滨 150081）

多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是一种慢性免疫介导的中枢神经系统（central nervous system，CNS）疾病，淋巴细胞浸润导致脑和脊髓脱髓鞘及轴突损伤［1］，学者通过实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）动物模型实验得出具有促炎表型的髓鞘反应性T 细胞，T细胞根据其表面抗原识别受体（T cell receptor，TCR）所含肽链分为αβT 和γδT 细胞，后者能迅速识别TCR 信号和模式识别信号，被认为是一种固有免疫细胞，是固有免疫与适应性免疫应答的纽带［2］。特别是1型（Th1）和17型（Th17）辅助性T细胞，进入CNS 后被重新激活进而引发组织损伤［3］。相反，调节性T 细胞（regulatory T cells，Tregs）如FOXP3+或Tr1细胞会抑制CNS炎症［4］，这种不平衡的自我反应导致组织反复发生炎症变化，致使MS 患者神经退行性病变和随后的神经功能缺损［5］。

1 MS中的肠道微生物

既往研究分析60 例复发缓解MS（relapsing remitting MS，RRMS）患者和43例健康对照者的肠道微生物群，得出RRMS 患者的肠道微生物群中甲烷诺杆菌（Methanobrevibacter）和阿克曼菌（Akkermansia）增多，以及丁酸的生产者丁酸蓖麻单胞菌（Butyricimonas）减少［6］。此外，在体外T 细胞极化条件下，单独培养的Akkermansia和醋酸钙杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）提取物促进了Th1 细胞分化，抑制了Tregs 分化［6］。另一项实验得出，与健康双胞胎的移植相比，MS双胞胎的粪便微生物群移植入小鼠体内，诱发EAE 发病的概率更高，且脾脏CD4+T 细胞中IL-10 生成减少。这些结论均证实，肠道微生物群促进T细胞依赖性的CNS自身免疫。

2 短链脂肪酸参与免疫调节

短链脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）主要由膳食纤维或黏蛋白等糖基化宿主蛋白在结肠中发酵生成［7］。其中醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐是其主要成分。SCFAs 有多种方式参与调节肠道免疫系统，包括代谢整合、微生物群调节、抑制组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）和激活G 蛋白偶联受体（G-protein coupled receptors，GPCRs），可激活多个GPCRs，如游离脂肪酸受体2（fatty acid receptor 2，FFAR2）、FFAR3、GPR109A和嗅觉受体-78（Olfr78）［8］。SCFAs 可通过外周免疫系统调节脑功能，或直接作用于免疫细胞，间接减少大脑中的神经炎症［9］。例如，SCFAs 可调节炎症细胞因子（如TNF）的产生，直接影响中性粒细胞，并通过调节趋化因子（如CXCL1 和CXCL8）的产生作为中性粒细胞趋化剂［10］。乙酸盐可转化为乙酰辅酶A整合到细胞代谢中，从而促进mTOR 活化。这一过程反过来促进T 细胞分化为Th1、Th17 和IL-10+T 细胞［11］。此外，乙酸盐或FFAR2-、FFAR3-特异性合成激动剂通过激活FFAR2和FFAR3在体外调节人类（而不是小鼠）单核细胞炎症反应，导致p38 磷酸化增加，促炎细胞因子表达降低。

3 丁酸盐与MS

3.1 丁酸具有抗炎能力及维护屏障功能 丁酸盐是由碳水化合物经糖酵解产生，人体摄入膳食纤维的含量和组成可调节肠道和循环中的丁酸浓度［12］。SCFAs被肠黏膜有效吸收后，作为能量来源、基因表达调节器和被特定受体识别的信号分子对宿主生理产生重要影响［13］。丁酸盐抑制单核细胞和树突状细胞（dendritic cells，DCs）成熟，降低其产生促炎细胞因子（如IL-12和TNF）的能力，将DCs暴露于丁酸盐环境中可导致具有免疫抑制特性的吲哚胺2，3-双加氧酶1（2，3-dioxygenase 1）和乙醛脱氢酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1A2）表达增加，并促进原始T 细胞转化为FOXP3+Treg 而不是促炎性IFN-γ细胞。研究表明，在抗炎作用中，丁酸盐能通过抑制HDAC1，诱导静止和活化的CD4+和CD8+T细胞凋亡，从而消除一种炎症源［14］。有研究证实，丁酸是单核细胞衍生的巨噬细胞分化因子，可增强细胞固有的抗菌功能，并证明丁酸盐通过其抑制HDAC3的功能改变代谢，并诱导产生抗微生物肽，从而增强体内和体外的杀菌功能［15］。BACHEM 等［16］得出结论，丁酸盐具有独特的促进CD8+T细胞记忆作用，可通过采用丁酸盐处理抗原激活的CD8+T 细胞，将其转移到具有完整微生物群的正常饮食小鼠体内进行验证［17］。

丁酸盐和其他SCFAs 通过上调和重组紧密连接蛋白增强上皮屏障完整性，这一特征尤其重要，因为除非迷走神经受累，否则任何肠-微-脑相互作用都需要通过肠上皮和血脑屏障（blood brain barrier，BBB），现有研究表明微生物群落明显影响肠上皮和BBB 的通透性［18-19］。已有研究证实，无菌小鼠BBB 通透性增加，SCFAs 产生菌的集落使BBB通透性恢复，且无菌小鼠脑内的小胶质细胞呈现不成熟的表型和分枝细胞形态，口服SCFAs 可恢复不成熟和畸形的小胶质细胞［20-21］。

3.2 丁酸盐抑制脱髓鞘并促进髓鞘再生 长期以来，MS 一直被认为是由对髓鞘自身抗原（如髓鞘碱性蛋白）反应的CD4+T 细胞（主要是Th1 和Th17）介导的自身免疫性疾病［22］。在外周自身髓鞘抗原的作用下异常激活，破坏BBB，在CNS 内经抗原提呈细胞（antigen presenting cell，APC）进一步激活，分泌大量炎症细胞因子攻击髓鞘，进而导致神经元死亡和轴突变性，引起一系列神经症状［23］。研究证明丁酸盐可抑制溶血磷脂酰胆碱诱导的脱髓鞘，并促进髓鞘再生，这与成熟少突胶质细胞的分化增强有关，并被认为是由丁酸作为HDACs 抑制剂所介导［24］。然而Tregs 可通过产生CCN3 参与少突胶质细胞分化，丁酸盐抑制HDACs，诱导FOXP3+增强子区组蛋白H3 乙酰化，从而增强转录因子FOXP3+表达，FOXP3+是Tregs 的关键转录因子［14，25-26］。在髓鞘再形成方面，丁酸盐促进成熟的少突细胞分化，而不增加少突胶质细胞的前体细胞数量［27］。丁酸和其他HDACs 抑制剂通过多种机制抑制少突胶质细胞的缺血性损伤［28］，WANG 等［29］报道，在创伤性脑损伤模型中，HDACs 抑制剂通过调节小胶质细胞极化防止白质损伤。并提示HDACs 抑制剂可减轻少突胶质细胞损伤，促进少突胶质细胞成熟［30］。

3.3 丁酸盐改善MS PARK 等［31］发现长期活动性进行性MS 患者存在明显的SCFAs 缺陷，活动期患者丁酸盐含量仅为健康对照组的1/3［32］。髓鞘少突胶质细胞糖蛋白免疫诱导的EAE 是一种广泛应用的MS 动物模型，动物实验在诱导前分别给予小鼠高纤维（30%果胶）、低纤维（<0.3%）或对照饮食（5%纤维素），得出高纤维饮食小鼠的EAE 疾病严重程度最低［33］。对小鼠盲肠样本进行GC-MS 分析，得出高纤维饮食组中乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐水平均提高。进一步分别用乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐进行诱导，得出丁酸盐处理后降低疾病严重程度最高。同时测得丁酸盐可抑制IFN-γ 产生，小鼠IL-17的产生也略有增强。小鼠脾脏和淋巴结中FOXP3+Treg 数量增加。DUSCHA 等［34］也提出补充丁酸盐可导致MS 患者免疫细胞平衡的正性改变（Th1/Th17 减少，外周Treg 细胞增加，Treg 细胞恢复抑制功能）。这些结果表明，口服短链脂肪酸，尤其是丁酸可改善MS 程度［35］。SCFAs 受体的激活可诱发对跨越屏障微生物的有效急性反应［36］。研究表明，FFAR2 和FFAR3 缺陷型EAE 小鼠病程进展缓慢，FFAR2和FFAR3缺乏小鼠在抗肠道细菌感染的急性反应方面存在缺陷，这与EAE 反应减弱有相似之处［37］。

4 研究局限性及前景

综上，以上研究的共同点是通过观察粪便SCFAs 的定量进而进行实验研究。然而，粪便中的SCFAs 提供了未被吸收的SCFAs 信息，不能反映原位生产速率、吸收以及与其他生物相关分子或细胞类型的相互作用［38］。这种缺乏理解的现象阻碍了对SCFAs 生物学功能的深入研究。我们的知识差距源于无法量化发酵期间的SCFAs，SCFAs 在内脏区域的广泛吸收和代谢导致低血浆SCFAs 浓度，了解SCFAs 的全身可用性对于理解其生物学相关性及解读全身SCFAs 在肠-脑交流的程度至关重要。总之，目前对肠道微生物群和SCFAs 的功能及其在自身免疫中作用的了解有限，需要更多临床设计研究或实验动物研究进一步探究肠道菌群及SCFAs对MS的影响机制。