支鏈脂肪酸及其抗炎作用研究進展

李曉青，林 崟，施文婕，宋夜雨，楊詩敏，閆媛媛

(上海交通大學醫學院 公共衛生學院，上海 200025)

支鏈脂肪酸(Branched chain fatty acid，BCFA)是分枝桿菌、枯草桿菌等細菌細胞膜的組成成分[1]，廣泛存在于自然界中，也存在于動物體內，在植物表面也有微量分布[2]。我國對于支鏈脂肪酸的研究大多還集中在牛羊類反芻動物的乳汁、肉制品上，對于與人類相關支鏈脂肪酸的研究還很少。

1 BCFA的結構與分布

1.1 BCFA的結構

BCFA大多是飽和脂肪酸，其碳骨架上有1個或多個支鏈(以支鏈甲基常見)，支鏈通常在末端或倒數第2個碳上，可以分為單支鏈和多支鏈脂肪酸。支鏈甲基位于碳鏈骨架的倒數第2個碳原子上，稱為iso(異)-BCFA，位于倒數第3個碳原子上，則稱為anteiso(反異)-BCFA。特殊的支鏈結構和飽和狀態使BCFA具有獨特的理化性質，如低凍點和傾點、良好的熱穩定性和氧化穩定性等[3]。BCFA的存在改變了細胞膜脂質的物理性質，使之具有較低的相變溫度和較大的流動性，飽和狀態也使之不容易受到活性氧的攻擊。

1.2 BCFA的分布

人類的BCFA由皮膚表面的皮脂腺或者瞼板腺合成，存在于皮膚、血漿和乳汁中。BCFA與胎兒的關系十分密切，是胎兒皮脂的重要組成部分，占其干重的10%～20%。24周胎齡時胎兒開始合成皮脂，孕后期時胎兒體表的皮脂脫落并形成微粒懸浮于羊水中，隨著胎兒的吞咽動作而進入其腸道內[4]。Ran-Ressler等[4]研究表明，健康足月新生兒的皮脂和糞便均存在BCFA，從嬰兒的皮脂中檢測出30種BCFA，碳原子個數在11～26之間，以飽和BCFA為主，種類有iso-BCFA、anteiso-BCFA和中鏈單甲基、二甲基BCFA；而糞便中的BCFA碳原子個數在16～26之間，9個糞便樣本中有8個檢測出iso-BCFA，但只有2個檢測出單不飽和脂肪酸(MUFA)和anteiso-BCFA。還有研究[5]用anteiso-17∶0、iso-16∶0、iso-18∶0和iso-20∶0培養人類H4細胞，結果表明盡管所有BCFA都能成為細胞質的一部分，但其中以anteiso-17∶0優先被利用，短鏈iso-BCFA相較于長鏈iso-BCFA更容易被吸收。人類H4細胞是一種沒有經過轉換的胎兒腸道上皮細胞，當其暴露于充足的BCFA的環境下時，會代謝大量特定結構的BCFA并將其合并到細胞質內。

由此可知，嬰兒皮脂和糞便中的BCFA存在含量與種類上的差異，是因為嬰兒腸道的選擇性吸收所致，BCFA不是惰性的成分。糞便中的BCFA譜向高相對分子質量遷移以及除iso-BCFA外大部分BCFA的缺失，更加說明BCFA不是毫無作用的惰性成分，胎兒有選擇地代謝了大多數BCFA，BCFA則可以稱作人類第一頓固體食物。

1.3 人乳中的BCFA

由于支鏈脂肪酸占比極低，且在氣相色譜分析中容易被飽和脂肪酸(SFA)和MUFA所掩蓋，故其報道并不常見。直到1958年Insull等[6]首次在人乳中檢測出支鏈脂肪酸，人乳中的BCFA才為人們所知。人類對于支鏈脂肪酸的攝入并不僅局限于圍產期，人乳作為嬰兒的最佳食物含有多種BCFA，是新生兒膳食BCFA的主要來源。雖然人體內部組織的BCFA含量極低，但人乳中其含量可高達1.5%，且在初乳和成熟乳中都存在。一個3個月大的嬰兒平均每天攝入800 mL的人乳，其中就含有152 mg BCFA(攝入量約23 mg/kg)，而對于DHA，3個月大嬰兒的攝入量僅為12 mg/kg，嬰兒BCFA的攝入量甚至超過了DHA[7]。由此可知，哺乳期的嬰兒對BCFA的需要較大，BCFA可能在嬰兒期扮演著重要角色。

人乳中BCFA的含量受到多種因素的影響，存在著明顯的個體差異，包括遺傳[8]、飲食和年齡[9]等。一項研究[10]對辛辛那提、上海和墨西哥3個地區母親產后4周的人乳進行分析，結果顯示人乳中BCFA的含量受到哺乳期母親攝入反芻類動物制品的影響，尤其是奶制品。歐美地區的居民習慣食用奶制品[11]，而中國人攝入較少，飲食攝入BCFA少則人乳中BCFA含量也相對較低。

哺乳期和孕齡對母乳BCFA的含量亦有影響[9]。人乳的BCFA主要位于甘油三酯的sn-2位，而牛羊奶的BCFA僅有1/3位于sn-2位。sn-2位的BCFA對嬰兒而言具有更重要的意義，這是因為腸道中的胰脂肪酶分解脂肪酸形成2-單酰甘油(2-MAGs)和游離脂肪酸(FFAs)，腸道優先以2-MAGs的形式吸收sn-2位的BCFA，sn-1和sn-3位的BCFA則分解為FFAs，最后形成不溶性的鈣皂。早產兒易發生壞死性小腸結腸炎(NEC)，許多研究均表明早期BCFA的攝入不足與NEC存在關聯。在足月產產婦的初乳中BCFA含量超過1%，而在早產產婦中其含量僅有0.68%，無法滿足早產兒對BCFA的需要，這可能解釋了為何早產兒出生后的前兩周更容易發生NEC,尤其是沒有初乳喂養的早產兒。同時處于不同哺乳期的婦女其乳汁中BCFA的含量也存在差別，隨著泌乳期的進展，泌乳量有所增加，但幾乎所有BCFA的含量都下降了，尤其是anteiso-17∶0和anteiso-15∶0[9]。配方奶以牛羊乳為原料，從而忽略了早期早產兒對于sn-2位BCFA的需要，導致了罹患NEC等疾病的可能。配方奶粉應適量添加BCFA，開發BCFA作為孕期、哺乳期婦女的膳食補充劑也十分必要。目前國內針對人類乳脂BCFA的研究比較缺乏，這一領域具有廣闊的研究前景。

2 BCFA與炎癥的關系

2.1 BCFA對炎癥因子分泌的調節作用

BCFA對人腸道上皮細胞有顯著的抗炎作用。Yan等[12]預先用BCFA、EPA和DHA處理人腸道上皮細胞(Caco-2)，隨后使用LPS施加刺激以產生炎癥。結果表明，LPS可刺激Caco-2細胞使其釋放IL-8(Interlukin-8)，從而介導炎癥反應的發生。但提前加入BCFA、EPA和DHA會降低IL-8的含量，anteiso-BCFA的效果優于iso-BCFA。該實驗首次證明BCFA能夠減少細胞炎癥反應產物的產生。BCFA可能通過抑制了Caco-2細胞表面TLR-4的表達，從而抑制LPS向細胞內的呈遞，因此導致由LPS激活的NF-κB減少，IL-8的合成降低，使炎癥反應減輕。

2.2 BCFA與NEC

NEC是早產兒發病的主要原因[13]，其死亡率高但發病機制尚不明確，可能和新生兒窒息、早產、腸道細菌定植和喂養因素有關；特征為腸黏膜甚至腸深層壞死，是非常嚴重的疾病，從出現早期癥狀到發展為腸組織的廣泛壞死只需幾個小時，因而行之有效的預防措施非常必要。妊娠后期胎兒吞食含有BCFA的皮脂[13]，每天大約有6 mg的BCFA 進入胎兒胃腸道，胎齡越接近足月分娩則NEC的發病率越低，這與BCFA攝入總量隨胎齡增加表現一致，NEC的發展極有可能和人乳以及脂兒皮脂的BCFA缺失有關。異常的腸道細菌組成引起腸產氣過多和腸組織壞死，是NEC主要的特征之一，足月嬰兒胃腸道菌群比早產兒更為多樣化，而BCFA是眾多益生菌細胞膜的成分之一，有利于菌群建立，由此推斷BCFA可能有利于嬰兒腸道的菌群建立而對NEC產生保護作用。

在Ranressler等[13]的研究中，飼料里添加 BCFA 的幼鼠，經過NEC治病條件誘導(每天兩次暴露于100%氮氣中，每次1 min，并暴露于低溫中10 min)處理后，受到的NEC損傷小于對照組，且實驗組幼鼠與鼠乳喂養幼鼠沒有差異。實驗發現BCFA 處理組的幼鼠NEC發病率降低了50%以上，證明BCFA確有降低幼鼠NEC發病率的功能。其中處理組與對照組的幼鼠腸道微生物群落構成有所不同：與對照組相比，喂養BCFA的幼鼠擁有更多和BCFA相關的枯草桿菌和假單胞菌；與患有NEC的幼鼠相比，健康幼鼠腸道枯草桿菌的含量要高出5倍；BCFA被選擇性地重組進入回腸磷脂、血清和肝組織。由此可見NEC的發生的確與細菌定植有關，而BCFA有利于腸道菌群建立，使益生菌繁殖，因而起到預防NEC的作用。

2.3 BCFA與其他炎性疾病的關系

2.3.1 肥胖

肥胖是由一系列代謝綜合征引起的疾病，其特點為高血壓、高血糖、血脂異常和腹型肥胖。與健康人相比，肥胖者的促炎細胞因子高于正常水平，這些代謝上的紊亂與慢性炎癥相關，因此將肥胖也歸為一種炎性疾病，而減重則能有效改善肥胖引發的輕度炎癥。長鏈脂肪酸是強有力的炎癥介質，且體內和體外的實驗均已證明飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸尤其是n-6 PUFA具有促炎作用，EPA和DHA則具有顯著的抗炎作用[14]。

血脂異常在肥胖中扮演著重要角色，具體表現為低密度脂蛋白、總膽固醇和甘油三酯的升高，以及高密度脂蛋白水平的下降，但目前EW(超重)人群血脂異常的變化機制尚未完全明確。過去對人體脂肪酸的研究集中于偶數碳脂肪酸，其構成了人體90%以上的血漿脂肪酸，BCFA和奇數碳脂肪酸(odd chain fatty acid，OCFA)等含量雖低，但卻具有很大的調節功能，類似于不飽和脂肪酸[15]。Mika等[15]有關肥胖人群血清BCFA和OCFA含量的報道中，首次發現肥胖與血液iso-BCFA水平下降有關。肥胖人群脂肪組織的BCFA含量低于正常人，且該參數在減肥后有所增加。該研究證明BCFA和BMI呈負相關關系，iso-BCFA與高脂血癥、炎癥狀態、胰島素濃度也呈負相關關系，iso-BCFA很有可能起到胰島素增敏的作用。其結果與Garcia Caraballo等[16]的研究結果相互印證，即低iso-BCFA狀態引起血清甘油三酯升高。另一項研究[17]則發現短鏈支鏈脂肪酸降低了脂肪新生率，研究人員將[3H]標記的葡萄糖合并到細胞脂質中，結果表明短鏈支鏈脂肪酸促進了脂肪細胞中脂質的儲存，從而使脂質的合成減少，從代謝上看是有益于減輕體重的。

從另一方面來看，很多肥胖者都存在胰島素抵抗，已有證據[18]表明支鏈氨基酸(BCAA)與胰島素抵抗有關，然而其具體機制尚不清楚，但單甲基支鏈脂肪酸很可能是支鏈氨基酸與代謝功能障礙之間的聯系。在Xiong等[19]的研究中，BCAA衍生而成的脂質與胰島素有顯著關聯。在最外圍組織，BCAA在線粒體支鏈氨基轉移酶的作用下脫氨基生成支鏈α-酮酸，支鏈α-酮酸在支鏈α-酮酸脫氫酶復合體-8的催化下脫羧，由此產生的支鏈酰基可以從線粒體中分離出來，在脂肪酸合成酶的催化下進行脂肪酸的從頭合成產生mmBCFA。該研究發現肥胖組的脂肪組織中mmBCFA含量低于偏瘦組，而肥胖組的mmBCFA含量在減重手術后增加。此外采用同位素標記法，該研究還發現脂肪組織mmBCFA含量與骨骼肌胰島素敏感性直接相關。這些結果表明，脂肪組織mmBCFA的減少很可能導致了肥胖相關胰島素抵抗。

2.3.2 缺血再灌注損傷

組織或器官長時間缺血可造成缺血組織的損傷甚至壞死[20]。最初組織表現為缺血性損傷，隨著時間推移，血液再流即再灌注后通常會進一步出現更嚴重的損害，這就是再灌注損傷。缺血不嚴重的組織其損傷是可逆的，理論上恢復供血后有可能恢復功能，但由于再灌注損傷的作用，其功能仍難以恢復。各組織器官缺血再灌注損傷的機制相似，主要有細胞壞死、微血管內皮細胞水腫、中性粒細胞堵塞、白細胞趨化聚集誘導炎癥因子產生，可見該疾病與炎癥的關系十分密切。因此，在心腦血管缺血性疾病的治療中，不僅需要盡快恢復供血(再灌注)，也需要應用藥物預防再灌注損傷的發生。林澤輝等[20]發現一類有末端支鏈的脂肪酸，即BCFA，可以抑制血小板聚集和活化，改善缺血組織微循環，減輕再灌注時的無復流現象。同時也能防止再灌注后的再狹窄，具有很好的對抗缺血再灌注損傷的作用。BCFA在血管內能抑制血小板和白細胞功能，在血管外可抑制5-脂氧合酶活性作用，降低細胞膜通透性，減輕水腫及炎癥反應。

3 BCFA的其他生理功能

3.1 抗癌作用

13-methyltetradecanoic acid(13-MTD)是從大豆發酵品中提純所得的飽和支鏈脂肪酸，可以用作癌癥患者的營養和治療補充劑[21]。有研究[21]初步表明，13-MTD對人類癌細胞有細胞毒性，可以以較低劑量誘導癌細胞發生程序性凋亡。在該實驗中前列腺腫瘤和肝細胞腫瘤被分別移植至裸鼠的前列腺和肝臟中，每日向實驗組小鼠注射1次13-MTD，共持續40 d。研究結果表明，與對照組相比13-MTD可有效抑制腫瘤植入物的生長。雖然13-MTD對癌細胞有顯著殺傷作用，但13-MTD對小鼠本身的急性毒性較小，LD50大于5 g/(kg·d)。用13-MTD處理癌細胞8 h后，所有癌細胞均檢測出凋亡DNA片段，凋亡癌細胞的數量隨13-MTD處理時間延長而增加。13-MTD通過誘導細胞程序性凋亡而引起癌細胞死亡，對正常細胞不產生顯著的毒副作用，因而有望成為人類癌癥化療的潛在藥物。

在對人類MCF-7和SKBR-3乳腺癌細胞系的實驗中[22]，13-MTD可通過影響SKBR-3細胞的脂肪酸合成酶進而抑制脂肪酸的合成，從而干預癌細胞復制進程。癌細胞非常依賴脂肪酸的合成，相比之下正常細胞不需要經歷快速的代際傳遞，因而對脂肪酸的需求小，這些原因可部分解釋BCFA對乳腺癌細胞的選擇性細胞毒作用。ACOX2是長鏈BCFA發生β-氧化的限速酶[17]，在肝癌細胞中發現的ACOX2的一種變異轉錄被認為在腫瘤發展進程中起著重要作用。研究者[17]發現ACOX2變異——ACOX2-i9存在于人類乳腺癌細胞中，并進一步證明這種變異可被翻譯為蛋白質，ER+(雌激素受體陽性)的乳腺癌中ACOX2-i9含量特別豐富，因而其可能成為ER+乳腺癌治療和診斷的生物標志和靶點。

3.2 BCFA通過非依賴Caspase途徑誘導腫瘤細胞凋亡

細胞凋亡是不同生物體內共同的生化過程[23]，其特征有核染色質的凝結、碎片化，細胞器坍縮，凋亡小體形成等，最后細胞核DNA發生降解。引發凋亡的因素主要有DNA損傷、毒物、TNF、CD95、γ-射線，Caspase(半胱氨酸蛋白酶)的激活則是調控細胞凋亡的中心環節。哺乳動物體內的Caspase家族成員主要有Caspase-1～Caspase-16。Caspase的活化有兩條途徑[24-26]：一條途徑由DD介導。死亡受體Fas、TNFR-1、DR3等含有DD，Caspase-8則含DED，而proCaspase-1、2、4、5、9含CARD。DD、DED、CARD結構極其相似可以相互作用，起到接合作用稱為接合器。以Fas受體為例，Fas受體被激活后，FADD與募集而來的proCaspase-8的DED結合形成信號復合物，使proCaspe-8活化，形成活性Caspase-8，后者再激活Caspase-3、6、7等。另一途徑由細胞色素C介導。細胞內外的死亡信號可誘導線粒體釋放cyto-C，cyto-C再與Apaf-1結合，使Apaf-1構象發生改變。然后Apaf-1的CARD區與proCaspase-9的N-末端的CARD區結合，形成cyto-C-Apaf-1-Procaspase-9“凋亡體”，從而使proCaspase-9活化并激活下游其Caspase。

Wongtangtintharn等[22]實驗證明13-MTD抑制SKBR-3乳腺癌細胞中脂肪酸的生物合成，并減少磷脂合成所需的脂肪酸前體，然而具體機制尚未完全明確。其他后續的研究描述了13-MTD進入細胞后的位置分布[27]。Caspase參與細胞凋亡信號的轉導，Caspase-3在Caspase級聯反應的最后一步發揮作用，導致細胞萎縮和DNA片段化。13-MTD已被證明是一種抗癌藥物，但其對SKBR-3細胞的Caspase-3活性無明顯影響。與13-MTD形成對比的是，孵育24 h后共軛亞油酸(CLA)顯著提高了SKBR-3細胞Caspase-3的活性,其中cis-9和trans-11CLA是眾所周知的抗癌脂肪酸。盡管缺乏對Caspase-3的激活，但13-MTD降低癌細胞存活的程度與CLA相似。線粒體可能在這其中發揮著重要作用——使用13-MTD孵育后，檢測到癌細胞線粒體的完整性受到破壞。線粒體釋放的凋亡因子主要有細胞色素C和AIF(Apoptosis Inducing Factor)，但后續實驗排除了細胞色素C參與誘導凋亡的可能，故AIF最有可能成為13-MTD誘導凋亡的原因。使用緩沖液處理細胞時，AIF核很少。然而，經13-MTD處理后，AIF間斷凋亡細胞核的比例顯著增加。大多數促凋亡抗癌藥物都依賴于Caspase通路，但Caspase通路的激活不足以殺死所有癌細胞，AIF在誘導癌細胞凋亡中也發揮了重要作用。有研究[28]發現，線粒體釋放的與Caspase途徑無關的細胞凋亡因子，包括AIF和內切酶G，AIF被認為在Caspase-independent細胞凋亡通路中發揮著中心作用，其活性不受廣譜Caspase抑制劑的影響，也不受Bcl-2過表達的影響，因而以不依賴于Caspase的方式誘導染色質凝結。AIF在正常細胞和癌細胞中廣泛存在，分布于富含線粒體的區域中，在介導凋亡中起著雙重作用，一方面充當細胞凋亡的起始因子，另一方面又是細胞凋亡的直接效應因子。當細胞受到凋亡信號刺激，AIF從線粒體轉移細胞核，通過募集或激活核酸內切酶使DNA片段化，染色質固縮。

AIF因子的發現開啟了一條新的通路，表明細胞可在無Caspase的情況下執行類似凋亡的程序，隨著13-MTD誘導腫瘤細胞凋亡作用不斷被人們理解，或對開發新型抗癌藥物具有重要的指導意義。

4 結束語

支鏈脂肪酸結構特殊，含量較低，有獨特的生理功能。早在胎兒期BCFA即隨胎兒的吞咽動作進入腸道內，出生后人乳則成為嬰兒BCFA的主要來源，嬰兒攝入BCFA有利于腸道菌群的建立從而預防NEC發生。不僅如此，BCFA還兼具抗癌、抗炎多方面的作用，亟待研究者進一步探討，如開發BCFA作為孕婦的膳食補充劑，或以BCFA為原料發展新型抗癌藥物等。目前國內針對人類相關BCFA的研究還比較缺乏，這一領域具有廣闊的研究前景。