丁酸與人類相關疾病發生發展機制的研究進展

劉穎慧，馬靜靜，鄧歡綜述 董衛國審校

人體腸道為腸道微生物提供了良好的棲息環境，同時，腸道微生物及其代謝產物又可參與調節宿主的一些重要代謝過程和生理功能。多項研究顯示，腸道菌群紊亂與人體疾病發生發展關系密切[1]。短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)即揮發性脂肪酸，多由結腸內的厭氧菌酵解低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等未消化吸收的碳水化合物產生，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，在維持腸道功能方面發揮重要作用[2]，其中，丁酸是腸黏膜上皮細胞的首要能量來源，是維持腸道內環境穩定、調節基因表達及參與腸道炎性反應的主要成分[3-4]。近年來，丁酸在細胞能量代謝和腸道功能穩態方面的作用備受關注[5]。本文就丁酸的生理功能及其與人體疾病發生發展的關系做一綜述，以期為臨床疾病的診斷與治療提供新思路。

1 丁酸的產生

丁酸(buytrate)俗稱酪酸，分子式為CH3(CH2)2COOH,為無色油狀液體，具有濃烈的干酪般特殊臭味和奶油味，是腸道的天然保健劑和營養品[6，7]。人類盲腸和結腸中存在著大量的細菌，其中，厭氧菌占據主要地位，包括擬桿菌屬(bacteroides)、雙歧桿菌屬(bifidobacteria)、真菌屬(eubacteria)、鏈球菌屬(streptococci)、乳酸桿菌屬(lactobacilli)。而近年來，大量研究表明，腸道產丁酸菌屬是腸道丁酸產生的主要來源，代表菌種是丁酸梭菌，即革蘭陽性厭氧芽孢桿菌。

2 丁酸的生理功能

2.1 丁酸對腸道生理結構的影響 小腸是人體營養物質消化吸收最主要的場所，因而完整的小腸上皮結構是保證消化道內水解產生的物質吸收入血液的重要前提[7]。研究者用丁酸鈉處理實驗組斷奶仔豬，結果表明，丁酸鈉能刺激小腸絨毛的生長發育，顯著增加絨毛高度以及隱窩深度，改善小腸和大腸黏膜上皮的完整性[8-9]。Geirnaert等[10]在10例克羅恩病患者的糞便微生物群落中添加了能產生丁酸的細菌，研究發現，丁酸可以提高上皮細胞屏障的完整性，降低腸道屏障的分子通透性。另一項研究進一步證實丁酸鹽通過促進轉錄因子SP1與Claudin-1啟動子之間的聯系，上調緊密連接蛋白Claudin-1的轉錄表達，從而增強腸道屏障功能[11]。因此，丁酸在維持腸道生理結構完整性方面發揮重要作用。

2.2 丁酸對腸道消化功能的影響 食物中的營養物質在腸道內消化酶的作用下，分解為機體可吸收利用的小分子物質，而腸道內消化酶活性的改變會影響機體的消化吸收功能[7]。 最近一項研究顯示，丁酸鈉處理組動物小腸的胰蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶活性較對照組均顯著提高[12]。但有關丁酸調控腸道消化酶的機制仍尚未明確，有研究推測丁酸可能通過調節腸道酸度，激活蛋白酶原，刺激消化酶分泌；同時丁酸還可誘導胰島素分泌，而胰島素能促進淀粉酶的生成[13]。

2.3 丁酸對腸道微生物菌群的影響 腸道中微生物，如大腸桿菌、葡萄球菌和梭狀芽孢桿菌的適宜生長環境均為中性偏堿性。有研究表明，丁酸處理組腸道內大腸桿菌數目明顯下降，而有益菌群乳酸桿菌數量顯著增加，改善了腸道微生物菌群[12]。Allen等[14]一項研究運動與腸道微生物關系的實驗中，顯示實驗組人群體內腸道菌群比例能更好地抵御腸道炎性反應，研究發現因其體內丁酸等腸道短鏈脂肪酸含量顯著上升。其作用機制可能是丁酸穿過細菌細胞膜后釋放H+，降低pH值，促進乳酸菌的增長繁殖，同時對大腸桿菌增殖產生抑制作用。

2.4 丁酸對免疫功能的影響 腸道免疫系統是由彌散分布在腸黏膜上皮內和固有層的免疫細胞和免疫分子以及腸相關淋巴組織等組成。同時，完整的腸上皮細胞對保護腸道屏障功能也起著重要作用。而丁酸可以調節腸上皮細胞介導的中性粒細胞遷移到充血部位，并隨其濃度的增加，作用更加顯著[4]。此外，丁酸鹽在細胞增殖和凋亡中發揮重要作用，低濃度的丁酸能促進細胞增殖，高濃度的丁酸能誘導細胞凋亡[15]。另一項研究顯示，丁酸鹽能抑制肥大細胞的活化和炎性介質的產生，改善腸道損傷，同時JNK信號通路參與其中[8]。總之，丁酸鹽可以通過影響炎性介質的產生以及免疫細胞遷移、黏附和細胞功能(如增殖和凋亡)來影響免疫反應。

3 丁酸與人類疾病

3.1 丁酸與炎性腸病 炎性腸病(IBD)是一種特發性腸道炎性疾病，包括克羅恩病(CD)和潰瘍性結腸炎(UC)，而丁酸鹽類與其發生密切相關。Eeckhaut等[16]發現，IBD患者糞便中產丁酸菌的數量很低，進一步在大鼠模型中發現，注入產丁酸菌可以顯著減輕三硝基苯磺酸誘導的結腸炎。此外，丁酸產量與炎性腸病的罹患風險及不良反應呈負相關[17]。腸上皮屏障在預防IBD炎性反應中起關鍵作用，腸上皮屏障功能破壞是IBD的重要發病機制之一。丁酸鹽可以增加組蛋白的乙酰化和減少NF-κB的激活，刺激上皮細胞分泌黏液和緊密連接蛋白的重新排列[18]。缺氧誘導因子(HIFs)的穩定化可以預防炎性反應和維持腸道內穩態，在低氧條件下，丁酸大量產生進而調節腸上皮細胞的氧代謝，增加HIFs的穩定性以維持上皮細胞完整性及保護屏障[19]。然而，另一項研究表明，低濃度的丁酸可以增強腸道屏障功能，而高濃度的丁酸會導致嚴重的腸上皮細胞凋亡，反而會破壞腸道屏障[20]。

另外，丁酸鹽還參與調節腸道炎性因子的水平。體外實驗表明，丁酸鹽類可能通過MEK-ERK及MAPK信號通路調節炎性細胞因子，如IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、IL-17和TNF-α的表達[2]。Vinolo等[21]發現，口服丁二酸(一種促丁酸藥物)可以抑制促炎因子TNF-α的產生。另據報道，用丁酸鹽處理過的巨噬細胞可以抑制脂多糖誘導的促炎介質，如NO、IL-6和IL-12的生成[22]。丁酸鹽還可以促進T細胞向Treg細胞分化，并能增加T細胞中抗炎因子IL-10的分泌[23-24]。總之，丁酸可減少促炎介質分泌，促進抗炎因子的分泌，從而發揮保護作用。

綜上，丁酸鹽類與IBD的發病機制關系密切，對腸道免疫調節功能有重要作用，但是其療效還需更多的臨床及動物實驗佐證，且治療方式仍有待改進。

3.2 丁酸與結直腸癌 結直腸癌是世界范圍內最常見的惡性腫瘤之一。丁酸鹽是腸道菌群在結腸中的發酵終產物，具有抗腫瘤的特性，但其作用機制尚待明確。丁酸鹽可以維持Th17/Treg平衡，并通過抑制組蛋白去乙酰化酶1來改善結直腸癌[25]。長期胃腸動力下降及結腸轉運緩慢是結直腸癌發生的危險因素，研究發現丁酸鹽除了調節結腸黏膜穩態外，還可以調節腸道神經元興奮性[26]。谷胱甘肽-s-轉移酶(GST)可以降低結腸癌的發生率，保護細胞免受致癌化合物的侵襲。丁酸酯可以通過不同的機制轉錄上調GST活性，調節GST基因的表達，增強GST蛋白的表達和活性[26]。在正常結腸上皮細胞中，丁酸鹽是正常細胞的主要能量來源，而結腸上皮腫瘤細胞減少了丁酸鹽的攝取，并增加了葡萄糖的攝取[27]。最近的一項研究中，研究者將裸鼠飼養在野生型或突變型產丁酸鹽菌的環境中，發現膳食纖維可以預防結直腸癌，但是需要依賴于產丁酸鹽菌[28]。促腫瘤基因骨橋蛋白(OPN)和環氧化酶(COX)-2參與了結腸癌的發生發展，Jahns等[29]發現，在人腫瘤組織中OPN和COX-2的mRNA水平均升高，而丁酸可以抑制腫瘤組織中OPN和COX-2的蛋白及mRNA表達水平。Sun等[30]發現丁酸鹽通過加強α-酮戊二酸依賴的DNA錯配修復基因的脫甲基作用而發揮抗結直腸癌功能。然而目前的研究還不足以完全揭示丁酸鹽抑制結直腸癌發生的機制，還有待進一步的探索。

3.3 丁酸與代謝性疾病 高纖維素飲食人群肥胖、糖尿病的發生率較低纖維飲食人群低，近年來發現，丁酸鹽與代謝性疾病關系密切。肥胖增加了高血壓、2型糖尿病、冠心病等相關疾病的風險，而丁酸鹽的抗炎作用使其可以緩解[31-32]。Keenan等[33]還發現在添加丁酸鹽輔食后，攝入的膳食纖維的種類也會影響肥胖，食物纖維含量高的一組大鼠體質量、脂肪含量均較低，而纖維素降解是丁酸鹽的主要來源。此外，在肝臟、脂肪和骨骼肌等主要代謝部位均有丁酸鹽的細胞表面受體分布，這些受體的表型改變和生理功能有利于丁酸發揮抗肥胖和抗糖尿病的作用[34]。Li等[35]給予迷走神經切除術后的小鼠高脂飲食，發現補充丁酸鹽組發生高脂血癥、肝脂肪變性及肥胖的概率明顯降低，其機制可能是通過作用于內臟—神經腦回路進而激活棕色脂肪組織，減少能量攝入并增強脂肪氧化以提高能量代謝。

糖尿病患者的血糖穩態遭到破壞，從而引起一系列的癥狀和并發癥，而丁酸鹽有利于維持血糖的平衡。在高脂飲食的C57小鼠食物中添加5%的丁酸鈉可以降低血糖的水平，并增加胰島素的敏感性。最近的一項研究中，研究者檢測了T1DM患者的糞便，發現T1DM患者的糞便中產丁酸物質較健康對照組減少[36]。Qi等[37]對國內345例糖尿病患者的腸道微生物進行測序，研究發現T2DM患者具有中等程度的腸道微生物生態失調，尤其是產丁酸細菌的豐度降低，提示產丁酸菌可能對T2DM有保護作用。丁酸鹽還可以直接刺激結腸、回腸的內分泌細胞GRP43分泌胰高血糖素樣肽(GLP)-1，改善進食過程中的血糖穩態[38-39]。Wu等[40]報道丁酸鈉可以通過激活Nrf2的轉錄而減弱糖尿病引起的主動脈內皮功能障礙。綜上，腸道的菌群組成，尤其是產丁酸菌可能對糖尿病癥狀及其并發癥的控制有重要影響。

3.4 丁酸與自身免疫性肝病 自身免疫性肝炎(AIH)是由肝細胞的自身免疫反應所介導的肝臟實質炎性反應。其特征性血清學改變為IgG和/或γ-球蛋白的升高[41]。 AIH的發病機制尚不明確，但有證據表明，T細胞在其免疫病理改變過程中發揮重要作用，Treg/Th17的失衡對AIH的發展至關重要[9,42-43]。研究發現丁酸鹽類在保護肝臟損傷和調節宿主免疫系統中發揮作用[44]。Hu等[9]探索了丁酸鈉對實驗性自身免疫性肝病模型中Treg/Th17比值的影響，研究發現丁酸鈉能減輕肝損傷，能降低ALT和AST值；同時丁酸鈉治療恢復了Treg/Th17及其對應轉錄因子Foxp3/RORγt的比值，并且在降低IL-17和IL-6表達的同時，增加了IL-10和TGF-β的表達。同時，最近有研究顯示，腸道菌群失調和腸道屏障通透性的破壞可能是AIH發生的原因。Wu等[45]的一項研究中，發現補充丁酸鈉能顯著改善S100/FCA誘導的AIH小鼠肝臟和小腸的損傷，減輕淋巴細胞浸潤和肝細胞損傷并維持小腸絨毛結構完整性。丁酸鈉通過下調IL-6和TNF-α以及下調TLR4、MyD88、NF-κB p65和NF-κB p-p65等相關蛋白的水平從而發揮作用。

3.5 丁酸與非酒精性脂肪肝(NAFLD) 非酒精性脂肪肝(NAFLD)是一種以肝內脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征，按其發病因素可分為原發性和繼發性。有研究認為，丁酸抑制NAFLD的進展，可能與激活AMPK信號通路，調節脂質和能量代謝以及胰島素敏感性和氧化應激有關[46-47]。近期一項研究顯示，丁酸鈉能夠通過PPAR介導的氧化活化和NF-κB信號通路以及NLRP3炎性小體介導的炎癥抑制來改善非酒精性脂肪肝[48]。此外，Jin等[49]利用果糖誘導NAFLD小鼠，研究發現，丁酸鈉對NAFLD組小鼠的保護作用可能與十二指腸褪黑素合成的增加以及肝臟中iNOS誘導的減弱有關。目前NAFLD仍缺乏公認的治療方式，雖然各項實驗證明丁酸與NAFLD的進展相關，但其如何應用于NAFLD的臨床治療中還需進一步的臨床研究去證實。

4 總結及展望

腸道菌群是維系人體微生態系統的重要組成部分，腸道菌群失調可誘發腸道功能紊亂，導致多種人類疾病的發生。丁酸是一種由腸道菌群產生的短鏈脂肪酸，具有維持腸道正常生理結構和功能，調節機體免疫力，發揮抗腫瘤、抗炎及抗氧化等重要生理功能。其與人體多種疾病的發生發展密切相關，如炎性腸病、結直腸癌代謝性疾病以及自身免疫性肝病等。體內體外的動物實驗研究都支持補充丁酸鹽可以預防結直腸癌、肥胖癥和改善胰島素抵抗，以及改善肝臟疾病的發展。丁酸作用廣泛，其可作為一個重要補充治療措施，為臨床相關疾病的診治提供新思路。