丁酸在炎癥性腸病方面的研究進展

倪積廣

(南京大學醫學院附屬鼓樓醫院消化內科，江蘇 南京)

0 引言

炎癥性腸病(IBD)是一組慢性復發性疾病，臨床上主要有潰瘍性結腸炎(UC)和克羅恩病(CD)兩種類型，現已成為嚴重危害人民健康的常見疑難疾病。目前對IBD 的病因和發病機制尚未完全闡明。大量研究已經表明，IBD 患者存在顯著的腸道菌群紊亂及菌群代謝產物的變化。丁酸是一種重要的腸道菌代謝產物，它與炎癥性腸病的關聯尤為明顯。本文旨在對丁酸在炎癥性腸病方面的研究進展做一闡述。

1 關于丁酸的產生

在人和動物腸道內存在數目眾多的微生物，可以在大腸內發酵分解未吸收的碳水化合物及蛋白質產生碳原子數為1-6 的短鏈脂肪酸(SCFA)，大腸內的主要短鏈脂肪酸是乙酸，丙酸和丁酸，三者比例大約在75：15：10 至40：40：20 之間[1]。雖然在腸道的SCFA 中乙酸占比最高，但三種主要SCFA 在從結腸內容物到門脈過程中濃度比發生的變化表明結腸上皮對丁酸的利用更多[2]，丁酸與腸道的關系較之其他短鏈脂肪酸更為密切。

談到丁酸，首先要提到的是腸道內眾多的產丁酸菌。產丁酸的各種菌類在人出生后就定植到人體，并且在成年人中顯示出高豐度[3]。腸道內的產丁酸菌種類繁多，產生丁酸的途徑也是多樣的。Vital 等人[4]從微生物基因組數據庫篩選3，184 個測序的細菌基因組，對丁酸鹽產生途徑和個體基因進行了廣泛分析，發現大多數產丁酸菌屬于厚壁菌門。此外，產生丁酸鹽的途徑中乙酰輔酶A 途徑是最普遍的(占79.7%)。

產丁酸菌在脊椎動物中大量存在，飲食是決定其群體組成的主要因素[5]。高植物性飲食者的糞便在體外發酵試驗中能產生更多的丁酸[6]。除了食物種類外，在健康人的飲食中直接引入益生菌產品也能顯著改變腸道菌群的優勢類群，從而導致腸道中短鏈脂肪酸濃度的調節[7]，但這種影響影響似乎嚴格依賴于腸道微生物生態系統的初始特征，糞便中丁酸鹽的濃度可以作為鑒定受試者能從益生菌治療中獲益的重要生物標志物[8]。

2 IBD 患者腸道內丁酸的變化

多項研究表明，在炎癥性腸病患者腸道內存在著產丁酸菌的減少和丁酸合成能力的下降。普拉梭菌是一種近年研究較多的產丁酸菌，它能在腸道內通過發酵作用產生大量的丁酸， 活動期UC及CD 患者的糞便中普拉梭菌數量較正常人均有明顯下降[9,10]。Sitkin S[9]等人對輕度至中度活動期UC 患者與健康對照組的糞便菌群進行了初步比較研究，定量測定了丁酰-CoA：乙酸CoA-轉移酶(BCoAT)的基因，UC 組BCoAT 基因含量明顯低于健康對照組。UC 和CD 患者丁酸合成能力的變化也是有區別的，Laserna-Mendieta EJ[11]等人通過量化克羅恩病患者糞便中BCoAT 基因含量對產丁酸微生物群合成丁酸的能力進行了比較評估，活動性CD組和非活動性CD 組丁酸合成能力下降，而僅活動性UC 組丁酸合成能力下降。

IBD 患者體內丁酸水平的變化可能發生在腸道出現病理變化之前。Meisel M 等人[12]使用腸道上皮過表達IL-15 的小鼠進行實驗，發現腸腔中丁酸濃度的降低是IL-15 誘導的腸道微生物群內在改變的結果，可在沒有明顯病理學的情況下會降低丁酸含量。這些變化增加了右旋糖酐硫酸鈉誘發的結腸炎的易感性。

在炎癥性腸病中不僅存在腸道內丁酸生成減少，還存在著丁酸代謝受損。Boesmans L 等人[13]的研究表明，炎癥引起的腸上皮細胞對丁酸鹽攝取和氧化的下調并不是由于參與丁酸鹽代謝途徑的基因表達減少所致，丁酸鹽代謝受損可能是丁酸鹽攝取減少的結果，可以被丁酸鹽抵消。

3 丁酸對于IBD 可能有益處的證據

腸道炎癥發生前和發生時有產丁酸菌和腸道丁酸水平的降低，補充丁酸亦能減輕IBD 模型動物的腸道炎癥。Celasco G[14]等人使用結腸給藥丁酸鈣的方式治療IBD 模型大鼠改善了結腸炎癥；Lee C[15]等人使用硫酸葡聚糖硫酸鈉誘導了急性結腸炎模型，并使用IL-10-/-小鼠中誘導了慢性結腸炎模型，予丁酸治療后二者組織學評分均有顯著改善。丁酸對于炎癥性腸病的效果與其給藥方式也有關系，Malago JJ 等[16]分別通過腹膜內、直腸內、口服給藥的方式對結腸炎模型大鼠治療，腹膜內施用丁酸鹽消除了乙酸誘導的UC 的病變，其效力超過了直腸內或口服給予丁酸鹽的方式。

丁酸能降低體多種促炎基因的表達。Elce A 等人[39]對來自人類小腸和結腸的原代上皮細胞中暴露于丁酸之前和之后的86種編碼表達促炎途徑蛋白的基因進行了實時定量PCR 分析，丁酸明顯下調了炎癥反應相關基因的表達，其中包括NF-κB，干擾素-γ，Toll 樣2 受體和腫瘤壞死因子-α。

4 丁酸對于IBD 可能的作用機制

4.1 為腸道上皮細胞提供能量，維持腸道屏障功能

丁酸是腸道上皮細胞重要的能量來源，能調節能量穩態，維持腸上皮細胞的正常生理功能。腸道緊密連接蛋白、結腸粘蛋白大量減少與循環中脂多糖的顯著增加有關，丁酸鹽治療可以通過增加結腸粘蛋白和緊密連接蛋白來改善腸屏障功能[18]，并能保護上皮細胞免受LPS 誘導的屏障完整性損傷[19]。Miao[20]等人使用Caco-2 細胞單層模型證明丁酸鹽可以通過激活CaMKKβ 通路來介導AMPK 磷酸化，抑制MLCK/MLC2 途徑并促進PKC2 的磷酸化，從而促進緊密連接蛋白的重組。Jungd[21]用不同濃度的丁酸處理LS174T 細胞發現黏蛋白含量呈劑量依賴性增加。這導致益生菌的粘附增加，降低了大腸桿菌的粘附能力。除了刺激屏障蛋白的表達，丁酸鹽還能通過IL-10 受體依賴機制抑制促進通透性的緊密連接蛋白claudin-2 的表達[22]從而降低腸道通透性。

但是丁酸鹽對于腸道屏障的作用也可能是矛盾的，取決于施用丁酸的劑量：低濃度[2 mM]的丁酸鹽促進了屏障在Caco-2 細胞中起作用，高濃度[8 mM]誘導腸細胞凋亡并減少跨膜電阻[23,24]。

4.2 調節免疫及細胞功能

組蛋白去乙酰化酶是一類對染色體的結構修飾和基因表達調控發揮重要作用的蛋白酶，抑制組蛋白去乙酰化酶可以引起基因激活的啟動或延長。組蛋白乙酰化酶還可以調控大量基因和轉錄因子的表達，負責調節細胞生長和凋亡信號轉導的信號傳導與轉錄激活因子(Stat3)以及炎癥中樞調節的NF-κB，這些都可以被丁酸抑制[25]。

丁酸在炎癥性腸病中對于免疫細胞可以發揮調節作用從而產生抗炎效果。受丁酸調節的細胞目前研究較多的有淋巴細胞和單核-巨噬細胞。

調節性T 細胞(Treg)的功能主要是調節免疫反應在適度范圍，如果免疫反應過強就會導致組織損傷。Foxp3 是叉狀頭轉錄因子家族中的一個成員，長期以來被認為是Treg 細胞功能和身份確定的標志，體外實驗表明丁酸鈉可促進體外培養的T 細胞Fxop3 的表達[28]。Zhou[29]等人使用普拉梭菌的上清液對實驗性結腸炎模型的動物進行治療，發現普拉梭菌的上清液可以調節T 輔助細胞17(Th17)及Treg 的分化，并鑒定出了其中起作用的成分是丁酸。丁酸鹽可通過抑制HDAC1 促進Foxp3 表達，阻斷IL-6/STAT3/IL-17 的下游通路，維持Th17/Treg 平衡，具有明顯的抗炎作用。Zhang[30]等人用丁酸對三硝基苯磺酸誘導的大鼠結腸炎模型進行干預，發現丁酸給藥可增加外周血Treg 細胞水平以及抗Th17 細胞因子(IL-10 和IL-12)的血漿水平，降低了血漿和結腸粘膜中的IL-17 水平，并改善了大鼠結腸結腸炎的病變。Chen L[31]等人的研究則表明丁酸鹽可以差異性調節Th1 和Th17 細胞分化并促進IL-10 產生來控制T 細胞誘導結腸炎的能力。此外，丁酸還可通過依賴HDAC1 的Fas 上調和Fas 介導的T 細胞凋亡來抑制結腸炎癥[32]。

丁酸對于淋巴細胞的影響與丁酸的濃度有關，但并非丁酸濃度越大益處越多。丁酸鹽對Treg 細胞和傳統的CD4 T 細胞的呈劑量依賴性影響，在TGF-1 存在下低丁酸鹽濃度(0.1-0.5mM)促進Foxp3Treg 的分化，而在較高濃度丁酸下，丁酸鹽誘導Tregs 和常規T 細胞中促炎因子T-bet 和IFN-γ 的表達[33]，導致產生IFN的Treg 或常規T 細胞。

除了淋巴細胞外，丁酸對單核-巨噬細胞的作用也越來越受到關注。腸道巨噬細胞是固有層中最豐富的免疫細胞類型，丁酸能使下調人單核細胞先天反應受體[34]，這可能有利于人與腸道微生物的共生；丁酸鹽預處理巨噬細胞可通過誘導產生抑制細菌生長的抗微生物蛋白，增強其抗菌能力[35]。IL-4 分化的巨噬細胞[M(IL-4)]可以抑制結腸炎，與未使用丁酸處理的[M(IL-4)]相比，用丁酸處理的M(IL-4)顯示出更強的吞噬作用和細菌殺滅作用，而這并不伴隨促炎性細胞因子產生的增加[36]。丁酸可使脂多糖誘導巨噬細胞產生的促炎介質(包括一氧化氮，IL-6 和IL-12)下調[37]，還抑制脂多糖誘導的人單核細胞衍生的DCs(moDCs)的成熟和代謝重編程，并調節它們將幼稚CD4 T 細胞極化為產生IL-10 的調節性T 細胞[38]。

4.3 作為天然配體激活體內相關受體

丁酸可通過激活G 蛋白偶聯受體(GPRs)等從而發揮免疫調節作用。GPR 109A 信號傳導可促進結腸巨噬細胞和樹突細胞的抗炎特性，并使它們能夠誘導Treg 細胞和產生IL-10 的T細胞的分化[41]。補充丁酸鈉可上調G 蛋白偶聯受體109A 蛋白的表達[42]，下調GPR43 和相關炎癥細胞因子的表達，并降低ERK1/2、p38 蛋白表達水平[43]，丁酸通過激活GPR109A 和抑制AKT 和NF-kB p65 信號通路改善了TNBS 誘導的炎癥反應和腸上皮屏障功能障礙[44]，促進結腸中Claudin-3 的表達。[45]此外，丁酸還能通過GPR109A 抑制NLRP3 炎性體活化[46]芳烴受體(AhR)被認為是胃腸道免疫和代謝過程的關鍵調節劑，Marinelli L[47]等人發現AhR 配體拮抗劑降低了丁酸酯對IEC 的影響，表明丁酸酯可以充當AhR 的配體，丁酸鹽通過直接激活AhR 來刺激依賴AhR 的基因，這可能是對其在人類腸道細胞中HDACi 特性的補充。

5 結論

丁酸作為天然的HDAC 抑制劑以及多種受體的天然配體，在調節腸道免疫和炎癥反應的平衡方面具有重要的作用，但是由于不同給藥方式和劑量帶來的結果有差異甚至相反，在給藥方式和劑量方面仍需要深入研究。探尋合理的給藥方式及最佳的藥物濃度對于丁酸在炎癥性腸病治療方面有重大意義。