短鏈脂肪酸在慢性腎臟病中作用及機制的研究進展*

鐘晨瑜， 蔡珂丹

（1寧波大學醫學院，浙江寧波 315211；2中國科學院大學寧波華美醫院，浙江寧波 315010）

近年來，宿主-腸道菌群的相互作用一直是研究者關注的焦點［1］。腸道菌群的代謝紊亂可導致一系列疾病的發生，如肥胖、2 型糖尿病、炎性腸病、心血管疾病等［2］，同時也參與了腎臟疾病的發生發展［3-4］。短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是腸道菌群的主要代謝產物，其中乙酸、丙酸和丁酸占95%。SCFAs 不僅在腸道中具有重要作用，而且作為信號分子，進入全身循環，在慢性腎臟?。╟hronic kidney diseases，CKD）中發揮重要作用。本文就SCFAs 在CKD中的主要作用及其機制進行綜述。

1 SCFAs的基本概述

SCFAs是鏈長度為1～6個碳原子的飽和脂肪酸，是結腸中膳食纖維發酵的主要產物，其中乙酸、丙酸和丁酸是人體中含量最豐富的SCFAs，約占總量的95%［5］。乙酸主要由腸道內的擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、真桿菌屬、瘤胃球菌屬、消化鏈球菌屬、梭菌屬和鏈球菌屬發酵產生；丙酸主要由梭菌屬產生；丁酸主要由擬桿菌屬、真桿菌屬和梭菌屬發酵產生［6］。在結腸中產生后，SCFAs 主要通過單羧酸鹽轉運蛋白1和鈉偶聯的單羧酸鹽轉運蛋白1 介導的主動轉運被結腸細胞快速吸收［7］。SCFAs 可作為結腸上皮細胞的主要能量來源，對于維持腸上皮細胞形態與功能以及腸道黏膜屏障的完整性發揮重要作用［8］。36%乙酸、9%丙酸和2%丁酸可進入全身循環和外周組織［9］，與G 蛋白偶聯受體GPR41、GPR43、GPR109A和Olfr78 結合或直接抑制組蛋白脫乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）活性而發揮生物學作用。

2 腎病患者SCFAs含量的變化

最新研究表明，CKD 5 期患者糞便和血液中丁酸含量與CKD 1～4 期存在顯著差異［10］；隨著CKD 進展，產丁酸的細菌豐度不斷降低，糞便和血液中丁酸含量平行減少。Wang 等［11］的研究表明，終末期腎病（end-stage renal disease，ESRD）患者血清和糞便代謝組譜具有很強的協同性，推測糞便和血清丁酸含量也具有相關性。在CKD 5 期患者中，腸道產SCFAs 的細菌豐度顯著減少，主要表現為產丁酸鹽的Prevotella、Roseburia和Faecalibacterium prausnitzii菌群豐度下降，且這些菌群的豐度與腎功能呈負相關［10-11］。這些發現表明腎病患者體內SCFAs 含量發生改變，與其腸道產SCFAs 的菌群豐度減少有關，且降低程度與疾病進展呈正相關。將CKD 5 期患者的腸道菌群移植到5/6 腎切除SD 大鼠中，與對照組相比，腎功能明顯惡化，腎臟纖維化加劇，而補充丁酸鈉可顯著減輕纖維化［11］。腎病患者體內產SCFAs 菌群的減少，可能與CKD/ESRD 患者腸道中產脲酶、尿酸酶、對甲酚和吲哚形成酶的細菌增加而惡化腸道環境并改變其組成有關［12］。此外，CKD 患者飲食上限制富含纖維食物的攝入亦有可能導致產SCFAs 菌群的減少［12］。我們前期研究發現糖尿病腎病（diabetic nephrology，DN）組血清總SCFAs、乙酸和丁酸水平低于糖尿病組，血清總SCFAs、乙酸、丙酸、丁酸與估算的腎小球濾過率呈正相關。

3 SCFAs在CKD中的作用機制

3.1 抑制炎癥反應 持續的微炎癥狀態被認為是CKD 的特征，這與患者體內促炎細胞因子產生增加、氧化應激及酸中毒，慢性反復感染、脂肪組織代謝的改變以及腸道菌群失調有關［13］。臨床研究發現，給予維持性血液透析患者丙酸鈉后，炎癥指標C-反應蛋白、白細胞介素2（interleukin-2，IL-2）、IL-17、IL-6和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）下降，而抗炎因子IL-10 增加［14］。SCFAs 不僅可減輕CKD和DN因炎癥反應引起的腎損傷，也可減輕甚至逆轉急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）［15］。Gong等［15］發現SCFAs 不僅抑制促炎細胞因子和趨化因子［如IL-1β、IL-6、TNF-α 和單核細胞趨化蛋白1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1）］的產生，且腎臟上皮細胞中核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）的活化被抑制。在與炎癥和纖維化有關的各種急性和慢性腎臟損傷中，NF-κB 發揮著至關重要的作用［16］。SCFAs 對NF-κB 的抑制作用，Schilderink 等［17］認為其可能通過抑制HDAC 的活性而發揮作用，McNabney等［18］則稱丁酸通過泛素酶A20 的內源性表達進而抑制NF-κB，此外，SCFAs 還可作用于GPR43-β-arrestins 通路抑制NF-κB［19］。NF-κB 表達增加總伴隨著絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的激活，丙酸鈉可顯著降低TNF-α誘導的腎皮質上皮細胞p38 MAPK 磷酸化，進而減輕MCP-1引起的炎癥反應［20］。

SCFAs 不僅通過信號轉導發揮抗炎作用，而且還通過被動擴散或轉運蛋白（MCT1/4和SMCT1/2）直接進入免疫細胞而發揮抗炎作用［21］。在樹突狀細胞和巨噬細胞中，SCFAs 主要通過抑制HDAC 活性而抑制IL-6 和IL-12 表達，從而發揮抗炎作用［21-22］。在中性粒細胞和脂多糖刺激的單核細胞中，SCFAs 通過抑制TNF-α 表達、NF-κB 信號通路和HDAC 活性，促進抗炎細胞因子IL-10 的產生而發揮作用［21］。此外，SCFAs 還可通過內皮細胞調節炎癥反應［21］，已知其可減少內皮細胞中IL-6和環加氧酶2的表達［23］。

總之，SCFAs 可通過降低炎癥因子，上調抗炎因子表達，抑制NF-κB 和MAPK 信號通路以及作用于免疫細胞和內皮細胞而發揮抗炎作用。此外，SCFAs也可改善炎癥所致的CKD 患者鐵代謝異常，但其具體機制目前尚不清楚［14］。CKD 患者炎癥狀態改善后可觀察到體內轉鐵蛋白飽和度增加、鐵蛋白降低和血紅蛋白上升［14］，后兩者進一步與死亡率相關［24-25］。

3.2 抑制氧化應激 腎臟是人體耗氧量第二大的器官，腎臟細胞內富含線粒體，以滿足其高代謝需求，因此也極易產生活性氧（reactive oxygen species，ROS）和氧化損傷。ROS 可能與DN 或原發性腎臟病變引起的蛋白尿有關［26-27］。ROS 的過量產生可觸發下游炎癥級聯反應［26］，加劇炎癥狀態，引起腎臟纖維化［28］和CKD 的進展［29］。在膿毒癥誘導的AKI 模型中，Al-Harbi等［30］發現乙酸鹽可通過HDAC 途徑抑制T 細胞誘導的NOX2/ROS 信號通路而產生抗氧化應激作用，減少了腎小管細胞的空泡化，減輕了腎臟損傷。Huang 等［31］發現，乙酸和丁酸或GPR43 激動劑可顯著抑制高糖和脂多糖誘導的腎小球系膜細胞增殖，逆轉ROS和丙二醛的產生，并且增加超氧化物歧化酶水平，在DN 中發揮抗氧化作用；而且SCFAs 與GPR43 結合，抑制高糖誘導腎小球系膜細胞中IκBα降解和NF-κB p65 磷酸化，減少ROS 和丙二醛生成［32］，有效改善DN 腎功能和腎組織病理變化，包括降低尿蛋白肌酐比值、血清肌酐和胱抑素C 水平及抑制腎小球系膜細胞擴張和膠原蛋白沉積［32］。給予維持性血液透析患者丙酸可降低其體內丙二醛濃度和谷胱甘肽過氧化物酶活性，減少氧自由基總體濃度及氧化應激水平［14］。SCFAs 抑制氧化應激的作用可能與其調節氧化還原酶活性（如谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶）和P300 介導的核因子E2 相關因子2 轉錄激活，以及防止ROS 和活性氮產生有關［33-34］，表明SCFAs 與GPR43 結合或作為HDAC 抑制劑作用于不同的細胞，發揮抗氧化應激作用，但其相關信號通路仍需進一步研究證實。

3.3 調控自噬 自噬可發生在腎小球系膜細胞、小管細胞和足細胞，在腎臟疾病的發生和發展中也起著重要作用［35］。當腎臟細胞暴露于應激條件下，包括缺氧、遺傳毒性損傷、氧化應激和內質網應激時，自噬被激活。AKI 時，調節自噬可促進小管細胞的再生和修復［36］。抑制糖尿病小鼠哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）而激活自噬，可降低蛋白尿水平，減少腎小球硬化和足細胞丟失，延緩DN 的進展［37］?？梢?，自噬在腎臟疾病的發展中起著一定的保護作用。SCFAs 通過自噬途徑作用于腎臟組織的研究還很少。Andrade-Oliveira 等［38］發現，乙酸治療AKI 增加了自噬相關基因7 的表達，推測乙酸可能通過自噬抑制腎臟細胞凋亡，但未說明具體機制。mTOR被廣泛認為是DN 中最關鍵的自噬調節因子之一［39］，丁酸可能通過抑制mTOR 途徑激活自噬而產生對結腸癌等癌癥的有益作用［40-41］，丙酸也可下調mTOR 信號通路而誘導自噬［42］。本研究團隊前期研究發現，經過丁酸鈉干預后，糖尿病大鼠腎組織中自噬標志物微管相關蛋白1 輕鏈3B（microtubule-associated protein 1 light chain 3B，LC3B）-II/LC3B-I 蛋白比值和LC3 mRNA 表達水平升高，雙層膜結構的自噬小體增多；進一步研究發現大鼠腎組織中p-AMPK/AMPK蛋白比值上升，而p-mTOR/mTOR 蛋白比值下降；推測丁酸鈉減輕腎臟病變，可能通過AMPK/mTOR 信號通路激活自噬而延緩DN進展。

3.4 改善能量代謝 SCFAs 還可以通過能量代謝作用于CKD。小分子尿毒癥毒素或CKD 的并發癥（如礦物質代謝受損和酸堿穩態失衡）可使CKD患者出現胰島素抵抗［43］。而Marzocco 等［14］發現，丙酸鈉可降低維持性血液透析患者血漿胰島素水平，增加胰島素敏感性，但并不能降低其血糖水平。SCFAs在調控葡萄糖穩態中的作用可能是其參與了葡萄糖合成［21］。這可能與SCFAs與細胞膜上的GPR43結合而直接刺激結腸杯狀細胞（分泌細胞）分泌胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）、與游離脂肪酸受體激活GLP-1 介導的神經網絡、與GPR43 結合而直接促進胰腺β 細胞增殖及與GPR41 介導的腸腦途徑增加腸道糖異生有關［21］。此外，腎病患者體內存在著脂質代謝紊亂。Herman-Edelstein 等［44］發現，DN 患者腎臟組織中脂質異常積累。Yu 等［45］發現，補充丁酸可顯著增加小鼠肝臟SESN2和CRTC2基因表達，逆轉內毒素血癥，改善脂質代謝。這可能和SCFAs與GRP43結合作用于白色脂肪組織和褐色脂肪組織分別抑制脂肪積累和促進線粒體生物發生有關［46-47］，但具體機制仍不明確。

3.5 免疫途徑 腎病患者腸道結構破壞和菌群紊亂會誘導腸道免疫系統發生改變，改變腸道產生的進入全身免疫系統的信號，引起全身性免疫失衡，進而導致免疫介導的腎病發生［48］。McDermott 等［49］發現，SCFAs可直接通過促進IL-22、Reg3γ、IgA和IL-17反應對免疫系統進行調節。SCFAs 還可作用于免疫細胞，小鼠樹突狀細胞經丙酸處理后，CD40、PD-L2和CD86 表達降低，抑制Th2 細胞參與的免疫應答［50］。此外，王佳等［51］的研究也表明SCFAs 可通過抑制HDACs 從而調控調節性T 細胞的分化和功能，影響調節性T 細胞對腎臟及系統性炎癥的作用，這一過程可能涉及叉頭框蛋白P3。Meyer 等［52］的實驗檢測到血液透析患者在丙酸補充期間外周血調節性T細胞數量增加。Yang等［53］的研究表明Th17細胞在腎臟缺血/再灌注損傷誘導的腸炎癥中起著重要作用，并且伴隨著糞便中SCFAs 含量的減少，推測這兩者之間可能存在著聯系。Yao 等［21］發現，SCFAs 不僅可以通過作用于先天免疫細胞（如巨噬細胞、中性粒細胞和樹突狀細胞）參與免疫系統的調節，還可以調節T 細胞和B 細胞的分化及它們介導的抗原特異性適應性免疫。SCFAs 在調節性T 細胞和效應T 細胞中起著至關重要的作用，可能與內部免疫環境及在淋巴細胞活化過程中調節相關基因表達有關［21］。此外，SCFAs 還可通過脂肪細胞調節免疫反應［21］。但目前的研究僅表明SCFAs 可能作用于腎病患者的免疫系統，其具體作用機制及相關通路仍缺乏研究。

4 SCFAs在CKD中可能的不良作用

然而，并不是所有的研究結果都強調了SCFAs的腎臟保護作用。Park 等［54］發現，長期且緩慢增加口服SCFAs 劑量至高于生理水平，可致小鼠輸尿管和腎臟組織中效應T 細胞（Th1 和Th17）和調節性T細胞的積聚，誘導T 細胞介導的輸尿管炎，從而引起腎臟積水。此外，給予高纖維飲食的小鼠腸道丁酸含量提高，增加大腸桿菌感染的幾率，并且腸道和腎臟中Gb3水平升高，導致嚴重的腎臟損傷［55］。SCFAs對腎臟的不同效果，Li 等［56］認為與SCFAs 的種類有關，而Serino［57］認為與SCFAs的濃度有關。這體現了SCFAs 濃度檢測在腎臟疾病中的重要性，目前還需進一步研究以確定藥理濃度。

總之，近年來腸源性代謝產物SCFAs 在CKD 中作用及機制的研究已證實它影響著腎臟的多個方面，包括炎癥、氧化應激、自噬、能量代謝和免疫等。但是，SCFAs與腎臟疾病的臨床試驗和動物實驗剛剛起步，未來需要開展更多不同類型和不同劑量SCFAs的研究來闡明其在CKD 中的作用、不良反應及具體機制，以便更好延緩腎臟疾病的進展。