腸道短鏈脂肪酸與腹瀉的相關性研究進展

舒 雁，惠華英，譚周進

(湖南中醫藥大學，湖南 長沙 410208)

腹瀉是以排便次數增多 (>3次/日)，糞便量增加 (>200 g/d)，糞質稀薄為主要癥狀的疾病[1]。依據病程往往把腹瀉分為急性腹瀉和慢性腹瀉[2]。急性腹瀉常見病因為感染性腹瀉，主要為大腸埃希菌、輪狀病毒、志賀氏桿菌所致的細菌感染[3]，而慢性腹瀉則是由炎癥、運動障礙、滲透性和分泌失常為主要致病因素[4]。腹瀉的發生與腸道菌群和腸道功能失衡有關。短鏈脂肪酸 (short-chain fatty acids，SCFAs) 是腸道菌群發酵未消化的碳水化合物所產生的代謝產物，為含有1～6個碳原子的有機脂肪酸類，其中乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽約占SCFAs總量的85%[5]。動物和人類胃腸道中的SCFAs主要以SCFA-的形式存在[6]。SCFAs是調節宿主-微生物的關鍵分子。SCFAs具有調節腸道能量代謝，維護腸黏膜屏障功能，激發腸道免疫系統并促進電解質和水吸收的功能，對腹瀉的發生發展進程影響重大。本文對SCFAs的來源和組成進行簡述，總結SCFAs對腸道能量代謝、腸道黏膜屏障功能、腸道免疫功能，以及腸道電解質和水吸收的影響，綜述SCFAs與腹瀉相關性研究現狀。

1 SCFAs的來源和組成

哺乳動物腸道中微生物種類復雜多變，數量驚人，直接參與機體的生理、病理、營養、免疫及大腦發育，被認為是人體的“第二大器官”。腸道微生物群與宿主共同進化，宿主為微生物提供穩定的生活環境，而微生物則為宿主提供有效的幫助，如消化復雜的膳食、參與能量代謝、產生營養物質和維生素、抵御病原體，以及維護免疫系統等[7]。腸道微生物可分泌宿主細胞缺乏的消化酶，可將碳水化合物分解為不同的代謝物。近年來，微生物群代謝物SCFAs、酚酸、色氨酸、膽汁酸等獲得了較大的關注[8]。SCFAs是由腸道內厭氧菌代謝未消化的碳水化合物而釋放出的小分子物質，常見產SCFAs菌主要為厭氧菌，包括擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、梭菌屬、鏈球菌屬等[9]。被細菌代謝生成SCFAs的物質主要是到達結腸的非消化性碳水化合物 (非淀粉多糖、抗性淀粉、低聚糖、糖醇) 及內源性蛋白質在結腸中無氧發酵產物。SCFAs不僅可以作為營養物質被腸道吸收利用，同時為腸道上皮細胞提供能量并維持腸道水及電解質的平衡。研究[10-11]表明，SCFAs具有調節腸道菌群組成、機體免疫、代謝，改善腸道功能，以及抗病原微生物、抗炎、抗腫瘤等作用。

碳水化合物的攝入量以及微生物在腸道中的組成決定了腸道中合成脂肪酸鏈的類型和數量。正常情況下，腸道中乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽含量最多，三者比例大致是3∶1∶1[12]，但此比例隨著飲食結構、年齡和疾病的改變而變化。SCFAs的濃度沿腸道長度變化，盲腸和近端結腸的濃度最高，而向遠端結腸的濃度下降。據估計，SCFAs在近端結腸的濃度為70～140 mmol/L，遠端結腸的濃度在20～70 mmol/L[13]。SCFAs主要通過三種途徑被結腸上皮細胞吸收：被動擴散、SMCT1/Slc5a8和MCT1/Slc16a1載體介導的轉運、激活G蛋白偶聯的細胞表面受體 (G-protein-coupled receptors，GPCRs)，吸收后的SCFAs可被結腸細胞利用或進入血液循環系統及其他器官。被盲腸、升結腸和橫結腸吸收的SCFAs進入腸系膜上靜脈，而被降結腸和乙狀結腸吸收的SCFAs被輸送到腸系膜下靜脈，然后都流入門靜脈和肝臟。此外，直腸吸收的SCFAs可通過盆腔叢流至下腔靜脈，并在循環中發揮作用[14]。

2 SCFAs通過改善腸道能量代謝影響腹瀉

2.1 腸道能量代謝與腹瀉的關系 人體腸道定植著數量龐大、種類繁多的微生物，在胃腸道中形成一個復雜的微生態系統，腸道菌群促進了大量關鍵的能量代謝反應，如類固醇代謝、維生素合成、糖苷酶反應等。腸道菌群合成人體所需的重要維生素—維生素B12、維生素K，這些維生素不能由人體自身產生[15]，發酵宿主自身不能消化、分解的物質為SCFAs，這些代謝產物被腸道吸收，為宿主提供能量及營養物質，同時維持腸道環境穩定。腹瀉造成腸道正常的微生物流失，從而影響腸道能量代謝以及代謝產物的組成和數量。SCFAs作為一類微生物代謝產物，與腸道能量代謝相關。乙酸是宿主重要能量來源，為宿主提供約10%的能量，可通過調節腸道激素水平促進腸道能量代謝，從而維持腸道穩態[16]。丁酸是影響腸上皮細胞能量代謝的主要物質，能夠為腸上皮細胞提供60%的能量,對腸細胞有營養作用，促進結腸內鈉水的吸收，有助于改善腹瀉[17]。丁酸進行脂肪酸β-氧化合成乙酰輔酶A，同時產生大量的三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate, ATP)，對維持結腸細胞線粒體能量代謝十分重要，腹瀉使梭菌、鏈球菌和擬桿菌等產丁酸的共生細菌減少，從而影響結腸細胞線粒體能量代謝[18]。可見，腹瀉使腸道菌群失衡，影響腸道物質的代謝反應，從而影響腸道能量代謝。

2.2 SCFAs對腸道能量代謝的影響 SCFAs通過影響腸道能量代謝影響肥胖、2型糖尿病 (type 2 diabetes mellitus，T2DM) 和腸易激綜合征 (irritable bowel syndrome，IBS)的發生。SCFAs可通過控制能量攝入和調節能量利用來控制體重[19]。游離脂肪酸受體2 (FFAR2) 和FFAR3存在于結腸L細胞內[20]。SCFAs作為一種局部營養來源，可以通過激活FFAR2和FFAR3引發細胞特異性信號串聯[21]。FFAR2偶合L細胞內的Gq信號通路促使結腸隱窩分泌胰高糖素樣肽-1 (glucagon-like peptide-1，GLP-1)[22]，腸促胰素GLP-1則以葡萄糖依賴方式促進胰島素分泌，并減少胰高糖素的分泌，進而調節血糖水平[23]。研究[24]發現，FFAR3不利于胰島素的分泌。Veprik等[25]采用高濃度葡萄糖進行刺激時，FFAR3敲除小鼠胰島中所含胰島素水平高于野生型小鼠，而在FFAR3過表達小鼠胰島中則觀察到相反的現象；在葡萄糖耐受試驗中，FFAR3敲除小鼠所含葡萄糖水平低于野生型小鼠，而FFAR3過表達小鼠則顯示出相反結果。與野生型小鼠相比，FFAR3敲除的高血糖小鼠模型顯示胰島素水平升高。肽YY(peptide YY，PYY)是一種厭食神經肽，已被證明可抑制胃腸運動和食欲，改善胰腺β細胞的存活和功能，對T2DM有益處[26]。SCFAs可通調節GLP-1和PYY分泌預防和緩解T2DM[27]。如在T2DM患者飲食中添加膳食纖維，促進產SCFAs的微生物生長，部分通過增加GLP-1產生，改善糖化血紅蛋白水平，從而緩解T2DM癥狀[26]。IBS與腸道微生物群的破壞有關[28]，當SCFAs作為主要能源物質為腸上皮提供能量時，腸道菌群紊亂會影響腸道細菌發酵SCFAs的水平，從而影響IBS腸道能量代謝。IBS發病機制可能與腸道能量代謝異常有關，ATP產生障礙,降低了結腸細胞的能量供應，影響其生理功能,發生腹瀉或便秘[29]。

3 SCFAs通過維護腸道黏膜屏障功能影響腹瀉

3.1 腸道黏膜屏障功能與腹瀉的關系 腸黏膜屏障由物理屏障、化學屏障、免疫屏障、生物屏障共同構成。物理屏障包括覆蓋腸道黏膜的黏液層、黏蛋白和腸上皮細胞間的緊密連接 (tight junction，TJ)。正常情況下黏液層將腸上皮與腸道菌群分離，保護上皮不受腸腔滲透壓和有害物質的侵害[30]。TJ作為相鄰腸上皮細胞之間的分子連接,是細胞間滲透性的主要決定因素，通過細胞旁滲透性調節作用的研究發現，至少有兩種類型的孔隙受TJ的調節作用：第一種是高容量和電荷選擇性孔，可允許小離子和不帶電的小分子滲透；第二種是低容量孔，大離子和分子均可滲透通過[31]。TJ主要成分閉合蛋白(claudin) 調節孔通路，而咬合蛋白 (occludin) 和小帶封閉蛋白 (zonula occludens，ZO) 調節滲漏通路。TJ通過調節孔和泄漏這兩種途徑的孔隙，從而調節腸黏膜屏障的滲透性[32]。物理屏障及其重要的黏蛋白2 (MUC2) 可保護腸道，防止腹瀉，腹瀉與腸道微生物群和腸道黏液屏障密切相關。腹瀉會顯著改變腸道微生物群，使黏液層變薄或消失[33]。胃腸道分泌的消化液在進入腸腔后所具有的屏障作用稱之為化學屏障，主要包括胃酸、腸液、膽汁、糖蛋白和糖脂等。如膽汁未被吸收會破壞腸黏膜的完整性，影響其正常的吸收和分泌功能，造成腸道內水分的儲留而引起腹瀉。腸道內相關淋巴組織構成免疫屏障，在免疫和抗病原體保護中起核心作用的是黏膜中產生的大量分泌性免疫球蛋白A (sIgA)，炎癥會破壞腸道黏膜屏障從而引起腹瀉的發生。生物屏障是腸道內常駐菌群與機體形成的相互依賴又相互排斥的微生態系統，微生物與胃腸道黏膜上皮細胞緊密結合，形成一層生物膜，對宿主起到占位性保護作用，能阻止外來菌群在腸道的定植和易位，抑制需氧菌的過度繁殖。如機體受感染后，腸道菌群失調，隨后生物屏障遭到破壞，進一步導致腹瀉發生[34]。可見腹瀉的發生與腸道屏障功能受到破壞有關。

3.2 SCFAs對腸道黏膜屏障功能的影響 SCFAs可通過調節TJ蛋白的完整性維護腸黏膜屏障功能。研究[35]表明，小鼠哺乳期持續口服丙酸，增強claudin-1、claudin-8、occludin和ZO-1蛋白的表達，從而維護近端結腸上皮屏障功能。SCFAs還可通過保護腸道黏液層來維護腸道屏障的功能，如丁酸作為細胞主要能源時，能夠在轉錄水平上調節結腸MUC和各種MUC基因的表達，從而影響腸道黏液的保護功能[36]。當SCFAs作為能量物質時，還能抑制炎癥保護腸道屏障功能。研究[37]發現，SCFAs對脂多糖誘發的腸道炎癥動物模型的腸屏障具有保護作用，作為HDAC抑制劑抑制NLRP3炎癥體并抑制自噬，從而保護腸道屏障功能。

IBS是一種常見的功能性胃腸疾病，主要表現為痙攣、腹痛、腹脹、腹瀉或便秘，或腹瀉便秘兼有。腸道菌群異常改變的IBS患者由于腸上皮細胞對SCFAs攝入不足，直接影響TJ蛋白的分布，導致其腸黏膜通透性增加[38]。目前糞菌移植已成為許多腸道相關疾病的重要治療方法。對腹瀉型IBS患者進行含SCFAs糞菌灌腸,可有效改善患者的腹瀉癥狀和生活質量[39]。SCFAs在近端結腸水平最高，所以檢測糞便中SCFAs的含量可以在一定程度上反映IBS結腸完整性，SCFAs還可作為 IBS不同癥型診斷的生物標志物[40]。提示富含SCFAs糞便灌腸可作為腹瀉治療的新途徑，并且糞便中SCFAs含量可作為腹瀉診斷的標志物。隨著抗菌藥物的不良反應越來越顯著，SCFAs被提出作為飼料添加劑來改善胃腸道健康，Feng等[41]研究發現，飼料中添加丁酸鈉能促進腸屏障功能和結腸組織中緊密連接蛋白的表達，減輕豬仔斷奶后腹瀉程度。研究發現管飼患者大腸功能受損，且腹瀉與糞便中SCFAs含量降低有關[42]。膳食纖維影響排便的頻率和數量，且對腹瀉具有改善作用[43]。基于此，Schneider等[42]向長期腸內營養患者飲食物中添加膳食纖維后，發現患者糞便中所含SCFAs量，特別是丁酸鹽含量顯著升高，可見通過調整飲食結構可增加腸道中SCFAs的含量并改善腹瀉。

4 SCFAs通過調節腸道免疫功能影響腹瀉

4.1 腸道免疫調節功能與腹瀉的關系 免疫調節是決定免疫內環境穩態的一個重要環節，其功能異常，會導致炎癥細胞和炎癥介質異常，如腸巨噬細胞產生促炎性因子破壞腸道屏障功能，使大腸吸收鈉、水功能和運動功能障礙，導致腹瀉。炎癥導致腹瀉的主要原因是離子吸收性轉運缺陷和腸道屏障失調。炎癥導致鈉和氯轉運蛋白和通道表達降低，嚴重擾亂水電解質平衡，導致腹瀉。炎癥過程中TJ和黏附連接的異常表達和異常定位，會導致腸通透性增強，病原體易于穿過腸屏障，從而導致炎癥持續，腸道“滲漏”，進一步造成腸黏膜組織損傷，導致腹瀉[44]。腹瀉發生后，人體腸道中正常菌群流失，腸道菌群平衡受到干擾，從而影響腸道菌群發酵膳食纖維產生SCFAs的水平。

4.2 SCFAs對腸道免疫調節功能的影響 SCFAs對腸道免疫的調節作用可通過以下幾種途徑：(1) 介導中性粒細胞向炎癥部位趨化性，增強其吞噬能力；(2) 通過GPCRs途徑和抑制組蛋白去乙酰化酶 (histone deacetylases，HDAC) 來調節T細胞功能；(3) 調節Th17、Th1和Tregs的分化和功能；(4) 通過抑制HDAC抑制腸巨噬細胞產生促炎性細胞因子 (NO、IL-6和IL-12)；(5) 誘導B細胞產生腸道IgA[45]。GPCRs普遍存在各類真核細胞表面，能結合細胞周圍環境中的化學物質并激活細胞內一系列信號通路。SCFAs可通過激活腸上皮細胞中的受體GPR41、GPR42和GPR43來發揮免疫調節作用。Morita等[46]研究表明，存在于小腸巨噬細胞表面的GPR31+是細菌代謝物丙酮酸和乳酸的特異性受體，而丙酸鹽和乳酸可促進GPR31+產生樹突，增加沙門氏菌感染小鼠的免疫功能。丁酸可以抑制細胞因子刺激巨噬細胞產生促炎性介質。研究發現，丁酸鹽促進腸道CD4+T細胞和ILC生成IL-22，保護腸道減輕由感染和損傷所致的炎癥反應[47]，提示SCFAs具有促進腸道免疫調節作用。

SCFAs對以胃腸道的慢性和復發性炎癥為主要特征的IBD炎性腸病 (inflammatory bowel di-sease，IBD) 有效，IBD包括潰瘍性結腸炎 (ulcerative colitis，UC) 和克羅恩病 (Crohn’s disease，CD)，其癥狀有腹瀉、腹部絞痛、體重減輕等。腸道屏障功能降低是IBD發生的機制之一。研究表明，腸道大量炎癥細胞浸潤并釋放炎癥因子可引起腸上皮細胞壞死、脫落，上皮細胞間TJ減弱，同時杯狀細胞缺失，MUC分泌減少可導致黏液層受到破壞，從而導致腸道黏膜屏障功能降低[45]，同時IBD發展與腸道菌群失調相關，IBD患者存在SCFAs的改變。通過應用益生菌或激活產生SCFAs細菌的方法可使SCFAs發揮腸道免疫功能，提高對IBD的治療效果[48]。研究表明，在IBD的治療中 (如5-氨基水楊酸和皮質類固醇療法) 輔以SCFAs混合物 (乙酸鈉、丙酸鈉和丁酸鈉) 灌腸可增強對IBD的治療效果[14]。結直腸癌是消化道常見的腫瘤之一，也是UC常見并發癥。臨床研究表明，結直腸癌患者糞便乙酸、丁酸含量降低[49]。丁酸鹽對結直腸癌的作用機制是通過抑制HDAC活性調節細胞內通路，并激活細胞外GPR109A受體調節抗炎作用，可抑制HDAC的促癌作用[50]，使GPR109A受體激活丁酸鹽誘導結腸上皮產生IL-18，抑制腸道炎癥及炎癥相關癌變[51]，補充丁酸可抑制結腸癌細胞生長和分化，對結腸腫瘤刺激腸道引起的腹瀉有利。可見SCFAs通過調節腸道免疫功能對腹瀉性疾病有作用。

5 SCFAs促進腸道電解質和水的吸收影響腹瀉

5.1 腸道電解質和水的吸收與腹瀉的關系 腹瀉的潛在機制包括細胞間的滲透性增加、腸轉運時間增加 (運動障礙) 和離子轉移異常，腸道屏障功能受損會使細胞間的滲透性增加，會導致腹瀉的發生[52]。腸轉運 (如迷走神經切斷術后腹瀉) 或通過減緩轉運而導致腹瀉，腸道蠕動過快，必然會減少內容物與腸黏膜的作用時間，造成吸收不良，相對增加腸道內電解質和水分的含量，引起腹瀉。反之，若腸道蠕動過慢，則會導致腸道內過度發酵及微生物的大量繁殖，產生有毒有害物質破壞腸黏膜亦會引起腹瀉[53]。小腸和大腸中液體和電解質回收的主要機制是鈉離子和氯離子的耦合吸收，異常的離子轉移主要是鈉和氯的主動和被動吸收減少，導致明顯抑制結腸腔的液體吸收[54]。

5.2 SCFAs促進腸道電解質和水的吸收 SCFAs對機體電解質和水分吸收具有促進作用。SCFAs被結腸上皮細胞吸收和利用，并刺激電解質和水的吸收，以緩解腹瀉癥狀。腸道微生物發酵產生的SCFAs以乙酸、丙酸和丁酸為主。乙酸和丙酸具有水溶性，而丁酸同時具有水溶性和脂溶性雙重特點。SCFAs對鈉、鉀和水的吸收有重要作用。消化道正常pH為酸性，SCFAs在腸道中發生電離后主要以離子 (SCFA-) 形式存在。SCFA-與H+結合后，由腸上皮細胞直接吸收，在細胞中釋放出H+。在近端結腸發生Na+/H+交換，在遠端結腸可能發生K+/H+交換，從而將細胞內的H+泵到腸腔內[55]。腸道吸收SCFAs的過程中，提高了腸道細胞對于Na+的吸收，進而促進了對水分子的吸收。腸道中的CO2與H2O結合后電離生成HCO3-和H+，可進一步促進Na+/H+交換。可見，SCFAs可促進腸道中電解質和水的吸收利用，保持腸道中電解質和滲透壓平衡，對腸道抵抗腹瀉的發生具有重要意義。通過飲食調節腸道中SCFAs水平，刺激腸中水和離子吸收并降低腸滲透性和黏膜炎癥，可減輕腹瀉和維持腸道內環境穩定[56]。

6 總結與展望

近年來，腸道疾病的發生率逐年增加，而腹瀉是此類疾病的主要癥狀。人們對腹瀉的發生與腸道菌群失調相關性日益重視。隨著研究深入，研究者發現腸道菌群發酵產生的SCFAs對腹瀉疾病的診斷和治療有益，但其機制有待闡明。對腸道微生物失調相關性疾病已提出多種補充SCFAs的治療方式，例如通過調整飲食結構、糞菌移植、口服補充益生菌和口服補充SCFAs等[57]。由于胃的酸度和膽汁酸的作用，口服益生菌在胃腸道中的存活率只有20%～40%[58]，因其難以在腸黏膜細胞定植而隨著腸道運動到達大腸。小腸中難以消化的益生元如乳果糖和含有乳果糖的化合物到達盲腸后被其中所含的益生菌選擇性使用，外源性益生菌可能在此時發揮其益生作用[57]。相反，游離脂肪酸直到被結腸細胞、肝臟或外周組織吸收之前不受消化因子的影響。在這方面，口服補充SCFAs可能是相對于其他策略更有效和實用的選擇，補充適量的SCFAs益于腸道功能.研究表明，在生理濃度范圍內，較高的SCFAs濃度可增強盲腸中的屏障功能[59]，但長期或高劑量補充SCFAs的風險尚不清楚。有關家禽腸道健康研究表明，過量的SCFAs會導致家禽產生腸炎[60]，所以高纖維飲食促進腸道細菌產生更接近生理水平的SCFAs,是更安全的長期療法[57]。SCFAs應用于腹瀉的治療，與其干預腸道菌群的組成和增加產生SCFAs細菌的豐富度有關，通過調節腸上皮細胞對營養的吸收及腸道功能，促進結腸上皮對鈉水吸收以有效改善腹瀉。相信在不久的將來，通過更深入的認識SCFAs與腹瀉的關系，研究者將制定出新的策略以更加精準、有效的診斷和治療腹瀉。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。