短鏈脂肪酸及其調節腸道炎癥作用的研究進展

楊麗婷，王子微，王加啟，鄭 楠,

（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.青島農業大學食品科學與工程學院，山東青島 266109）

腸道菌群（gut microbiota，GM）是人或哺乳動物腸道中的微生物群落。越來越多的研究指出，GM 作為人體的“第二基因組”和“第二大腦”，與人體健康密切相關[1-3]。GM既能夠產生有害代謝產物，也能產生有益代謝產物，從而影響著人類健康。不同的腸道微生物會產生不同量的短鏈脂肪酸（SCFAs）。擬桿菌（革蘭氏陰性菌）主要產生乙酸鹽和丙酸鹽，而厚壁菌門（革蘭氏陽性菌）主要產生丁酸鹽[4]。研究報道，丙酸鹽和乙酸鹽還可由支鏈氨基酸和甲硫氨酸在機體內代謝產生[5]。不同短鏈脂肪酸的合成途徑也不同，乙酸由乙酰輔酶A或Wood-Ljungdahl途徑產生[6]，丙酸由琥珀酸鹽途徑或丙烯酸鹽途徑合成[7]，而丁酸的合成途徑則較為復雜。SCFAs在體內合成之后的分布也是不同的，大多數乙酸鹽和丙酸鹽合成后進入門靜脈循環和外周血[8-9]。進入門靜脈循環的丙酸鹽主要用于肝臟的糖異生，隨后通過三羧酸循環和其他代謝途徑代謝為CO2，而乙酸鹽則進入體循環并到達外周組織。丁酸鹽主要在腸上皮黏膜內代謝，部分在肝臟中降解后最終分布在腸道系統中[10]。

腸道中SCFAs在維持腸道健康方面發揮著重要作用。SCFAs除了具有調節機體電解質平衡、刺激胃腸激素的分泌、調節腸道動力等功能外，還可以調節腸道化學屏障、免疫屏障、物理屏障和腸道炎癥等，在SCFAs眾多的生理功能中，腸道炎癥的調節受到大多數研究者的關注。研究表明，SCFAs治療已被證明可以改善體內炎癥性疾病，如飲食誘導肥胖小鼠的結腸炎、氣道疾病和代謝綜合征[11]。SCFAs的這些有益作用不僅與其作為組蛋白乙酰化（HDAC）抑制劑的特性有關，還與其激活跨膜同源G蛋白偶聯受體（GPCRs）有關[12-13]。因此，本文從SCFAs的組成和來源、機體中合成途徑和分布、對腸道健康的影響、在腸道炎癥中調節的分子機制以及膳食纖維對SCFAs合成的影響五部分進行綜述，其中重點闡述了短鏈脂肪酸調節腸道炎癥的作用機制，為后續進一步研究提供理論依據。

1 腸道中主要的短鏈脂肪酸

1.1 SCFAs的組成和來源

SCFAs是含2～6個碳原子的羧酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占全部SCFAs的95%以上[14-15]。據報道，人體近端結腸乙酸、丙酸和丁酸的釋放濃度較高，約為70～140 mmol/L，遠端結腸處釋放濃度約為20～70 mmol/L，回腸末端處釋放濃度約為20～40 mmol/L。結腸中乙酸、丙酸和丁酸的摩爾比分別約為60:25:15[14]。研究表明，許多腸道細菌可以膳食纖維為底物合成SCFAs，細菌產生的糖苷水解酶可將膳食纖維轉化為單糖，然后在厭氧發酵過程中通過碳代謝途徑生成主要終產物SCFAs[16]。除了食用膳食纖維之外，腸道細菌還可以將其他底物，如來自膳食的氨基酸、內源性蛋白質或有機酸（乳酸鹽）轉化為SCFAs[17-18]。此外，一些腸道細菌本身也會合成短鏈脂肪酸。迄今為止，能產生SCFAs的細菌有74種[19-27]，將其進行門、綱、目、科、屬分類如表1所示，其中厚壁菌門與擬桿菌門是腸道中產生SCFAs的兩門優勢菌，而變形菌門和放線菌門在腸道菌群中相對較少。

表1 合成短鏈脂肪酸的腸道細菌Table 1 Intestinal bacteria for the synthesis of short-chain fatty acids

1.2 SCFAs的合成和分布

圖1所示為膳食纖維發酵生產乙酸、丙酸和丁酸的途徑。乙酸是SCFAs中含量最豐富的，占SCFAs的60%～75%[29]。乙酸由丙酮酸通過乙酰輔酶A和Wood-Ljungdahl途徑產生[7]，乙酸也可以作為底物與丁酰輔酶A交換，通過丁酰輔酶A乙酰輔酶A轉移酶途徑產生丁酸和乙酰輔酶A[20]。丙酸是由磷酸烯醇丙酮酸（Phosphoenolpyruvate，PEP）通過琥珀酸酯途徑和丙烯酸鹽途徑合成的[7]。丁酸的合成途徑較多，可通過丁酸酯激酶途徑或者乙酰輔酶A轉移酶途徑轉化產生，還可以通過賴氨酸途徑由丁基輔酶A轉移酶催化合成[30]。此外，腸道中的微生物也參與了SCFAs的合成，腸道微生物可以利用乳酸鹽和乙酸鹽來合成丁酸鹽從而維持腸道內環境穩態[31]。

圖1 乙酸、丙酸和丁酸生產示意圖[29-30]Fig.1 Schematic representation of acetate, propionate and butyrate production[29-30]

續表 1

續表 1

SCFAs在機體內合成后約95%被結腸上皮細胞吸收[7]，隨后由腸道上皮血管經門靜脈轉運到達肝臟，再通過血液循環到達其他組織器官被吸收利用[32]，其余5%～10%的SCFAs通過糞便排出體外[33]。SCFAs可以通過三種機制被結腸上皮細胞吸收：a.細胞通過Na或K鹽的離子擴散吸收SCFAs[34]；b.SCFAs與碳酸鹽離子結合后轉化為SCFA-2HCO3-結合體，再通過陰離子反轉運通道被結腸上皮細胞吸收[35]；c.結腸腔膜上的單羧酸轉運蛋白（MCT1）可以作為載體將丁酸鹽運輸至結腸中被結腸細胞吸收[36-37]。乙酸是外周循環中含量最多的SCFAs[38]，其在機體中經門靜脈到達肝臟后被釋放到體循環中[9]，而丙酸到達肝臟后被代謝降解[8]。丁酸是結腸細胞的主要能量來源[39]，分布在機體中的丁酸主要在腸上皮黏膜內代謝，部分在肝臟中被降解[10]。

2 SCFAs對腸道健康的影響

腸道是機體抵御外來污染物的第一道屏障，承擔了機體70%的免疫防御功能，腸道屏障包括物理屏障、化學屏障、微生物屏障和免疫屏障。越來越多的證據表明，SCFAs在維持腸道健康方面發揮著重要作用。SCFAs可以調節腸道化學屏障、物理屏障、免疫屏障等，對腸道健康至關重要[40]。

2.1 調節腸道化學屏障

腸道中的化學屏障是指由胃腸道分泌的胃酸、膽汁、各種消化酶、溶菌酶、粘多糖、糖蛋白和糖脂等化學物質。粘液是由腸粘膜的特殊杯狀細胞分泌的，作為一種生物潤滑劑，為特殊的腸道微生物提供營養來源。粘液作為一種化學-物理屏障，有助于防止化學物質、毒素、病原體和過敏原等進入機體[41]。粘液的增加通常是由MUC2基因的表達增加推斷出來的，MUC2基因編碼黏液蛋白2，黏液蛋白2是腸上皮細胞分泌的最顯著的黏液蛋白。丁酸鹽可以通過MUC2基因組蛋白選擇乙酰化/甲基化來刺激MUC2基因表達[38,42]。丁酸灌腸對小鼠結腸黏膜MUC1、MUC2、MUC3、MUC4的表達有不同程度的刺激作用，在近端結腸中，雖然MUC2陽性細胞數量沒有改變，但丁酸鹽優先使MUC2的表達上調，從而導致黏液層厚度的減少[43]。然而，在健康受試者和潰瘍性結腸炎（UC）患者每日給予丁酸灌腸（60 mL,100 mmol/L丁酸）兩周后，MUC2表達未受影響[44]。

2.2 調節腸道物理屏障

腸上皮細胞的屏障功能是重要的第一道防線，可使上皮層具有滲透特性[45]。研究表明，丁酸鹽可以修復和增強腸上皮細胞的物理屏障功能[46-47]，在單層分化的腸上皮細胞中，丁酸鹽通過增加緊密連接蛋白（Tight junction，TJ）claudin-1的表達來促進腸道屏障功能，減少細胞旁通透性[32]。脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）由脂類和多糖組成，是革蘭氏陰性菌細胞壁的主要成分，LPS是機體炎癥抗原，可誘發宿主免疫應答與炎癥，而丁酸鹽處理減輕了LPS對腸上皮完整性的負面影響，同時在豬腸上皮細胞系的體外模型中選擇性上調TJ蛋白的表達[48]。此外，丁酸鹽還能誘導細胞膜上TJ蛋白occludin和（zonula occludens-1，ZO-1）的再分配[28,49-50]。給小鼠喂食可發酵膳食纖維可增加糞便SCFAs，并通過增加TJ蛋白（ZO-1、ZO-2、occludin、連接粘附分子A和claudin-7）的表達來保護結腸屏障[51]。

2.3 調節腸道免疫屏障

SCFAs在免疫穩態中可能發揮著多種作用。SCFAs可以通過抑制免疫效應細胞增殖來抑制炎癥因子釋放，進而調節腸道免疫功能。研究表明，丁酸鹽可以作為介質減少中性粒細胞向炎癥部位遷移[52]。此外，丁酸鹽在細胞增殖和凋亡中也起著重要的作用，低濃度的丁酸鹽促進細胞增殖[53]，但高濃度的丁酸鹽誘導細胞凋亡[54]。丁酸鹽刺激細胞生長和脫氧核糖核酸合成，并在細胞周期的G1階段誘導生長停滯[52-53]。這表明丁酸鹽可以通過影響免疫細胞遷移、粘附和細胞功能（如增殖和凋亡）來影響免疫反應。

3 SCFAs在腸道炎癥中的作用機制

炎癥是身體對各種有害刺激產生的病理反應。SCFAs與腸道炎癥密切相關，其作為信號分子，在細胞內外通過不同的途徑發揮著抗炎作用[55-56]。轉錄因子-核因子κB（NF-κB）是一種轉錄調節因子，調節多種參與炎癥和免疫的基因的表達，如促炎細胞因子和酶、粘附分子、生長因子和免疫受體[57-58]。Tan等[59]研究表明，SCFAs會抑制中性粒細胞和巨噬細胞的增殖，降低炎癥因子的表達量，減少NF-κB活化從而減輕腸道局部炎癥反應。另一研究表明，丁酸鹽能夠激活核激素受體PPAR-γ，其激活被認為發揮著抗炎作用[60]。除了抑制NF-κB活化和上調PPAR-γ，丁酸鹽還可能通過抑制促炎細胞因子IFN-γ信號通路傳導，抑制氨基酸（酪氨酸和絲氨酸）磷酸化、核轉位來緩解腸道炎癥[61]。

腸道炎癥是炎癥性腸病發生的前兆，炎癥長時間不消退或炎癥過程失控會轉變為慢性炎癥腸病，甚至引發癌癥[62]。許多研究表明，SCFAs在腸道炎癥中發揮作用主要是通過G蛋白偶聯受體（G-Protein-Coupled Receptors，GPCRs）以及組蛋白去乙酰化酶（Histone Deacetylase，HDACs）兩條途徑來實現的[63]。

3.1 SCFAs作為G蛋白偶聯受體的配體發揮腸道抗炎作用

GPCRs是哺乳動物機體中的膜蛋白，SCFAs會激活幾種細胞表面G蛋白偶聯受體（GPCRs），如游離脂肪酸受體2（Free Fatty Acid Receptor 2，FFAR2或GPR43）、游離脂肪酸受體3（Free Fatty Acid Receptor 3，FFAR3或GPR41）、羥基羧酸受體2（Hydroxycarboxylic Acid Receptor 2，HCAR2或GPR109A）和嗅覺受體78（Olfactory Receptor 78，OLFR78），盡管GPCRs之間的同源性約為40%[64]，但它們在組織和細胞中的配體特異性和效力不同，因此可以發揮不同的作用，如表2所示。GPCRs被配體激活后，可以結合四種不同的異源三聚體G蛋白（Gs，Gi/o，Gq/11和G12/13），這些蛋白可以影響單個或多個效應物的活性，如產生第二信使的酶或離子通道[13,65]。目前，GPR41和GPR43已被確定為GPCRs家族中最重要的短鏈脂肪酸受體。

表2 短鏈脂肪酸受體Table 2 Receptors for short-chain fatty acids

GPR41與Gi/o蛋白偶聯，參與脂肪細胞中瘦素的產生和脂質譜的調節[66]，在各種人體組織和細胞中表達，如大腸固有層細胞、脾臟、淋巴結、骨髓、脂肪細胞、多形核白細胞、外周神經系統細胞以及腎的遠端小管和集合管細胞[67-68]。GPR41受體的配體親和力依次為：丙酸＞丁酸＞乙酸[69]。在不同物種中，激活GPR41的丙酸的半數效應濃度（Half Effect Concentration，EC50）約為12～274 μmol/L[13]。GPR43與Gi/o和Gq雙重偶聯，主要在人體多形核中性粒細胞、單核細胞和淋巴細胞中表達，GPR43受體的配體親和力為：丙酸＞乙酸≥丁酸[69]，乙酸和丙酸對GPR43激活的EC50約為35～431 μmol/L[13]。GPR43激活后參與調節胰高血糖素樣肽-1 （Glucagon-like peptide-1，GLP-1）的分泌[70]。GPR109A與Gi/o偶聯，研究表明GPR109A在結腸/小腸上皮、巨噬細胞、單核細胞、樹突狀細胞和中性粒細胞中表達[67]，但在淋巴細胞和脂肪細胞中不表達[7]。GPR109A只有丁酸作為GPR109A的配體[71]。丁酸激活GPR109A的EC50值約為1 mmol/L[72]。OLFR78主要在神經元、腸內分泌細胞、大腸上皮、腎動脈和血管平滑肌中表達[73]，在呼吸系統中可以作為缺氧傳感器感知氧氣水平下降時所產生的乳酸鹽[74]。研究表明OLFR78只與乙酸和丙酸結合，而不與丁酸結合[75]。乙酸和丙酸激活OLFR78受體的EC50分別為2.35 mmol/L和

920 μmol/L[75]。

研究表明，在結腸炎小鼠模型中，乙酸可以激活GPR43和GPR41受體，使機體中的鉀離子外排與超級化，誘導抗炎因子白細胞介素-18（Interleukin-18，IL-18）釋放，從而緩解了小鼠結腸炎癥[76]。與上述機制一致，丁酸鹽可以激活腸上皮細胞中的GPR109A受體從而釋放IL-18緩解腸道炎癥[77]。另一研究報道，丙酸也可以通過激活GPR41和GPR43促進抗炎性白細胞介素10 （Interleukin-10，IL-10）的釋放緩解腸道炎癥[78]。此外，SCFAs還可以通過激活GPR43抑制促炎因子白細胞介素6（Interleukin-6，IL-6）、白細胞介素8（Interleukin-8，IL-8）、白細胞介素1β（Interleukin-1β，IL-1β）和腫瘤壞死因子α（Tumor necrosis factor，TNF-α）的表達來緩解腸道炎癥[79-81]。Kobayashi等[68]發現，在沒有GPR41或GPR43受體的C57BL6小鼠中，SCFAs可激活腸上皮細胞上的GPR41和GPR43，以保護免疫和組織炎癥。在腸上皮細胞（Intestinal epithelial cells，IECs）模型中，丁酸激活GPR109A后會影響NF-κB活化，這一結果表明丁酸激活GPR109A在緩解腸道炎癥和促進腸上皮細胞修復中具有重要的作用[71]。在巨噬細胞中，丁酸鹽通過GPR41受體減少iNOS、TNF-α、單核細胞趨化蛋白-1和IL-6的產生而發揮抗炎作用[82]。

3.2 SCFAs作為HDAC抑制劑發揮腸道抗炎作用

組蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase，HDAC）是一種在染色體結構修飾和基因表達調控中起重要作用的蛋白酶，HDAC過表達會導致組蛋白乙酰化減少而抑制基因的表達[83]。SCFAs可以作為HDAC抑制劑來影響免疫系統，調節腸道炎癥[84]。

抑制核因子-κB（NF-κB）的激活是HDAC抑制的一個基本機制[85]。SCFAs可能通過抑制HDAC作用于單核血細胞和中性粒細胞，抑制NF-κB激活，從而減少這些細胞產生促炎因子TNF-α、IL-2、IL-6、IL-8的表達。SCFAs作為HDAC抑制劑的配體，可以通過誘導HDAC抑制作用刺激單核細胞和中性粒細胞，導致NF-κB激活，減少促炎因子的產生[86]。此外，有研究表明SCFAs作為HDAC抑制劑可以調節巨噬細胞的功能，發揮抗炎作用[87-88]。HDAC可以通過影響Foxp3的乙酰化，導致Foxp3降解，所以在小鼠模型實驗中，補充丁酸鹽可上調Foxp3基因表達并誘導Treg細胞的產生，從而抑制炎癥反應[89]。研究表明，SCFAs可通過增加L-選擇素的表達，促進細胞因子誘導的中性粒細胞趨化因子-2αβ（CINC-2αβ）的釋放，刺激中性粒細胞向炎癥部位遷移[57]。

4 膳食纖維對SCFAs合成的影響

腸道SCFAs水平可由內源性和外源性調節。內源性SCFAs水平受多種因素影響，其中腸道細菌是最重要的因素，外源性調節通過與膳食纖維的酯化作用將SCFAs傳遞到腸道。膳食纖維主要是不能被機體中消化酶所消化分解的多糖，主要包括非淀粉多糖、低聚糖、木質素和其他類似多糖。機體攝入膳食纖維后可在腸道中經腸道菌群發酵，從而產生外源性SCFAs[90]。研究表明，2型糖尿病患者在攝入膳食纖維豐富的食物后腸道內益生菌的數量明顯增加，這些特異菌株比其他的短鏈脂肪酸產生菌有更強的生態競爭力，能產生更多的能量和SCFAs[91]。研究表明，50%幾丁質-葡聚糖和50%生馬鈴薯淀粉組成的飲食顯著增加了腸道中SCFAs水平和產生SCFAs的細菌，如放線菌門和厚壁菌門[92]。食用大麥仁面包3 d后普雷沃氏菌/擬桿菌的比例會增加[93]。隨著高抗性淀粉飲食的增加，溴乳球菌和直腸真桿菌的數量增加[94]，而在非淀粉多糖飲食條件下，毛螺旋菌數量會增加[95]。因此，膳食纖維的攝入可改善腸道有益微生物的豐度，從而使機體中SCFAs的含量增加，進而在機體中發揮重要的作用。

不同的膳食模式產生的SCFAs不同。國外研究[96]發現，中國膳食和日本膳食每天攝入膳食纖維14 g后產生的乙酸、丙酸、丁酸的量分別為39.9:12.8:12.2和36.0:22.3:17.5。另外一項研究發現[97]，人體胃腸道中SCFAs的含量以及種類與膳食中所攝入的動植物食品有關，該研究中在低動物性食物模式（LAFD）干預之后以乙酸、丁酸含量增加為主，而動植物平衡模式（BD）和高動物性食物模式（HAFD）SCFAs總量沒有改變。因此，腸道SCFAs量受動植物性食品含量的影響。在三種膳食模式基礎上添加大豆低聚糖后，BD和HAFD模式SCFAs總量均有所增加，且BD模式以乙酸、丙酸增加為主，HAFD模式以丙酸、丁酸增加為主，這表明不同膳食模式可以影響人體胃腸道中SCFAs的含量。通過口服可發酵膳食纖維（60 g燕麥麩/d對應20 g膳食纖維），改變了結腸炎患者糞便中丁酸的含量[98]。該結果表明，動物性食品攝取量高時適當補充大豆低聚糖對改善大腸健康有重要作用。

以上結果表明，改變膳食組成和膳食模式，可以調節腸道SCFA產生菌的豐富度和多樣性，改變腸道SCFAs的含量，從而持續調控內源性細菌發酵，最終使機體內SCFAs保持在穩定平衡的水平。

5 展望

人們越來越意識到飲食、腸道微生物群和健康之間的聯系，而SCFAs是連接膳食纖維、腸道微生物群與腸道健康的重要代謝產物。SCFAs可以通過GPCRs和HDAC兩條途徑來緩解腸道炎癥，但在不同細胞、組織甚至物種中的確切機制仍不清楚，在以后的研究中可靶標不同細胞與組織進行進一步研究。另外，合理改善膳食可調節腸道中SCFAs的含量，調控腸道中腸道菌群的結構，但如何控制膳食纖維的攝入量未得到量化，因此在后續研究中可進一步探討膳食纖維每日攝入量的研究，為機體健康提供一定的理論依據。目前對SCFAs緩解腸道炎癥的研究大多為單一SCFA且主要集中在分子層面，而乙酸、丙酸和丁酸聯合作用對腸道炎癥保護的效果以及對人體的研究仍未知。未來的研究方向可以探索特異性調節微生物群的策略，從而預測對治療的可能反應，進而促進人類疾病個性化治療策略的發展，促進人類健康。