短鏈脂肪酸與結腸癌的研究進展

王斯琪 陳燁，2

(1南方醫科大學南方醫院消化內科 器官衰竭防治國家重點實驗室 廣東省胃腸病重點實驗室，廣東 廣州 510515；2南方醫科大學深圳醫院微生態診療中心消化內科)

結腸癌(CRC)是消化系統常見的惡性腫瘤之一，在我國發病率僅次于胃癌和食管癌，2018年全球統計新發腫瘤中，結腸癌占6.1%，因腫瘤發生死亡中結腸癌占5.8%〔1〕，其發病與遺傳、生活方式、飲食、心理因素、慢性炎癥及腸道菌群密切相關。有研究顯示，高膳食纖維飲食可以預防和減少CRC的發生，短鏈脂肪酸(SCFAs)在其中發揮重要作用〔2〕。SCFAs是膳食纖維經結腸腸道菌群酵解產生的代謝產物，不僅可以維持正常結腸上皮細胞的增殖，為細胞生長提供能量，更有明顯拮抗CRC腫瘤細胞增殖，促進腫瘤細胞凋亡的作用，參與腫瘤疾病的發生進展的調控。有研究表明CRC與結腸腺瘤患者糞便中丁酸與總SCFAs的比例較健康者相比均有所下降，提示可能是結腸丁酸鹽低比例增加了結腸腫瘤的風險〔3〕。超過90%的CRC是由結腸息肉轉變而來，有結腸息肉的患者比正常人產丁酸含量明顯減少〔4〕。SCFAs再成為廣大臨床醫生及研究者關注的熱點。本文對SCFAs在CRC疾病中的機制作用做簡要綜述，為SCFAs臨床應用提供理論依據。

1 SCFAs概述

SCFAs是指未被消化吸收的膳食纖維、蛋白和肽進入盲腸和結腸后，由微生物代謝產生的揮發性脂肪酸，由1～6個碳原子組成，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，其中乙、丙、丁酸占據了總量的95%〔5,6〕。腸道產生的SCFAs的種類、數量主要受發酵底物、細菌種類等因素的影響〔7〕。抗性淀粉發酵產生較多的丁酸，果膠則產生更多的乙酸和丙酸〔8〕。擬桿菌發酵的主要產物是乙酸和丙酸，而厚壁菌屬則為丁酸〔7〕。

SCFAs在人體的不同器官參與多種代謝途徑，發揮各自功效。乙酸大部分吸收入血，作為膽固醇合成最主要的底物，參與肝臟的代謝或為周邊組織提供能源，參與肌肉、脾臟、心臟和腦內的代謝。丙酸經結腸吸收后，經肝臟代謝轉化為丙酮酸并被異生為葡萄糖，此外，還能降低羥甲基戊二酸單酰輔酶(HMG-Co)A還原酶的活性，抑制膽固醇的合成〔9〕。丁酸被結腸上皮細胞吸收利用，作為結腸上皮細胞的首要能量來源〔10〕，并抑制白介素(IL)-6、IL-17等多種促炎因子的生成及腫瘤細胞的增殖，預防結腸炎癥和CRC的發生，維持腸道內環境的穩定。由此可見，SCFAs在機體生理、病理狀態下均發揮著不可替代的作用。

2 SCFAs在CRC發生發展中的作用

2.1SCFAs抑制CRC細胞增殖 SCFAs可作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDACI)，發揮抗癌作用。基因轉錄的有序調控是機體細胞維持正常功能的前提，當基因轉錄調控功能紊亂，細胞就可能發生癌變。腫瘤的發生與核心組蛋白的乙酰化及去乙酰化的失衡有密切的關系。在機體內，負責組蛋白乙酰化和去乙酰化的是一對功能相互拮抗的蛋白酶：組蛋白乙酰轉移酶(AHT)和組蛋白去乙酰酶(HDAC)。機體利用這兩種酶對組蛋白氮端氨基酸殘基進行乙酰化和去乙酰化，調節染色質的結構，介導核小體結構改變，進而調控基因轉錄。當HDAC過表達破壞基因表達平衡時，導致細胞異常增殖，腫瘤發生。諸多研究表明丁酸在濃度為0.5～5 mmol/L時〔11〕可顯著抑制HDAC活性，從而抑制CRC細胞增殖，尤其對結腸腺癌細胞的HDAC活性的抑制最明顯〔12,13〕，使染色質乙酰化水平上調,處于高轉錄活性的開放狀態,從而增加基因表達量〔14〕,研究證實用丁酸預處理CRC細胞系后,發現研究的588個基因中有23個表達量明顯上調,諸多基因如p21/Cip1和細胞周期蛋白(cyclin)D3發生轉錄〔15〕，其中P21基因轉錄水平增加4倍以上〔16〕。P21蛋白一方面作為 G1/S 期調控點因子,與相應的cyclin-細胞周期依賴性蛋白激酶(CDK)復合物結合并抑制其活性,減慢細胞周期進程,抑制細胞生長,促進細胞分化;另一方面,p21抑制細胞增殖過程中的 DNA 復制，是一種臨床應用較廣的抑癌基因〔17〕，但具體下游效應和機制有待進一步研究。

SCFAs還可通過阻滯細胞周期，從而抑制腫瘤細胞增殖。丁酸可以明顯導致HCT-116細胞G0/G1和G2周期時間增加，S周期時間減少〔16,18〕。5 mmol/L濃度丁酸與RKO、HCT-116和HT-29等多種結腸癌細胞共孵育時，更大程度將細胞周期阻滯于G2/M期,而轉化生長因子(TGF)-β則主要阻滯在G0/G1期〔19〕。TGF-β可直接或間接抑制pRb磷酸化,而pRb是決定細胞是否增殖的中心調控分子〔20〕。當丁酸和TGF-β聯合治療同樣可改變腫瘤細胞的周期分布，G0/G1期細胞阻滯率較高，S期阻滯率較低〔21〕，這表明丁酸鹽不僅對細胞增殖有獨特的影響,還可加強TGF-β信號通路的影響。Chen等〔22〕研究丁酸鹽可通過增加Kruppel樣因子(KLF)4/胃腸富集KLF(GKLF)mRNA水平，直接激活細胞周期蛋白依賴激酶抑制因子P21的啟動子而促使其轉錄表達，負向調節整個細胞周期。 此外，丁酸還可干預其他環節抑制腫瘤細胞增殖。蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMT)1是一組催化蛋白質精氨酸發生甲基化修飾的酶，與多種腫瘤疾病發生相關。結腸腫瘤組織PRMTI的亞型PRMT1v1蛋白水平顯著高于正常組織〔23,24〕。Ryu等〔25〕研究發現HCT116細胞丙酸鈉通過mTOR通路下調PRMT1,降低結腸腫瘤細胞群體增殖能力和克隆性增殖能力，誘導細胞凋亡。

2.2SCFAs誘導CRC細胞凋亡 Fas/FasL是細胞外死亡受體途徑介導細胞凋亡最主要的信號之一〔26〕。Rivkin等〔27〕發現，丁酸鈉可以明顯增加CRC細胞對Fas介導凋亡的敏感性。丁酸作為HDACI可以促進Fas啟動子部位的組蛋白H3在H3K9位點的乙酰化水平增加，進而導致Fas表達增加，抑制STAT1活性，抑制誘導性一氧化氮合酶(iNOS)誘導的炎癥反應，從而降低CRC的發生〔28〕。丁酸還可誘導CRC細胞內的線粒體途徑發生凋亡。在HCT116細胞中，通過促進線粒體內Ca2+的募集，導致Ca2+超載，引起線粒體損傷，誘導腫瘤細胞凋亡〔29〕。

B細胞淋巴瘤(Bcl)-2基因家族蛋白是線粒體凋亡途徑中重要的調控分子。研究表明，促凋亡蛋白(Bax)和抑制凋亡蛋白(Bcl-2或Bcl-xl)之間相互控制著細胞色素C等物質從線粒體釋放，進而啟動半甘氨酸蛋白酶(caspases)級聯反應，誘導細胞凋亡。丁酸可以抑制沉默信息調節因子(SIRT)1激活mTOR/S6K1通路，增加Bax/Bcl-2蛋白比例，誘導HCT116細胞發生凋亡〔30〕。其中，SIRT1在DNA修復、體內能量平衡、氧化還原平衡、抗衰老及胰島素分泌等方面具有重要的調控功能〔31,32〕。

此外，SCFAs也可通過多種途徑參與腫瘤凋亡。有研究表明丁酸通過鈉耦聯單羧酸轉運蛋白(SMCT)-1攝取，影響HCA-7人結腸癌細胞中前列腺素(EP)4受體的表達水平，從而維持腸道上皮穩態。EP4受體在正常結腸隱窩上皮細胞表達，并通過保持黏膜完整來維持腸道穩態，當結腸組織中丁酸濃度降低，或丁酸攝取減少時，EP4受體過度表達，伴隨環氧化酶-2過度誘導，則會發生早期CRC癌變〔33〕。Terranova-Bareberjo等〔34〕發現丙戊酸與卡培他濱衍生物協同作用于野生型HCT116腫瘤細胞時，有明顯的協同效應；但當作用于HCT-116 p53-/-細胞時，則產生拮抗作用，說明丙戊酸需要通過p53腫瘤抑制蛋白調節細胞凋亡。SMAD蛋白是TGF-β通路下游受體，是重要調控分子之一，在調控干細胞活性和器官形成中發揮重要作用，當TGF-β信號通路各成員活性未激活時，體內會自發性發生多種癌癥。丁酸可以呈時間依賴性地上調SMAD3 mRNA的表達〔21,35,36〕，48 h時表達量最大；此外，丁酸鈉對SMAD3蛋白表達在24 h內呈劑量依賴性，中等劑量(2.5和5.0 mmol/L)時效應最大〔37〕。

2.3其他 此外，SCFAs拮抗CRC的發生，也可通過調控炎癥，抑制炎癥相關癌變進展。研究表明約40%的CRC腫瘤組織中核因子(NF)-κB已處于激活狀態〔38〕，丁酸可以抑制促炎信號通路NF-κB，同時誘導調節性T細胞分化和抗炎IL-10細胞表達，促進腫瘤細胞凋亡〔39,40〕。

SCFAs可通過維持腸上皮完整性，降低CRC發生。偶氮甲烷(AOM)和葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的結腸炎相關性CRC動物模型中，在飲水中加入67.5 mmol/L 乙酸,25.9 mmol/L 丙酸和40 mmol/L丁酸，發現SCFAs混合用水可以有效維持腸絨毛高度、寬度、隱窩深度及黏膜厚度,增加腸黏膜細胞增殖能力，減輕腸黏膜萎縮，維護腸黏膜形態，維持腸上皮完整性，顯著降低腫瘤發生率和腫瘤大小，并且抑制IL-6、TNF-α、IL-17等促炎細胞因子〔41〕。 這是因為SCFAs是腸黏膜營養物質之一,為腸上皮提供60%～70%能量,促進增生從而修復腸黏膜。 實驗證實無菌鼠腸道細胞明顯能量供應不足,甚至出現自噬現象,破壞腸道上皮的完整性,但對小鼠飼喂含丁酸的食物后,腸道上皮細胞的形態和結構恢復正常〔42〕。SCFAs還可以促進腸細胞分泌腸上皮特異性生長因子胰高血糖素樣肽(GLP)-1,進而促進腸黏膜的生長及修復腸上皮損傷,提高腸黏膜屏障功能〔43〕。黏液屏障是腸腔抵御攻擊的第一道屏障，黏液屏障主要由黏蛋白多聚糖組成，黏蛋白由MUC基因編碼合成。有研究表明當丁酸濃度為9 mmol/L時，可促進黏液分泌，在轉錄水平提高結腸杯狀細胞黏蛋白的分泌量，增強黏液屏障功能〔44〕。

SCFAs發揮不同的拮抗腫瘤作用還與腸道內的pH值水平有關。Lan等〔45〕研究膳食纖維在結腸內酵解的產物SCFAs(丙酸和乙酸)所營造的不同酸性(pH5.5～7.5)環境發現,pH為6.0～7.5時SCFAs可觸發HT-29腺癌細胞凋亡,pH為7.5時SCFAs誘導癌細胞處于細胞周期G2/M期,細胞隨之凋亡;pH為5.5時SCFAs使癌細胞線粒體除極化、內膜通透性增加、ATP迅速耗竭、活性氧(ROS)聚集增多,從而導致細胞死亡。

綜上，SCFAs對CRC的發生、發展有著重要影響，具有很高的臨床研究價值。隨著分子研究技術的不斷發展，SCFAs對CRC的具體機制會逐步闡明，為CRC的防治開辟新方向。