丁酸鹽在多發性硬化中的積極作用及其機制研究①

潘 頔 李 瑾 李 苗 郭威麗 楊 丹（哈爾濱醫科大學附屬第二醫院神經內科，哈爾濱 150081）

多發性硬化（multiple sclerosis，MS）是一種慢性免疫介導的中樞神經系統（central nervous system，CNS）疾病，淋巴細胞浸潤導致腦和脊髓脫髓鞘及軸突損傷［1］，學者通過實驗性自身免疫性腦脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）動物模型實驗得出具有促炎表型的髓鞘反應性T 細胞，T細胞根據其表面抗原識別受體（T cell receptor，TCR）所含肽鏈分為αβT 和γδT 細胞，后者能迅速識別TCR 信號和模式識別信號，被認為是一種固有免疫細胞，是固有免疫與適應性免疫應答的紐帶［2］。特別是1型（Th1）和17型（Th17）輔助性T細胞，進入CNS 后被重新激活進而引發組織損傷［3］。相反，調節性T 細胞（regulatory T cells，Tregs）如FOXP3+或Tr1細胞會抑制CNS炎癥［4］，這種不平衡的自我反應導致組織反復發生炎癥變化，致使MS 患者神經退行性病變和隨后的神經功能缺損［5］。

1 MS中的腸道微生物

既往研究分析60 例復發緩解MS（relapsing remitting MS，RRMS）患者和43例健康對照者的腸道微生物群，得出RRMS 患者的腸道微生物群中甲烷諾桿菌（Methanobrevibacter）和阿克曼菌（Akkermansia）增多，以及丁酸的生產者丁酸蓖麻單胞菌（Butyricimonas）減少［6］。此外，在體外T 細胞極化條件下，單獨培養的Akkermansia和醋酸鈣桿菌（Acinetobacter calcoaceticus）提取物促進了Th1 細胞分化，抑制了Tregs 分化［6］。另一項實驗得出，與健康雙胞胎的移植相比，MS雙胞胎的糞便微生物群移植入小鼠體內，誘發EAE 發病的概率更高，且脾臟CD4+T 細胞中IL-10 生成減少。這些結論均證實，腸道微生物群促進T細胞依賴性的CNS自身免疫。

2 短鏈脂肪酸參與免疫調節

短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）主要由膳食纖維或黏蛋白等糖基化宿主蛋白在結腸中發酵生成［7］。其中醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽是其主要成分。SCFAs 有多種方式參與調節腸道免疫系統，包括代謝整合、微生物群調節、抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）和激活G 蛋白偶聯受體（G-protein coupled receptors，GPCRs），可激活多個GPCRs，如游離脂肪酸受體2（fatty acid receptor 2，FFAR2）、FFAR3、GPR109A和嗅覺受體-78（Olfr78）［8］。SCFAs 可通過外周免疫系統調節腦功能，或直接作用于免疫細胞，間接減少大腦中的神經炎癥［9］。例如，SCFAs 可調節炎癥細胞因子（如TNF）的產生，直接影響中性粒細胞，并通過調節趨化因子（如CXCL1 和CXCL8）的產生作為中性粒細胞趨化劑［10］。乙酸鹽可轉化為乙酰輔酶A整合到細胞代謝中，從而促進mTOR 活化。這一過程反過來促進T 細胞分化為Th1、Th17 和IL-10+T 細胞［11］。此外，乙酸鹽或FFAR2-、FFAR3-特異性合成激動劑通過激活FFAR2和FFAR3在體外調節人類（而不是小鼠）單核細胞炎癥反應，導致p38 磷酸化增加，促炎細胞因子表達降低。

3 丁酸鹽與MS

3.1 丁酸具有抗炎能力及維護屏障功能 丁酸鹽是由碳水化合物經糖酵解產生，人體攝入膳食纖維的含量和組成可調節腸道和循環中的丁酸濃度［12］。SCFAs被腸黏膜有效吸收后，作為能量來源、基因表達調節器和被特定受體識別的信號分子對宿主生理產生重要影響［13］。丁酸鹽抑制單核細胞和樹突狀細胞（dendritic cells，DCs）成熟，降低其產生促炎細胞因子（如IL-12和TNF）的能力，將DCs暴露于丁酸鹽環境中可導致具有免疫抑制特性的吲哚胺2，3-雙加氧酶1（2，3-dioxygenase 1）和乙醛脫氫酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1A2）表達增加，并促進原始T 細胞轉化為FOXP3+Treg 而不是促炎性IFN-γ細胞。研究表明，在抗炎作用中，丁酸鹽能通過抑制HDAC1，誘導靜止和活化的CD4+和CD8+T細胞凋亡，從而消除一種炎癥源［14］。有研究證實，丁酸是單核細胞衍生的巨噬細胞分化因子，可增強細胞固有的抗菌功能，并證明丁酸鹽通過其抑制HDAC3的功能改變代謝，并誘導產生抗微生物肽，從而增強體內和體外的殺菌功能［15］。BACHEM 等［16］得出結論，丁酸鹽具有獨特的促進CD8+T細胞記憶作用，可通過采用丁酸鹽處理抗原激活的CD8+T 細胞，將其轉移到具有完整微生物群的正常飲食小鼠體內進行驗證［17］。

丁酸鹽和其他SCFAs 通過上調和重組緊密連接蛋白增強上皮屏障完整性，這一特征尤其重要，因為除非迷走神經受累，否則任何腸-微-腦相互作用都需要通過腸上皮和血腦屏障（blood brain barrier，BBB），現有研究表明微生物群落明顯影響腸上皮和BBB 的通透性［18-19］。已有研究證實，無菌小鼠BBB 通透性增加，SCFAs 產生菌的集落使BBB通透性恢復，且無菌小鼠腦內的小膠質細胞呈現不成熟的表型和分枝細胞形態，口服SCFAs 可恢復不成熟和畸形的小膠質細胞［20-21］。

3.2 丁酸鹽抑制脫髓鞘并促進髓鞘再生 長期以來，MS 一直被認為是由對髓鞘自身抗原（如髓鞘堿性蛋白）反應的CD4+T 細胞（主要是Th1 和Th17）介導的自身免疫性疾病［22］。在外周自身髓鞘抗原的作用下異常激活，破壞BBB，在CNS 內經抗原提呈細胞（antigen presenting cell，APC）進一步激活，分泌大量炎癥細胞因子攻擊髓鞘，進而導致神經元死亡和軸突變性，引起一系列神經癥狀［23］。研究證明丁酸鹽可抑制溶血磷脂酰膽堿誘導的脫髓鞘，并促進髓鞘再生，這與成熟少突膠質細胞的分化增強有關，并被認為是由丁酸作為HDACs 抑制劑所介導［24］。然而Tregs 可通過產生CCN3 參與少突膠質細胞分化，丁酸鹽抑制HDACs，誘導FOXP3+增強子區組蛋白H3 乙酰化，從而增強轉錄因子FOXP3+表達，FOXP3+是Tregs 的關鍵轉錄因子［14，25-26］。在髓鞘再形成方面，丁酸鹽促進成熟的少突細胞分化，而不增加少突膠質細胞的前體細胞數量［27］。丁酸和其他HDACs 抑制劑通過多種機制抑制少突膠質細胞的缺血性損傷［28］，WANG 等［29］報道，在創傷性腦損傷模型中，HDACs 抑制劑通過調節小膠質細胞極化防止白質損傷。并提示HDACs 抑制劑可減輕少突膠質細胞損傷，促進少突膠質細胞成熟［30］。

3.3 丁酸鹽改善MS PARK 等［31］發現長期活動性進行性MS 患者存在明顯的SCFAs 缺陷，活動期患者丁酸鹽含量僅為健康對照組的1/3［32］。髓鞘少突膠質細胞糖蛋白免疫誘導的EAE 是一種廣泛應用的MS 動物模型，動物實驗在誘導前分別給予小鼠高纖維（30%果膠）、低纖維（<0.3%）或對照飲食（5%纖維素），得出高纖維飲食小鼠的EAE 疾病嚴重程度最低［33］。對小鼠盲腸樣本進行GC-MS 分析，得出高纖維飲食組中乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽水平均提高。進一步分別用乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽進行誘導，得出丁酸鹽處理后降低疾病嚴重程度最高。同時測得丁酸鹽可抑制IFN-γ 產生，小鼠IL-17的產生也略有增強。小鼠脾臟和淋巴結中FOXP3+Treg 數量增加。DUSCHA 等［34］也提出補充丁酸鹽可導致MS 患者免疫細胞平衡的正性改變（Th1/Th17 減少，外周Treg 細胞增加，Treg 細胞恢復抑制功能）。這些結果表明，口服短鏈脂肪酸，尤其是丁酸可改善MS 程度［35］。SCFAs 受體的激活可誘發對跨越屏障微生物的有效急性反應［36］。研究表明，FFAR2 和FFAR3 缺陷型EAE 小鼠病程進展緩慢，FFAR2和FFAR3缺乏小鼠在抗腸道細菌感染的急性反應方面存在缺陷，這與EAE 反應減弱有相似之處［37］。

4 研究局限性及前景

綜上，以上研究的共同點是通過觀察糞便SCFAs 的定量進而進行實驗研究。然而，糞便中的SCFAs 提供了未被吸收的SCFAs 信息，不能反映原位生產速率、吸收以及與其他生物相關分子或細胞類型的相互作用［38］。這種缺乏理解的現象阻礙了對SCFAs 生物學功能的深入研究。我們的知識差距源于無法量化發酵期間的SCFAs，SCFAs 在內臟區域的廣泛吸收和代謝導致低血漿SCFAs 濃度，了解SCFAs 的全身可用性對于理解其生物學相關性及解讀全身SCFAs 在腸-腦交流的程度至關重要。總之，目前對腸道微生物群和SCFAs 的功能及其在自身免疫中作用的了解有限，需要更多臨床設計研究或實驗動物研究進一步探究腸道菌群及SCFAs對MS的影響機制。