短链脂肪酸调控肠道健康研究进展

林杨凡,林炫财,孔晶晶,白杨

【提要】 短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群与非消化性碳水化合物的主要代谢产物，参与了人类肠道稳态的调节和多种肠道疾病的发病机制，在维持肠道健康方面发挥重要作用。 本文主要回顾SCFAs调节肠道健康的机制，为SCFAs的应用提供理论依据。

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)，是指碳链中碳原子数小于6的有机脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸。在人体中，它是肠道菌群与膳食纤维发酵的主要最终产物，在食欲调节、糖脂代谢调节、维护肠道屏障、氧化应激、炎症及免疫系统稳态等方面起着重要作用[1-2]。目前，通过服用特定SCFAs高产益生菌来调节肠道菌群和促进肠道健康已逐渐成为一种常见治疗手段。

1 短链脂肪酸的产生

SCFAs主要是由肠道菌群在结肠中发酵产生，其在结肠腔中的分布浓度从近端(70～140 mmol/L)到远端(20～70 mmol/L)逐渐下降。在肠源性SCFAs中最常见的是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，它们在结肠中的摩尔比接近60：20：15[3]，但每种SCFA的量和相对比例会受到饮食、微生物群组成、发酵地点的pH值及局部氧浓度的影响[4]。

乙酸盐可以由大多数肠道细菌通过乙酰辅酶A途径或Wood-Ljungdahl途径从丙酮酸盐中产生。作为另一种主要的SCFA，丙酸盐在人类肝糖异生过程中作为底物之一(约50%)参与糖代谢进程。丙酸盐有三种合成途径，即可以通过丙烯酸酯途径、琥珀酸盐途径或丙二醇途径合成丙酸盐，主要由厚壁菌门及拟杆菌门细菌生产[5]。丁酸盐是结肠细胞的主要燃料来源(约70%)，肠道菌群产生的丁酸盐近90%在结肠细胞中局部代谢。丁酸盐生产菌多为革兰阳性厌氧菌，其中厚壁菌门严格厌氧的糖化菌梭状芽胞杆菌簇IV和XIVa占主导地位，通过丁酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶途径从乙酸盐产生。丁酸盐还可以通过磷酸转丁酰化酶和丁酸激酶途径从丁酰磷酸盐中产生[6]。

2 短链脂肪酸对肠道健康的调控

2.1 对食欲的调节作用

SCFAs可以通过内分泌系统介导食欲调节和能量摄入。多个研究提示，未吸收膳食纤维在结肠发酵过程中产生的SCFAs可能与肠道内分泌L细胞上的游离脂肪酸受体2(free fatty acid receptor 2，FFAR2)和游离脂肪酸受体3(free fatty acid receptor 3，FFAR3)以及脂肪细胞上的FFAR3相互作用来分别调节胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)、酪酪肽(peptide YY，PYY)和瘦素的产生，从而介导大脑产生饱腹感并减少食物摄入量[7]。尽管对动物的研究资料[8]表明增加结肠SCFAs可以提高血清GLP-1水平，降低生长激素释放肽分泌来减少食物摄入，但来自加拿大的一项研究[9]表明结肠内发酵的急剧增加不会影响GLP-1或PYY的分泌水平，但可能会减少生长激素释放肽的分泌，这可能与不同研究的实验设计(发酵纤维类型和剂量、测量的时间点及持续时间)相关。

SCFAs还可以直接通过外周自主神经和躯体神经系统神经元上表达的受体来调节神经元活动和内脏反射[10]，如丙酸盐通过FFAR3激活迷走神经纤维[11]，而慢性迷走神经刺激会导致食物摄入量和体重的下降[12]。

2.2 对糖脂代谢的调节作用

如上所述，SCFAs可以通过FFAR2和FFAR3增加PYY和GLP-1的表达，这些厌食激素参与了机体葡萄糖稳态的调节。PYY已被证明可以增加肌肉[13]和脂肪组织[14]中的葡萄糖摄取，而GLP-1会增加胰岛素的生成并抑制胰高血糖素活性[15]。此外，SCFAs可以通过激活肝AMPK信号通路降低糖异生途径中葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶的基因表达抑制血糖升高[16]。

SCFAs参与体内脂肪酸合成、脂肪酸氧化和脂肪分解的调节。在肌肉及棕色脂肪组织[17]中，SCFAs通过增加 AMP/ATP 比率直接磷酸化AMPK (pAMPK)，在白色脂肪组织中， SCFAs 通过FFAR2-瘦素途径[18]间接激活 AMPK (pAMPK)，pAMPK激活下游过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α[19]导致脂肪酸氧化被激活并减少了甘油三酯的产生。另外，SCFAs与FFAR2的结合可引发Gi/o蛋白的释放以及cAMP浓度的增加，进而增强蛋白激酶A的抑制和随后的激素敏感性甘油三酯脂肪酶抑制，最终导致脂肪分解减少和血浆游离脂肪酸减少[20]。

SCFAs已在啮齿动物[21]和人类[22]中被证明可以降低血浆胆固醇浓度。由于pAMPK可抑制3-羟-3-甲戊二酰辅酶A还原酶活性并降低分离大鼠肝细胞中的胆固醇水平[23]，因此SCFAs的降胆固醇作用可能与SCFAs对脂肪酸和葡萄糖代谢的影响一样。

2.3 肠道屏障的保护作用

单层肠上皮细胞之间通过紧密连接蛋白结合到一起，与表面的黏液层组成物理屏障作为宿主的第一道肠道免疫防御屏障。SCFAs可以通过协调紧密连接蛋白的表达来调节细胞旁通透性及肠细胞之间通道的溶质运输。SCFAs，特别是丁酸盐，能上调编码紧密连接蛋白的基因来增强肠道屏障[24]。有研究表明[25]丁酸盐可以通过pAMPK增强跨上皮电阻，促进紧密连接的组装，从而增强肠道屏障功能。丁酸盐也可以通过上调黏蛋白2的表达，增强黏液层对腔内病原体的抵抗[24]。SCFAs对肠道屏障功能的影响可能与浓度相关。丁酸盐在低浓度下可促进肠道屏障功能，但高浓度可能诱导细胞凋亡。在浓度为2 mM时，丁酸盐可显著改善人结肠细胞的上皮屏障功能，而较高浓度(8 mM)则无有益效果[26]。

参与肠道屏障功能的另一个重要过程是肠上皮细胞产生抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)。最近，丁酸盐已被证明可以诱导AMPs产生[24]，参与抵御病原体的第一道防线的组成。

SCFAs还可以通过促进胰高血糖素样肽-2(glucagon-like peptide 2，GLP-2)的分泌来增强肠道屏障[27]。GLP-2由肠内分泌L细胞产生的，它的产生受宿主营养状况的调节，增加宿主的营养吸收能力。GLP-2通过不同的机制维持肠道屏障功能[28]。首先，GLP-2已被证明可增加肠道重量和促进黏膜发育(如肠细胞体积增加，微绒毛和绒毛高度增加，隐窝深度增加)，从而产生肠道营养作用。其次，GLP-2增加肠道紧密连接蛋白claudin-3、claudin-7、ZO-1等的表达，降低肠道的细胞旁和跨细胞通透性来改善肠道的物理屏障，防止病原体及其毒素的通过。第三，GLP-2通过控制潘氏细胞产生的溶菌酶、α-防御素，和分泌型磷脂酶A2等AMPs的表达增强肠上皮生化屏障。

2.4 抗氧化作用

氧化应激起源于机体产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的不平衡。SCFAs防止活性氧和活性氮产生的功能可能是剂量依赖性的。在较低浓度(1mM)时，醋酸盐和丁酸盐减弱链脲佐菌素诱导的ROS和一氧化氮的过度产生，而较高浓度(>4mM)则增强细胞凋亡[29]。丁酸盐治疗通过以剂量依赖性方式抑制RNS的产生，显著改善了脊髓损伤的病理变化和运动功能障碍[30]。丙酸亦被发现通过刺激宫颈癌细胞中ROS的积累导致线粒体膜功能障碍[31]。来自临床研究的有限证据[32]也提示，结肠黏膜中的氧化应激可被SCFAs调节。

核因子-E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是一种机体内氧化还原敏感的转录因子，编码人体内数百种II期代谢酶和抗氧化酶。正常情况下，Nrf2被Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)在胞质中结合从而被泛素化，当机体产生ROS和RNS时，Nrf2会被激活从而启动内源性抗氧化防御机制[33]。丁酸盐[34]和丙酸盐[35]等SCFAs是Keap1-Nrf2细胞防御氧化应激损伤途径的激活剂。在Nrf2基因敲除鼠研究[36]中，丁酸盐通过P300介导的通过抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)激活Nrf2来介导保护内皮功能障碍。最近的细胞实验表明[34]，丁酸盐还通过GPR109A介导的AMPK磷酸化来调节H3K9/14的乙酰化以促进Nrf2的积累。

动物研究表明， Nrf2敲除可影响SOD、GPx和CAT的mRNA表达和酶活性，导致组织中过量的ROS和超氧自由基积累[37]。而丁酸盐治疗已被证明增强抗氧化基因SOD1、SOD2、Gpx2及过氧化氢酶等基因的mRNA表达，提高SOD及过氧化物酶的酶活性，以减轻BPA诱导的肝脏氧化损伤[38]。以上证据提示，SCFAs的抗氧化应激功能可能是通过减少机体内氧化剂产生，调节Keap1-Nrf2信号通路的下游抗氧化基因表达和酶活性而实现的。

2.5 对免疫系统与炎症的调节

免疫系统通过分泌炎症细胞因子来保护宿主免受病原体的侵害，然而细胞因子的过度产生会导致全身炎症和疾病。细胞中两种主要的炎症相关信号通路，NF-κB和MAPK通路，在Toll样受体激活后被激活。NF-κB属于一个核转录因子家族，包括p50、p52、REL、REL-a和REL-B等[39]。MAPK有三种下游途径，分别是ERK、JNK、P38 MAPK[40]。

SCFAs对先天性免疫系统的影响体现在对先天免疫系统细胞的调节上。SCFAs通过与FFAR2/3结合，下调中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞中的HDAC和NF-κB[41]，通过一系列转录因子的调控，最终实现缺氧诱导因子稳定化、肠屏障完整性增加和炎症介质的下调[42]。研究表明[43]，SCFAs通过激活中性粒细胞和巨噬细胞上的FFAR2和FFAR3，在气道炎症期间减少了气道中白介素-8的产生。丁酸盐和丙酸盐能够降低脂多糖诱导的在单核细胞中肿瘤坏死因子-α和一氧化氮合酶的表达[44]。SCFAs还可能影响树突状细胞(dendritic cell，DC)的分化和功能。在体外研究中[45]，丁酸盐在与不同的炎症诱导剂孵育时可以抑制DC的成熟, 使其呈现较低的刺激T细胞的能力。

SCFAs能够对T淋巴细胞和B淋巴细胞产生影响来调节适应性免疫系统。对于T淋巴细胞，SCFAs通过抑制HDAC诱导T细胞向调节性T细胞分化[46]，或是通过HDAC抑制和mTOR活化共同影响辅助性T细胞1和辅助性T细胞17的极化和活化[47]及促进细胞毒性T细胞中干扰素-γ表达[48]。在B淋巴细胞中，SCFAs通过DC中的mTOR途径发出信号间接促进B细胞免疫球蛋白A的产生[49]。

尽管大多数研究显示SCFAs具有抑制炎症功效，但有研究已经发现，SCFAs也存在促炎作用。在健康大鼠中，SCFAs增加中性粒细胞向炎症部位的迁移，从而加剧皮肤气囊中的炎症[50]。醋酸盐通过激活细胞外信号调节ERK1/2和p38/MAPK信号通路，增加了细胞因子(如白介素-6、趋化因子(C-X-C基序)配体1和趋化因子(C-X-C基序)配体2)的产生，介导组织炎症生成[51]。然而，SCFAs活性相对于促炎介质的分子机制尚未完全确定。

3 SCFAs与肠道疾病的相关研究

根据上述研究，SCFAs可以调节能量代谢、维护肠黏膜屏障完整、调控肠道动力和免疫应答，这使得它与肠道功能性疾病、炎症性疾病及结直肠肿瘤密切相关。

3.1 SCFAs与肠易激综合征

在肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)患者的肠道粘膜中，肠嗜铬细胞计数和5-羟色胺(5-ydroxytryptamine，5-HT)浓度高于健康对照组，这与IBS患者的内脏疼痛和超敏反应的程度呈正相关[52]。在IBS动物模型中[53]，丁酸钠治疗可以通过抑制IRAKI的表达来缓解内脏超敏反应。临床试验发现，相关的SCFAs产品如丁酸钠同样减轻了IBS患者的内脏疼痛[54]。

但也有研究表明，SCFAs可作用于小鼠肠干细胞模型进而调节5-HT的合成和分泌，促进5-HT的释放，诱导肠道蠕动反射增强，加快肠道传输速度。这可能与SCFAs的浓度相关[55]。最近一项关于IBS患者的Meta分析发现[56]，腹泻型IBS患者的血清5-HT水平增加。然而，腹泻型IBS患者和健康患者之间粪便的SCFAs没有显着改变，作者考虑导致该结果原因与IBS亚型相关。

3.2 SCFAs与炎症性肠病

肠道微生物群的生态失衡已在炎症性肠病 (inflammatory bowel disease，IBD)中被证实[57]，肠道菌群衍生物介导的肠屏障损伤导致了肠道通透性增加，参与了炎症性肠病的发生发展过程[58]。出于抗氧化、抗炎及屏障保护特性，提高肠道SCFAs的水平已被建议作为IBD患者的一种极具潜力的治疗方法。提高肠道SCFAs的水平有多个渠道。其一，摄入膳食纤维(dietary fibre，DF)。但单独进行DF干预并不太可能有效维持IBD缓解[59]。其二，摄入益生菌。多种益生菌在溃疡性结肠炎(ulcer colitis，UC)中取得了较好的临床效果，与之相反的是益生菌疗法在克罗恩病(Crohn’s disease，CD)患者中反应平平[60]。但当补充丁酸盐产生菌时，CD病患者的粪便中丁酸盐含量升高，肠道屏障功能明显增强[61]。其三，直接补充SCFAs。口服丁酸盐能有效缓解CD患者的临床和组织学表现[62]，但直肠丁酸盐灌肠对UC患者的炎症和氧化应激参数仅显示出轻微影响[63]。

3.3 SCFAs与结直肠癌

结直肠癌(colorectal cancer，CRC)的发生与遗传因素、环境暴露和肠道微生物群息息相关。微生物组及其衍生物SCFAs的变化已经在CRC中被证实[64]，粪便FIT-DNA检测作为推荐的结直肠癌筛查路径被首次纳入2021版中国临床肿瘤学会结直肠癌诊疗指南。SCFAs主要通过与G蛋白偶联受体(FFAR2和GPR109A)结合发挥抗癌作用[65]。在与FFAR2结合后，SCFAs通过调节细胞周期和促进细胞凋亡发挥抗癌特性。首先FFAR2的的激动会降低细胞周期蛋白依赖性激酶1、细胞周期蛋白依赖性激酶2、细胞周期蛋白D3和增殖细胞核抗原的表达，以不依赖p53的方式增加p21的表达，从而导致G0/G1细胞周期停滞。 其次，增加胱天蛋白酶3/6/7/8的切割，降低抗凋亡基因Bcl-2和Bfl-1的表达，并抑制Wnt信号通路传导，促进细胞凋亡。丁酸盐为GPR109A的激动剂,可降低了细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白B1和细胞周期蛋白依赖性激酶1的表达，减少了细胞分裂；同时增加促凋亡基因FAS-L、FADD和TNF-R1的表达，并促进胱天蛋白酶3/8/9切割，促进细胞凋亡。

与正常结肠细胞的代谢特性不同，CRC细胞依靠葡萄糖作为其首选的能量来源(Warburg效应)，这使得丁酸盐积聚在CRC细胞核中，并作为HDAC抑制剂抑制细胞增殖并诱导细胞凋亡[66]。此外，因多种促炎信号通路参与炎症向CRC的转化[67]，因此SCFAs作为HDAC抑制剂在抗炎的同时也也发挥了抗癌的作用。

近来，早发性结直肠癌(early-onset colorectal cancer，EOCRC)受到了更多的关注。其中肠道生态失调和肠道屏障功能障碍被认为在结直肠癌年轻化中起到了重要作用[68]。尽管丁酸盐已被证明通过细胞代谢，微生物群稳态，免疫调节和表观遗传调节在抗肿瘤中发挥作用[69]，丁酸盐减少与EOCRC之间的相关性尚未确定。

4 结论与展望

综上所述，SCFAs作为关键的肠道微生物代谢物，它不仅在维持肠道生理功能中起着关键作用，而且它对一系列肠道疾病也具有潜在的治疗意义。虽然目前的研究已经揭示了一部分参与SCFAs功能的分子和途径，但其中对于人类的系统研究仍然缺乏。某些研究显示SCFAs会发挥完全不同的作用，这可能与不同研究中使用的不同的SCFA浓度和暴露时间、不同的益生菌干预方案相关。此外，目前的大多数研究都集中在单一的SCFA的功效上，并没有考虑不同SCFAs之间，或是SCFAs与益生菌、益生元之间的协同效应。