腸道菌群發(fā)揮廣泛調(diào)控作用的“重要武器”

——短鏈脂肪酸

    越來越多的證據(jù)表明腸道微生物群是宿主健康和腸道穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素。這是通過釋放短鏈脂肪酸（Short chain fatty acids, SCFAs）來實(shí)現(xiàn)，SCFAs是特定結(jié)腸厭氧菌發(fā)酵膳食纖維和抗性淀粉后產(chǎn)生的主要細(xì)菌代謝產(chǎn)物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。

    SCFAs的形成是飲食與腸道菌群在腸腔環(huán)境中復(fù)雜相互作用的結(jié)果(Morrison et al, 2016)。SCFAs是介導(dǎo)飲食、腸道微生物群和宿主之間相互作用的信號(hào)分子，在機(jī)體的免疫、代謝和內(nèi)分泌等方面有重要作用(Boets et al, 2016)。

01

    SCFAs可以通過機(jī)體內(nèi)肝臟代謝產(chǎn)生，但其主要生成部位是結(jié)腸，健康機(jī)體中SCFA濃度最高的部位是近端結(jié)腸(Tan et al, 2014)。SCFAs的產(chǎn)生是大腸腸腔內(nèi)發(fā)生的發(fā)酵反應(yīng)，產(chǎn)生SCFAs的菌主要包括厭氧類桿菌、雙歧桿菌、真細(xì)菌、鏈球菌和乳酸桿菌(Layden et al, 2013)(見表1)，發(fā)酵的底物是不可消化糖，包括不可消化多糖(NSP)和抗性淀粉(RS)。此外，支鏈氨基酸纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸分解代謝過程中可以產(chǎn)生少量異丁酸和異戊酸，乳酸或乙醇等微生物群中的發(fā)酵中間產(chǎn)物也可以代謝為SCFAs(Macfarlane et al, 2003)。

    研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠腸道的總SCFAs濃度大約為常規(guī)小鼠的1/100，丁酸濃度甚至相差了5000倍(Torgeir et al, 1986)。正常機(jī)體結(jié)腸中乙酸、丙酸和丁酸的摩爾比為60:25:15 (Tazoe et al, 2008)，比例會(huì)隨著機(jī)體健康狀況和營養(yǎng)水平不同。腸道微生物產(chǎn)生SCFAs的主要途徑是糖酵解途徑(趙懷寶等，2016)。乙酸是機(jī)體濃度最高的SCFAs，是碳水化合物和脂肪代謝途徑的中心，Miller等用放射性同位素分析表明，細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的主要途徑是Wood–Ljungdahl通路；丙酸是奇鏈脂肪酸代謝的中心代謝物，通常由二氧化碳的固定途徑生成；丁酸是多個(gè)專性厭氧菌縮合乙?；o酶A形成的(Miller et al,1996)。

    除了腸道發(fā)酵外，細(xì)胞代謝，特別是脂肪酸氧化也可以產(chǎn)生SCFAs。腸內(nèi)生成的SCFAs被稱為SCFAs的外源性生成，而細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生的SCFAs則被稱為內(nèi)源性生成(Pouteau et al,2003)。

02

    大多數(shù)SCFAs是在腸道產(chǎn)生和利用的，如果不被結(jié)腸細(xì)胞代謝，SCFAs就會(huì)通過肝臟和門靜脈系統(tǒng)從腸道釋放出來。SCFAs產(chǎn)生以后迅速被盲腸和結(jié)腸吸收，只有5-10%通過糞便排出。SCFAs的攝取與水的運(yùn)輸有關(guān)，在遠(yuǎn)端比近端高，一旦被吸收，它們主要在三個(gè)部位代謝：

a) 腸上皮細(xì)胞以丁酸為主要底物產(chǎn)生能量；

b) 肝細(xì)胞攝取SCFAs以促進(jìn)糖異生，50-70%的乙酸在肝臟被吸收；

c) 剩余乙酸用于肌細(xì)胞氧化產(chǎn)生能量。

    腸道有少量SCFAs以結(jié)合形式存在，可以直接穿過上皮屏障。但大多數(shù)以離子狀態(tài)存在，需要專門的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白才能吸收。SCFAs穿過腸上皮粘膜涉及由兩個(gè)受體介導(dǎo)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)：單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（MCT-1）和鈉偶聯(lián)的單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（SMCT-1）受體。MCT-1和SMCT-1均在結(jié)腸細(xì)胞以及整個(gè)胃腸道（包括小腸和盲腸）上高度表達(dá)(Iwanaga et al, 2006)。此外，MCT-1在淋巴細(xì)胞上也高度表達(dá)，SMCT-1在腎臟和甲狀腺上表達(dá)。SMCT-1與SCFAs結(jié)合的親和力丁酸＞丙酸＞乙酸(Halestrap et al,2012)。

    SCFAs調(diào)節(jié)宿主生物反應(yīng)的能力取決于兩種主要機(jī)制。第一種是直接抑制組蛋白脫乙?；窰DACs調(diào)節(jié)基因表達(dá)。第二種是通過G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）傳遞信號(hào)。由SCFAs激活的主要GPCR是GPR41、GPR43和GPR109A。

03

    SCFAs可以調(diào)節(jié)多個(gè)系統(tǒng)的功能，如腸道、神經(jīng)、內(nèi)分泌和血液系統(tǒng)。大量的證據(jù)表明SCFAs在在維持腸道健康、預(yù)防和改善包括癌癥在內(nèi)的多種非傳染性疾病方面發(fā)揮了重要作用(Raman et al, 2016 ) (圖1)。

3.1 提供能量和調(diào)節(jié)電解質(zhì)

    細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸是宿主能量的重要來源，提供人體日總能量的約10%；丙酸經(jīng)血液吸收后在肝臟中分解代謝，參與丙酮酸逆轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程，同時(shí)可能抑制脂肪的合成；丁酸主要被上皮細(xì)胞利用, 是上皮細(xì)胞的主要能量來源。

    丁酸是促進(jìn)結(jié)腸健康和完整性的關(guān)鍵物質(zhì)，是大腸菌群主要的代謝底物，為其增殖和分化提供至少60-70%的能量需求(Suzuki et al, 2008)。因此，缺乏SCFAs的無菌小鼠的結(jié)腸腺細(xì)胞高度缺乏能量，表現(xiàn)為線粒體中參與脂肪酸代謝的關(guān)鍵酶的表達(dá)降低 (Tazoe et al, 2008)。無菌小鼠的結(jié)腸細(xì)胞中添加丁酸可以使這一缺陷正?；?Donohoe et al, 2011)。

    腸道內(nèi)的SCFAs除了作為結(jié)腸細(xì)胞的主要能量來源外，還具有指示結(jié)腸運(yùn)動(dòng)、結(jié)腸血流、胃腸道pH值等多種生理功能，可影響電解質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的攝取和吸收(Tazoe et al, 2008)。SCFAs 還可促進(jìn)腸道對(duì)Na+、水的吸收，抑制Cl-的分泌，參與腸道水電解質(zhì)調(diào)節(jié)，維持機(jī)體水電解質(zhì)平衡，減少腸道電解質(zhì)相關(guān)的腹瀉(蒙丹麗等，2018)。

3.2 抗炎和抗腫瘤作用

    SCFAs通過調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞趨化性、活性氧（ROS）釋放以及細(xì)胞因子釋放而具有抗炎功能(Sun M et al, 2016)。研究表明，SCFAs可調(diào)節(jié)腸道Treg細(xì)胞的數(shù)量和功能發(fā)揮抗炎作用(Smith et al, 2013)。丁酸通過抑制人單核細(xì)胞IL-12和上調(diào)IL-10的產(chǎn)生而發(fā)揮抗炎作用。SCFAs可以抑制巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子。乙酸通過激活GPR43促進(jìn)小鼠中性粒細(xì)胞釋放ROS(Maslowski et al，2009)。臨床研究證明丁酸鹽在炎癥部位具有直接抗炎作用(Morrison et al, 2016)。

    丁酸與人類多種腫瘤細(xì)胞系的抗癌活性有關(guān)，丁酸激活人結(jié)腸癌細(xì)胞上的GPR109A與細(xì)胞凋亡有關(guān)，通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡直接抑制結(jié)腸癌的生長，也可能通過增加MCT-1表達(dá)并隨后增加丁酸向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移而間接起作用。丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SMCT-1在結(jié)腸癌細(xì)胞中下調(diào)，說明其表達(dá)對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞的抗腫瘤功能至關(guān)重要。

    即使SCFAs對(duì)癌癥抵抗的機(jī)制還不完全清楚，但人們普遍認(rèn)為攝入纖維可以降低癌癥的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是結(jié)直腸癌。分析表明，谷類食物的攝入可以降低結(jié)直腸癌的風(fēng)險(xiǎn)(Aune et al，2011)。

3.3 提高腸上皮屏障功能

    腸粘膜屏障具備良好的完整性與適當(dāng)?shù)耐ㄍ感允悄c道健康的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。腸道屏障損傷導(dǎo)致的腸漏現(xiàn)象被證實(shí)與糖尿病、肥胖、炎癥性腸病和哮喘等疾病有關(guān)，而腸道通透性與 SCFAs的含量相關(guān)。

SCFAs作為腸上皮細(xì)胞的主要能量來源，可促進(jìn)上皮細(xì)胞增殖和分化，減少細(xì)胞凋亡，維持腸黏膜機(jī)械屏障 (蒙丹麗等, 2018)；還可以促進(jìn)黏蛋白的分泌，潤滑腸道，減少致病菌在腸道黏膜上的黏附；此外，SCFAs可增加腸道跨上皮電阻，減少腸粘膜通透性，增強(qiáng)腸道的化學(xué)屏障功能(張惠華等, 2019)。給仔豬灌胃高濃度SCFAs，可通過改善腸道形態(tài)、減少細(xì)胞凋亡、維持腸屏障功能等途徑促進(jìn)仔豬腸道發(fā)育(Diao et al, 2019; Kotunia et al, 2004)。

3.4 SCFAs的抗菌活性

    中、短鏈脂肪酸等游離脂肪酸具有廣譜的抗菌活性。丙酸常作為抗菌添加劑用于食品，丁酸添加到飼料中降低了禽類的沙門氏菌感染(Fernandez et al, 2009)。

    SCFAs是腸道內(nèi)的主要陰離子，可降低腸道內(nèi)的pH值，促進(jìn)腸道內(nèi)益生菌的生長和增殖，抑制特定病原菌的繁殖。此外，丙酸和乙酸還可以通過促進(jìn)宿主抗菌肽的釋放發(fā)揮抗菌作用(Fukuda et al, 2012)。

3.5 刺激激素分泌

    SCFAs能刺激大鼠和小鼠釋放類胰高血糖素樣肽1(GLP-1)和酪酪肽(PYY) (Psichas et al, 2015)。

GLP-1可以促進(jìn)機(jī)體分泌胰島素并增強(qiáng)機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性，可抑制胃排空，減少腸蠕動(dòng)；PYY可以調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)減緩胃排空, 提升飽腹感, 減少機(jī)體攝入食物。SCFAs通過促進(jìn)腸上皮腺細(xì)胞PYY和GLP-1的合成和分泌抑制食欲和能量攝入(Delzenne et al, 2005; Chambers et al, 2014; Byrne et al, 2015)。脂肪細(xì)胞上的GPR43與SCFAs結(jié)合后促使細(xì)胞分泌瘦素, 瘦素使機(jī)體攝食減少, 能量釋放增加, 脂肪細(xì)胞合成減弱(王璐璇等，2017)。

    此外，SCFAs可調(diào)節(jié)性激素的分泌，實(shí)驗(yàn)表明SCFAs通過GPR41和GPR43介導(dǎo)的cAMP-PKA通路影響豬卵巢顆粒細(xì)胞的孕酮和雌二醇的合成與分泌(李夢(mèng)嬌, 2015)。

3.6 其他功能

    SCFAs還在機(jī)體許多其他組織發(fā)揮重要功能。

    調(diào)控血壓：研究表明，腸道微生物調(diào)控血壓的機(jī)制之一是通過SCFAs發(fā)揮作用。SCFAs在血壓調(diào)節(jié)中的作用涉及兩個(gè)受體：GPR41和Olfr78。這兩個(gè)受體在血壓調(diào)節(jié)中呈現(xiàn)相反的作用：Olfr78敲除的小鼠為低血壓，而GPR41敲除的小鼠為高血壓(Pluznick, 2017)。

    對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用：SCFAs可以降低機(jī)體壓力和焦慮樣行為(Marcel et al, 2018)。

    促進(jìn)骨骼生長：SCFAs誘導(dǎo)激素胰島素樣生長因子1（IGF-1），促進(jìn)骨骼生長和重塑(Yan et al, 2016)；補(bǔ)充乙酸可誘導(dǎo)腓腸肌糖原儲(chǔ)存，減少糖酵解，表明SCFAs可增強(qiáng)骨骼肌糖原的充盈(Hu et al, 2016)。

04

4.1 腸道疾病

    炎癥性腸病(IBD)是一種與腸道微生物失調(diào)緊密相關(guān)的疾病，包括克羅恩病(UC)和潰瘍性結(jié)腸炎(CD)。IBD患者在腸粘膜和糞便中產(chǎn)SCFAs的菌顯著降低，SCFAs的實(shí)際水平也低于健康對(duì)照組。使用益生元或益生菌對(duì)IBD患者腸道微生物群進(jìn)行調(diào)節(jié)可以有效緩解癥狀(Daniela et al, 2019)。

    結(jié)直腸癌(CRC)發(fā)病與腸道菌群結(jié)構(gòu)變化和SCFAs的減少有關(guān)(Wang et al,2019)。CRC細(xì)胞對(duì)SCFAs的敏感性比正常結(jié)腸上皮細(xì)胞高，表明SCFAs在細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起重要作用。SCFAs誘導(dǎo)的正常細(xì)胞和癌細(xì)胞生長代謝差異可被用來抑制CRC中的腫瘤生長。因此，靶向調(diào)節(jié)SCFAs的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)細(xì)菌生態(tài)，激活有效的抗癌作用，這可能是CRC未來有效的治療方法。

4.2 代謝相關(guān)疾病

    SCFAs在能量代謝中的重要性突出了其作為預(yù)防和對(duì)抗代謝紊亂及其相關(guān)疾?。ㄈ绶逝趾廷蛐吞悄虿。┑臓I養(yǎng)靶點(diǎn)的潛力。

    肥胖患者糞便中SCFAs總量較體質(zhì)量正常者高且各種SCFAs比例改變，研究顯示超重人群長期服用丙酸鹽后體質(zhì)量減輕，脂肪堆積減少。除了前述的調(diào)節(jié)激素分泌抑制食欲和能量攝入，SCFAs與GPR43結(jié)合還可使脂肪細(xì)胞凋亡, 降低脂肪堆積。

    除了對(duì)體重和脂肪的預(yù)防作用外，SCFAs還可以減輕胰島素抵抗作用。實(shí)驗(yàn)表明，小鼠丁酸處理后可降低空腹血糖和胰島素水平，并提高胰島素敏感性，其作用是通過抑制HDACs介導(dǎo)的(Sean et al, 2017)。

4.3 精神疾病

    近些年來對(duì)精神疾病的研究表明，微生物群具有調(diào)節(jié)情緒行為的能力，腦-腸-微生物軸(Brain-Gut-Microbiome Axis, BGM)表明對(duì)微生物及其代謝產(chǎn)物的調(diào)控可以有效改善和預(yù)防精神疾病(Martin et al, 2018)。

    腸道內(nèi)游離的SCFAs可以通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白穿過血腦屏障，這使得SCFAs可以作為信號(hào)分子將腸道狀態(tài)傳遞給大腦(Hu et al, 2016)。研究表明，小鼠補(bǔ)充丁酸可以促進(jìn)腦內(nèi)海馬神經(jīng)的發(fā)生和延長(Kundu et al, 2019)，還可以緩解心理社會(huì)壓力引起的生理和行為改變(Marcel et al, 2018)。

    SCFAs直接或間接對(duì)阿爾茲海默癥、帕金森病以及自閉癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病起作用。目前SCFAs在帕金森和自閉癥中的作用還存在爭議：在帕金森病動(dòng)物模型中使用丁酸能改善運(yùn)動(dòng)損傷和多巴胺缺乏，但也有實(shí)驗(yàn)表明SCFAs可能加重帕金森病相關(guān)癥狀(Sampson et al, 2016)。在阿爾茨海默病小鼠模型中，丁酸給藥可恢復(fù)記憶功能并增加與關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)相關(guān)的基因表達(dá)。此外，丁酸可以緩解抑郁癥患者的癥狀；在躁狂癥動(dòng)物模型中，丁酸改善了動(dòng)物行為亢進(jìn)，逆轉(zhuǎn)了大鼠的抑郁和躁狂行為(Dalile et al, 2019)。

    SCFAs通過不同的機(jī)制參與精神疾病的發(fā)生、發(fā)展。因此，對(duì)SCFAs的調(diào)控可能作為精神疾病治療的新方向。

05