陳文軒 張 哲 孫亞星 劉 霞 王斌斌 馮百歲 （鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，鄭州 450014）

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）是一類慢性、復(fù)發(fā)性、非特異性腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）和克羅恩?。–rohn's disease，CD），其確切病因和發(fā)病機(jī)制至今不明，目前考慮其與腸道菌群改變導(dǎo)致腸黏膜異常、遺傳、環(huán)境等多因素相互作用相關(guān)。腸道菌群（gut flora，GF）在調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和IBD發(fā)病機(jī)制方面的作用已被廣泛證實(shí)，不僅能夠通過影響Th17/Treg平衡進(jìn)而影響宿主腸道免疫功能，還能夠通過分泌代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acids， SCFAs）、色氨酸等，影響腸上皮細(xì)胞能量代謝及黏膜屏障［1-3］。作用機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs可通過調(diào)節(jié)腸道免疫細(xì)胞功能、調(diào)控細(xì)胞因子釋放、為腸道上皮細(xì)胞提供能量、維持腸道黏膜屏障功能等維持腸道穩(wěn)態(tài)，本文就SCFAs在IBD中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 SCFAs概述

SCFAs是一類脂肪尾部由1～6個碳組成的羧酸，如甲酸（C1）、乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）、戊酸（C5）、己酸（C6）等，腸道總濃度為0.5～0.6 mol/L，其中乙酸、丙酸和丁酸是腸道中最豐富的SCFAs（≥95%），摩爾比約為3∶1∶1，由盲腸和結(jié)腸內(nèi)厭氧菌發(fā)酵不易被消化的膳食纖維（dietary fiber，DF）產(chǎn)生，是一類影響宿主免疫和能量狀態(tài)的細(xì)菌代謝物［4-6］。不易被消化的DF包括抗性淀粉、菊粉、燕麥麩、麥麩、纖維素、瓜爾膠和果膠［7］；厭氧菌擬桿菌門主要產(chǎn)生乙酸和丙酸，而厚壁菌門主要產(chǎn)生丁酸［8］。SCFAs主要通過被動擴(kuò)散、與碳酸氫交換、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1，由SLC16A1編碼）和鈉偶聯(lián)的一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（sodium coupled monocarboxylate transporter 1，SMCT1，由SLC5A8編碼）4種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制被腸上皮細(xì)胞吸收，由腸系膜上靜脈和腸系膜下靜脈進(jìn)入門靜脈。肝臟中，乙酸和丁酸是合成膽固醇和長鏈脂肪酸的底物，丙酸通過三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）轉(zhuǎn)化為葡萄糖［9-10］。此外，SCFAs也可直接通過下腔靜脈進(jìn)入體循環(huán)，對消化系統(tǒng)以外的組織/器官，如肺、腎臟和大腦等發(fā)揮重要作用［11-13］。

2 SCFAs介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)

SCFAs主要通過G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors，GPCRs）激活途徑和組蛋白脫乙?；福╤istone deacetylases，HDACs）抑制途徑兩條信號通路調(diào)節(jié)腸道、神經(jīng)、內(nèi)分泌、血液等不同系統(tǒng)功能，是調(diào)節(jié)代謝紊亂、調(diào)控機(jī)體免疫、維持腸道黏膜屏障穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素［14］。

2.1 GPCRs激活途徑 GPCRs也稱游離脂肪酸受體（free fatty acid receptors，F(xiàn)FARs），在結(jié)構(gòu)上為單體蛋白，氨基端位于細(xì)胞膜外表面，羧基端位于細(xì)胞內(nèi)側(cè)，其肽鏈反復(fù)跨膜7次，在膜外側(cè)和膜內(nèi)側(cè)形成幾個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成細(xì)胞外環(huán)和細(xì)胞內(nèi)環(huán)，分別接受細(xì)胞外刺激和調(diào)控細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)。已發(fā)現(xiàn)的GPCRs有GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）、GPR109受體，在多種細(xì)胞上均有表達(dá)［15］。SCFAs通過激活GPCRs進(jìn)一步激活異源三聚體的Gα亞基（主要負(fù)責(zé)與GPCRs受體結(jié)合）從Gβγ亞基分離，通過Gα亞基（主要包括Gαi/o和Gαq/11）調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種信號傳導(dǎo)［16］。通過激活Gαi/o抑制腺苷酸環(huán)化酶（adenyl cyclase，AC）活性，從而導(dǎo)致環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）生成減少；通過激活Gαq/11激活磷脂酶C（phospholipase，PLC）促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的肌醇三磷酸（inositol triphosphate-3，IP3）受體激活，并導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+；Gβγ亞基 也可觸發(fā)各種下游信號通路（如AC、IP3）及激活ERK/Atf2、Stat3、Stat5和mTOR等關(guān)鍵信號分子［17-18］。β-arrestin2（β-Arr2）作為一種支架蛋白，是G蛋白信號的負(fù)調(diào)控因子，通過G蛋白脫敏GPCR信號誘導(dǎo)GPCRs內(nèi)吞［19］。

2.2 HDACs抑制途徑 HDACs是一種參與修飾染色體結(jié)構(gòu)和調(diào)控基因表達(dá)的蛋白，水解蛋白質(zhì)底物賴氨酸殘基上的N-乙?；绕涫侨旧|(zhì)核小體復(fù)合體組蛋白中乙?；膫?cè)鏈賴氨酸，抑制組蛋白乙?；?，抑制核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)開放，沉默DNA［20］。作為基因激活調(diào)控的一部分，組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferases，HATs，HDACs抑制劑）乙?；M蛋白可增強(qiáng)染色質(zhì)可及性，促進(jìn)核易位和轉(zhuǎn)錄因子如STAT3、NF-κB、FoxP3、N-FAT和RUNX1與DNA結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)，而HDACs則逆轉(zhuǎn)這一過程［21］。正常情況下，二者平衡存在，引起DNA表達(dá)多樣性，在細(xì)胞和系統(tǒng)水平產(chǎn)生多方面影響；二者失衡可能導(dǎo)致NF-κB和AP-1調(diào)控的促炎反應(yīng)基因持續(xù)轉(zhuǎn)錄，形成慢性炎癥循環(huán)。研究表明，丁酸（10 mmol/L）、丙酸（10 mmol/L）以及HDACs抑制劑TSA（2 μmol/L）在相同條件下處理HDACs，測定HDACs活性發(fā)現(xiàn)，TSA組活性降低至原始活性的1%以下，而丙酸組與丁酸組活性分別為10%和30%，說明SCFAs與TSA一樣對HDAC活性有抑制作用［22］。

3 SCFAs與腸道免疫細(xì)胞

SCFAs可通過調(diào)節(jié)幾乎所有類型免疫細(xì)胞功能調(diào)節(jié)腸道黏膜免疫。固有淋巴細(xì)胞（intrinsic lymphocytes，ILCs）是分布于黏膜的異質(zhì)性淋巴細(xì)胞，接受局部微環(huán)境細(xì)胞因子信號后，通過分泌細(xì)胞因子及其他遞質(zhì)發(fā)揮免疫監(jiān)視和免疫調(diào)節(jié)作用［23］。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs通過激活GPR43進(jìn)一步促進(jìn)ILCs成熟及功能恢復(fù)［24］。GPR43在中性粒細(xì)胞中高表達(dá)，SCFAs通過激活GPR43進(jìn)而抑制中性粒細(xì)胞向炎癥部位募集［25］。SCFAs可通過抑制HDAC活性抑制LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞遷移、促炎細(xì)胞因子NO、IL-6和IL-12分泌［26］。丁酸鹽通過誘導(dǎo)Zn2+結(jié)合HDACs活性位點(diǎn)抑制HDACs，促進(jìn)Foxp3啟動子和增強(qiáng)子保守非編碼序列（conserved non-coding sequences，CNSs）組蛋白H3乙?；?，促進(jìn)基因表達(dá)和Treg功能成熟，增強(qiáng)抗炎作用［27］。SCFAs還通過抑制HDACs途徑上調(diào)Aicda、Xbp-1、Ada、CD69、Prdm1及Irak3基因表達(dá)，誘導(dǎo)B細(xì)胞分泌IgA［28-29］。

4 SCFAs與腸黏膜屏障功能

腸道黏液蛋白（mucus proteins，MUC）、抗菌肽（antimicrobial peptides，AMP）和IgA構(gòu)成腸黏膜化學(xué)屏障，由腸壁細(xì)胞分泌并稀釋、水解有毒有害物質(zhì)，防止機(jī)體損害［30］。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs通過激活GPCRs促進(jìn)MUC、AMP、IgA分泌，維持腸黏膜化學(xué)屏障，抵御病原體入侵［31］。腸上皮細(xì)胞中的claudin、occludin、ZO-1、ZO-2等多種連接蛋白形成上皮細(xì)胞緊密鏈接，構(gòu)成上皮細(xì)胞機(jī)械屏障，其完整性在維持腸道平衡方面具有重要作用［32-33］。SCFAs通過激活A(yù)MPK、抑制MLCK/MLC2通路及PKCβ2磷酸化上調(diào)ZO-1、occludin、claudin-3和claudin-4表達(dá)［34］。低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）是一種協(xié)調(diào)屏障保護(hù)因子，腸道上皮細(xì)胞吸收SCFAs需消耗腸道約70%氧氣，通過激活GPCRs上調(diào)Stat3和mTOR，促進(jìn)和穩(wěn)定HIF-1α表達(dá)，進(jìn)一步誘導(dǎo)Tr1分化，并通過TASK-2通道提高腸黏膜中B細(xì)胞對炎癥反應(yīng)的靈敏性，維持腸黏膜免疫屏障穩(wěn)定性［35-37］。此外，SCFAs還可通過調(diào)節(jié)增殖基因（包括細(xì)胞周期蛋白家族）和凋亡基因（主要是caspase家族及p53、Bax和Bcl-2）調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞（intestinal epithelial cell，IEC）增殖和凋亡［38］。

5 SCFAs對細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)

急性炎癥導(dǎo)致腸道內(nèi)免疫穩(wěn)態(tài)被打破后，促進(jìn)多種細(xì)胞因子（如IL-6、IL-8、IL-17等）釋放，作用于效應(yīng)細(xì)胞加重腸道炎癥。SCFAs通過抑制HDACs途徑或激活GPCR41/43途徑，抑制巨噬細(xì)胞NF-κB介導(dǎo)的促炎因子（如TNF-α、IL-6、IL-12）產(chǎn)生、下調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）及血管細(xì)胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）和細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1（intracellular adhesion molecules，ICAM-1）等多種趨化因子基因編碼，促進(jìn)腸道免疫細(xì)胞抗炎因子（如IL-10、IL-4）產(chǎn)生［39-40］。SCFAs通過刺激GPCRs誘導(dǎo)前列腺素E2釋放和抗炎因子IL-10表達(dá)，也可激活炎癥小體，促進(jìn)IL-18產(chǎn)生和分泌［41］。另有研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 通過HDACs抑制途徑增強(qiáng)組蛋白修飾，增加HIF-α與IL-22啟動子結(jié)合域的可能性，促進(jìn)IL-22生成［42］。此外，SCFAs明顯上調(diào)IL-17A、IL-17F、RORα、RORγt、T-bet和IFN-γ表達(dá)［43］。

6 SCFAs與腸道細(xì)胞能量代謝

IEC能量平衡障礙是CD炎癥組織的典型特征。外來因素持續(xù)刺激IEC導(dǎo)致能量過度消耗或腸道本身能量供應(yīng)減少是IEC維持能量穩(wěn)態(tài)失敗的主要原因。線粒體在維持IEC能量穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用［44］。SCFAs能明顯增加編碼線粒體ATP合成酶亞基和編碼線粒體解偶聯(lián)蛋白基因表達(dá)，維護(hù)線粒體功能［45］。丙酸可作為琥珀酰輔酶a進(jìn)入三羧酸循環(huán)，乙酸和丁酸可作為乙酰輔酶a進(jìn)入TCA，明顯提高細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP，為細(xì)胞供能［16，45］。此外，IBD患者和結(jié)腸炎小鼠中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCTs表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致IEC中SCFAs水平下降。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPAR-γ）功能，促進(jìn)MCT-1和MCT-4等體內(nèi)和體外轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)，促進(jìn)IEC吸收SCFAs，為IEC供能［46］。

7 展望

綜上，SCFAs在IBD中發(fā)揮重要作用。隨著國內(nèi)學(xué)者對IBD研究增多，IBD治療藥物除糖皮質(zhì)激素、氨基水楊酸制劑、免疫制劑、生物制劑外，腸道益生菌、SCFAs也用于臨床輔助治療。研究顯示，SCFAs可促進(jìn)cAMP生成，或促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)氨基丁酸（GABA）和NO通過腦-腸軸循環(huán)，從中樞調(diào)控腸道炎癥；SCFAs在機(jī)體能量代謝、神經(jīng)、內(nèi)分泌中發(fā)揮重要作用，隨著IBD臨床治療越來越趨向個體化，這些思路為SCFAs研究提供了新方向。