肠道菌群-SCFAs在代谢性疾病中的作用研究

周 达，范建高

上海交通大学医学院附属新华医院消化内科，上海 200092

综述

肠道菌群-SCFAs在代谢性疾病中的作用研究

周 达，范建高

上海交通大学医学院附属新华医院消化内科，上海 200092

肠道菌群被认为是人类体内不可或缺的“器官”，其代谢产物如短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)也被证实生物学作用显著，尤其在机体代谢方面。本文就肠道菌群-SCFAs与代谢性疾病研究进展作一阐述。

肠道菌群；短链脂肪酸；代谢

人类从出生肠道内逐渐定植各种细菌，受饮食、环境等因素影响，直至儿童期趋于稳定；菌群在肠道内数量巨大(总数约1014)，种类丰富多达2 000余种，其基因总量更是人类的100～400倍；但是肠道菌群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门等组成，前两者即达到总量90%以上[1]。肠道菌群与人类生长发育(尤其免疫与代谢)和疾病的发生、发展密切相关。

近年，肠道菌群与代谢及其机制被研究的越来越多，如肠道菌群失调可以促进食物能量吸收，引起肥胖；可以调节肠道通透性，促进脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)甚至菌群移位入血，从而引发机体炎症、免疫失衡；可以调节机体胆碱、胆汁酸代谢等[2]；甚至增加机体内生性乙醇的产生，后者仍存在争议[3]。这些机制与肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)等慢性代谢性疾病发生、发展密切相关[4]。随着研究的深入，焦点不光局限于肠道菌群本身，菌群代谢产物也被认为是参与调节机体生命活动与代谢的重要物质，如短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)[5]。

SCFAs是肠道菌群在体内发酵纤维素产生，含不多于6个碳原子且溶于水的游离脂肪酸，主要包括甲、乙、丙、丁、戊酸(formic acid，acetic acid，propionic acid，butyric acid and valeric acid)，近端及远端结肠内SCFAs浓度分别约120 mol/L和90 mol/L，其中最重要且相对较多(占总量95%)的是乙、丙、丁酸，三者比例大致为3∶1∶1[6]。它们与细胞的作用方式可以是弥散或者配体受体结合作用，如G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor，GPCR)[7]。

1 SCFAs调节炎症免疫与代谢

慢性代谢性疾病发生、发展机制中，如肥胖、非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis，NASH)等，炎症反应尤为重要。SCFAs可通过抑制核转录因子κB(NF-κB)通路抑制炎症细胞分泌白细胞介素2(IL-2)、白细胞介素6(IL-6)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)等炎性因子[8-9]，后者与NASH的发生、发展密切相关；有研究发现在仔猪饲料中添加丁酸钠，显著降低了血清TNF-α和IL-6的水平，降低了肠道NF-κB的核内功能，同时也改善了肠道菌群，抑制了有害细菌的生长[10]。此外，SCFAs可以通过调节机体免疫细胞间接控制炎症反应，丁酸盐可以调节免疫细胞的活性，如中性粒细胞(neutrophils)、巨噬细胞(macrophages)、树突状细胞(dendritic cells，DCs)，可能通过细胞表面受体GPCR发挥作用[11-13]。淋巴细胞的免疫功能与代谢性疾病密不可分[2,14]，大量研究证实SCFAs可以体内调节T淋巴细胞分化(Th1/Th2、Th17/Treg)、凋亡、分泌细胞因子如IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-10，进入细胞后抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)发挥基因表达调控，由于T细胞低表达GPCR，因此是否通过表面受体仍存在争议，可能仅是弥散作用导致[7,15]。

2 SCFAs调节肠道菌群、激素、屏障与代谢

SCFAs经肠道菌群产生后首先被肠道上皮细胞利用，尤其是丁酸，作为肠上皮能量来源之一，调控肠上皮增殖、凋亡分化，促进肠道分泌抗菌肽等提高肠道屏障保护性，同时也通过吸收入血，进入肝脏、肌肉等调节整个机体能量代谢，如丙酸盐就是一种很好的糖脂甚至蛋白合成前体，乙酸盐则是胆固醇合成的一种基质，同时乙酸可直接入血脑屏障作用下丘脑抑制食欲[5,16]。

SCFAs从多方面调节肠道功能，如肠道菌群、肠道通透性、肠道pH、肠道激素分泌、肠道蠕动等，其中丁酸被研究最多。机体内，产丁酸菌主要存在于盲肠和结肠，主要属于梭菌属(Clostridium)、真杆菌属(Eubacterium)和梭杆菌属(Fusobacterium)，梭菌是革兰氏阳性厌氧芽孢菌，丁酸梭菌(C.butyricum)、酪丁酸梭菌(C. tyrobutyricum)、丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicum)、巴斯德梭菌(C.pasteurianum)、拜氏梭菌(C. beijerinckii)等是产丁酸的代表[17]。大量动物学实验[18]证实丁酸可以改善肠道菌群，丁酸进入细菌细胞后会分解为丁酸根离子和氢离子，而高浓度的氢离子会使大肠杆菌、沙门氏菌等有害菌大量死亡，乳酸杆菌等有益菌则由于其耐酸性而大量增殖。

有研究提示2型糖尿病患者体内产丁酸盐细菌如罗氏菌属(Roseburia)、柔嫩梭菌群(Faecalibacterium prauznitzii)等，较健康对照者显著减少[19-20]。在一项人体检测试验中发现肥胖患者粪便中SCFAs总体较体质量正常者升高(主要为丙酸升高显著)且各种SCFAs比例发生变化，体质量指数(body mass index，BMI)低者乙酸盐比例相对升高[21]；在高脂诱导小鼠胰岛素抵抗实验中，发现口服丁酸钠可以提高胰岛素敏感性，通过增强线粒体功能促进能量消耗，促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)的表达，促进脂肪酸氧化[22]。De Vadder等[23]通过动物学实验证实SCFAs可以激活肠道糖质新生(intestinal gluconeogenesis，IGN)，而IGN在维持机体血糖正常水平及能量代谢平衡发挥至关重要的作用。这些作用可能与丁酸盐显著抑制组蛋白去乙酰化，提高组蛋白乙酰化水平有关，参与基因调控、免疫调节、细胞分化、氧化应激、肠屏障功能调节、内脏敏感度和肠道蠕动机制变化等活动，这些功能使丁酸成为维持肠道健康、维持机体代谢平衡的重要因素。

另有研究发现SCFAs通过与肠细胞表面受体GPCR41或GPCR43作用，促进肠道激素分泌，如5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)、胰高血糖素样肽(Glucagon-like peptide-1，GLP-1)和酪酪肽(PYY)等，5-HT是参与调节胃肠道运动和分泌功能的重要神经递质,可以调节肠道通透性，促进肠蠕动，减少机体对食物能量的吸收；GLP-1可以促进机体胰岛素分泌调节代谢；PYY可以提升饱腹感，减少食物摄入，调节肠道运动减慢胃排空从而改善机体代谢[24-26]，同时GPR对机体能量脂质代谢的调节依赖于肠道菌群，抑制肠道GPR激活可以减少食物能量吸收[26]。一项对超重人群研究发现丙酸盐可以促进人体肠道激素PYY及GLP-1分泌，提高胰岛素敏感性，同时减少食物摄入，长期服用丙酸盐可以控制体质量增长，减少腹部脂肪的堆积，同时还发现那些合并NAFLD的超重者服用丙酸盐后肝内脂质沉积减少[27]。SCFAs可以与脂肪细胞上的GPR43结合抑制脂解，从而降低小鼠血清脂质及游离脂肪酸，敲除小鼠GPR43后效应消失；同时促进脂肪细胞分泌瘦素(Leptin)，瘦素是一典型代谢激素，促使机体减少摄食，增加能量释放，抑制脂肪细胞的合成，进而使体质量减轻[28-29]；也有研究发现给予GPR43敲除小鼠高脂饮食，其血糖及体脂含量、肝内脂质沉积水平与对照组相比明显改善，可以看出GPR缺陷保护高脂饮食诱导的一系列代谢异常，反映GFR在不同组织细胞的作用，尤其SCFAs与GPR的配体受体作用值得深究[30]。

上已谈及肠道通透性的改变与机体代谢性疾病同样密不可分，在肝脏中丁酸可以代谢成谷氨酸、谷氨酰胺和乙酰乙酸盐，而后者是肠细胞的重要燃料，丁酸本身作为肠黏膜营养物质之一，可以促进肠细胞再生从而修复肠黏膜，调节正常肠细胞的增殖分化和凋亡，刺激肠道黏液素糖蛋白的合成，加强对黏膜层的保护作用；丁酸可以促进肠道分泌胰高血糖素样肽2(GLP-2)，GLP-2作为一种肠上皮特异性生长因子, 能促进正常肠黏膜的生长及损伤肠上皮的修复，保护肠黏膜屏障[31]；丁酸盐还能够通过促进细胞间紧密连接的装配来发挥对肠道屏障功能的调节作用, 影响肠道通透性，减少有害物质进入血，如LPS等；上述作用机制与丁酸调节胞内基因表达有关[18,32-33]。

随着人类社会进步，代谢性疾病的发病率呈现井喷，对人类健康构成威胁。近年，对肠道菌群及其产物SCFAs的聚焦揭示其与机体生理病理状态密切相关，与机体代谢的相互作用尤其值得深究，为需要进一步研究代谢性疾病，如2型糖尿病、NAFLD、肥胖等提供新的诊断或治疗靶点，进一步阐明疾病发生、发展机制。

[1]Blaut M. Gut microbiota and energy balance: role in obesity [J]. Proc Nutr Soc, 2015, 74(3): 227-234.

[2]Tremaroli V, Bäckhed F. Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism [J]. Nature, 2012, 489(7415): 242-249.

[3]Zhu L, Baker SS, Gill C, et al. Characterization of gut microbiomes in nonalcoholic steatohepatitis (NASH) patients: a connection between endogenous alcohol and NASH [J]. Hepatology, 2013, 57(2): 601-609.

[4]Nieuwdorp M, Gilijamse PW, Pai N, et al. Role of the microbiome in energy regulation and metabolism [J]. Gastroenterology, 2014, 146(6): 1525-1533.

[5]Hartstra AV, Bouter KE, Bäckhed F, et al. Insights into the role of the microbiome in obesity and type 2 diabetes [J]. Diabetes Care, 2014, 38(1): 159-165.

[6]Chambers ES, Morrison DJ, Frost G. Control of appetite and energy intake by SCFA: what are the potential underlying mechanisms? [J]. Proc Nutr Soc, 2015, 74(3): 328-336.

[7]Kim CH, Park J, Kim M. Gut microbiota-derived short-chain fatty acids, T cells, and inflammation [J]. Immune Netw, 2014, 14(6): 277-288.

[8]Park JS, Lee EJ, Lee JC, et al. Anti-inflammatory effects of short chain fatty acids in IFN-gamma-stimulated RAW 264.7 murine macrophage cells: involvement of NF-kappaB and ERK signaling pathways [J]. Int Immunopharmacol, 2007, 7(1): 70-77.

[9]Zhang WH, Jiang Y, Zhu QF, et al. Sodium butyrate maintains growth performance by regulating the immune response in broiler chickens [J]. Br Poult Sci, 2011, 52(3): 292-301.

[10]Wen ZS, Lu JJ, Zou XT. Effects of sodium buty-rate on the intestinal morphology and DNA-binding activity of intestinal nuclear factor-kappa B in wean-ling pigs [J]. J Anim Vet Adv, 2012, 11(6): 814-21.

[11]Vinolo MA, Ferguson GJ, Kulkarni S, et al. SCFAs induce mouse neutrophil chemotaxis through the GPR43 receptor [J]. PLoS One, 2011, 6(6): e21205.

[12]Carretta M, Conejeros I, Hidalgo MA, et al. Propionate induces the release of granules from bovine neutrophils [J]. J Dairy Sci, 2013, 96(4): 2507-2520.

[13]Millard AL, Mertes P, Ittelet D, et al. Butyrate affects differentiation, maturation and function of human monocyte-derived dendritic cells and macrophages [J]. Clin Exp Immunol, 2002, 130(2): 245-255.

[14]Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions between the microbiota and the immune system [J]. Science, 2012, 336(6086): 1268-1273.

[15]Park J, Kim M, Kang SG, et al. Short-chain fatty acids induce both effector and regulatory T cells by suppression of histone deacetylases and regulation of the mTOR-S6K pathway [J]. Mucosal Immunol, 2015, 8(1): 80-93.

[16]Frost G, Sleeth ML, Sahuri-Arisoylu M, et al. The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism [J]. Nat Commun, 2014, 5: 3611.

[17]Louis P, Hold GL, Flint HJ. The gut microbiota, bacterial metabolites and colorectal cancer [J]. Nat Rev Microbiol, 2014, 12(10): 661-672.

[18]Guilloteau P, Martin L, Eeckhaut V, et al. From the gut to the peripheral tissues: the multiple effects of butyrate [J]. Nutr Res Rev, 2010, 23(2): 366-384.

[19]Karlsson FH, Tremaroli V, Nookaew I, et al. Gut metagenome in European women with normal, impaired and diabetic glucose control [J]. Nature, 2013, 498(7452): 99-103.

[20]Qin J, Li Y, Cai Z, et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes [J]. Nature, 2012, 490(7418): 55-60.

[21] Schwiertz A, Taras D, Schäfer K, et al. Microbiota and SCFA in lean and overweight healthy subjects [J]. Obesity(Silver Spring), 2010, 18(1): 190-195.

[22]Gao Z, Yin J, Zhang J, et al. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice [J]. Diabetes, 2009, 58(7): 1509-1517.

[23]De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Goncalves D, et al. Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits [J]. Cell, 2014, 156(1-2): 84-96.

[24]Tazoe H, Otomo Y, Kaji I, et al. Roles of short-chain fatty acids receptors, GPR41 and GPR43 on colonic functions [J]. J Physiol Pharmacol, 2008, 59 Suppl 2: 251-262.

[25]Lin HV, Frassetto A, Kowalik EJ Jr, et al. Butyrate and propionate protect against diet-induced obesity and regulate gut hormones via free fatty acid receptor 3-independent mechanisms [J]. PLoS One, 2012, 7(4): e35240.

[26]Samuel BS, Shaito A, Motoike T, et al. Effects of the gut microbiota on host adiposity are modulated by the short-chain fatty-acid binding G protein-coupled receptor, Gpr41 [J]. Proc Natl Acad Sci, 2008, 105(43): 16767-16772.

[27]Chambers ES, Viardot A, Psichas A, et al. Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation, body weight maintenance and adiposity in overweight adults [J]. Gut, 2015, 64(11): 1744-1754.

[28]Ge H, Li X, Weiszmann J, et al. Activation of G protein-coupled receptor 43 in adipocytes leads to inhibition of lipolysis and suppression of plasma free fatty acids [J]. Endocrinology, 2008, 149(9): 4519-4526.

[29]Chambers ES, Morrison DJ, Frost G. Control of appetite and energy intake by SCFA: what are the potential underlying mechanisms? [J]. Proc Nutr Soc, 2015,74(3): 328-336.

[30]Bjursell M, Admyre T, Göransson M, et al. Improved glucose control and reduced body fat mass in free fatty acid receptor 2-deficient mice fed a high-fat diet [J]. Am J Physiol Endocrinol Metab, 2011, 300(1): E211-E220.

[31]Mangian HF, Tappenden KA. Butyrate increases GLUT2 mRNA abundance by initiating transcription in Caco2-BBe cells [J]. JPEN, 2009, 33(6): 607-617.

[32]Peng L, Li ZR, Green RS, et al. Butyrate enhances the intestinal barrier by facilitating tight junction assembly via activation of AMP-activated protein kinase in Caco-2 Cell monolayers [J]. J Nutr, 2009, 139(9): 1619-1625.

[33]Hatayama H, Iwashita J, Kuwajima A, et al. The short chain fatty acid, butyrate, stimulates MUC2 mucin production in the human colon cancer cell line, LS174T [J]. Biochem Biophy Res Commun, 2007, 356(3): 599-603.

(责任编辑：陈香宇)

Effects of intestinal microbiota-SCFAs in metabolic diseases

ZHOU Da, FAN Jian’gao

Department of Gastroenterology, Xin Hua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200092, China

Intestinal microbiota as a special “organ” plays a vital role in organisms, as well as its metabolic products, such as short-chain fatty acids (SCFAs), especially in metabolism. This paper reviewed the recent progress of intestinal microbiota-SCFAs in metabolic diseases.

Intestinal microbiota; Short-chain fatty acids; Metabolism

科技部973课题(2012CB517501)；国家自然基金(81070322、81270491、81470840)；上海市科委课题(0914090350、10411956300)；中国肝炎防治基金(XJS20120501)；上海市卫生局百人计划(XBR 2011007)

周达，博士研究生，研究方向：脂肪性肝病发病机制。E-mail：mubing2007@foxmail.com

范建高，教授，主任医师，研究方向：脂肪性肝病、脂肪肝的遗传与表现遗传、代谢综合征与肝病。E-mail：fanjiangao@gmail.com

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.03.026

R574

A

1006-5709(2016)03-0330-03

2015-05-04