短链脂肪酸与心血管疾病关系研究进展

张中和，夏 豪

随着经济的发展及生活水平的提高，心血管疾病已成为世界范围内导致人类死亡的首要危险因素。遗传因素、环境因素及其共同作用是心血管疾病的发病基础，但是研究表明遗传变异占心血管疾病危险因素的一小部分(<20%),可见环境因素在心血管疾病的发生发展中起主导作用[1]。饮食摄入是人类最大的环境暴露，食物影响肠道微生物的结构及代谢，肠道微生物产生氧化三甲胺、短链脂肪酸(short chain fatty acids， SCFAs)等代谢产物，在胃肠道疾病、癌症和心血管疾病中扮演重要角色[1-3]。本文就SCFA与心血管疾病的研究进展进行概述。

1 SCFA及其受体

SCFA是碳原子数在2～6的脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸及丁酸，在人体中，SCFA主要是由膳食纤维和抗性淀粉在盲肠和结肠经肠道微生物发酵产生[4]。肠道有1×1014个微生物，其中厚壁菌门和拟杆菌门占90%以上[5]，通过16s RNA、宏基因组学等技术分析显示产生SCFA的微生物主要是厚壁菌门梭状芽孢杆菌纲梭状芽孢杆菌目疣微菌科及优杆菌属[4]。在近端结肠中SCFA的总量为70～140 mmol/L，在远端结肠其总量降为20～70 mmol/L，部分SCFA以非离子化形式通过简单扩散直接穿过上皮黏膜屏障，绝大多数的SCFA以离子化的形式通过与碳酸氢盐以1∶1的形式交换、氢耦联单羧酸转运蛋白-1(the hydrogen-coupled monocarboxylate transporter 1， MCT1)、MCT2和MCT4及钠耦联单羧酸转运蛋白-1(sodium-coupled monocarboxylate transporter 1， SMCT1)等方式透过上皮黏膜屏障[4，6-7]。健康成人外周血中SCFA的浓度估计：乙酸盐为100～150 μmol/L，丙酸盐为4～5 μmol/L，丁酸盐为1～3 μmol/L，提示外周血中SCFA的浓度比在肠道要低得多[4]。SCFA通过两种机制发挥其生理作用，第一种是通过抑制组蛋白脱乙酰化酶(histone deacetylases， HDACs)使赖氨酸残基乙酰化，促进转录因子与启动子区域结合调节基因的表达[8];第二种是通过与G蛋白耦联受体(G-protein-coupled receptors， GPCRs)结合介导其生物学功能，由SCFA激活的GPCRs主要有四种：GPR41/FFAR3、GPR43/FFAR2、GPR109A、Olfr78，这些受体广泛表达于肠道上皮细胞、脂肪细胞、免疫系统(单核巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、调节性T细胞、树突状细胞)、外周神经细胞、骨骼肌细胞、血管平滑肌细胞、血管内皮细胞、球旁细胞等[4，8-9]。

2 SCFA与冠心病

冠心病是常见心血管疾病，其发病率及病死率逐年上升，是严重危害人类健康的主要疾病之一。其发病机制是冠状动脉在脂蛋白沉积的驱动下由炎症反应、免疫反应等多种因素参与导致粥样硬化性斑块的形成[10]。研究显示，丁酸盐通过降低NPC1L1的表达，上调ABCG5/8的表达减少肠道胆固醇的吸收，进一步减小粥样硬化斑块的面积[11]。Aguilar等[12]研究发现在apoE KO小鼠中，丁酸盐预处理使主动脉弓处粥样硬化性斑块面积减少50%，丁酸盐降低氧化低密度脂蛋白(oxLDL)刺激的CD36+巨噬细胞表达,减少了oxLDL的吸收，并通过降低内皮细胞的MCP1、VCAM1等趋化黏附分子表达减少斑块内泡沫细胞的形成和沉积，并增加斑块内胶原纤维含量及斑块稳定性。在脂多糖的刺激下，SCFA通过抑制核因子-κB(NF-κB)和HDAC来减少肿瘤坏死因子-α(TNF-α)及MCP1等炎性介质的产生，增加前列腺素E2(PGE2)的产生，PGE2可以降低巨噬细胞白介素(IL)-1β的产生，并减少T细胞向辅助性T细胞1(Th1)的分化[13-14]。研究表明，SCFA减少中性粒细胞的招募及其浸润，丙酸盐及丁酸盐可以通过Caspases的激活促进中性粒细胞的凋亡，乙酸盐通过FFAR2依赖的方式促进中性粒细胞的凋亡[15-16]。T淋巴细胞介导的免疫反应在动脉粥样硬化的起始及发展过程中发挥重要作用，粥样硬化斑块中存在大量活化的T细胞，Th1及Th17的促动脉粥样硬化作用已经在不同的实验中证实，调节性T细胞(regulatory T cells， Tregs)可以抑制效应T细胞的活性，减缓粥样斑块的进展并增加其稳定性[17]。有大量研究证实SCFA，尤其是丁酸，具有免疫调节效应[13-14]。在脂多糖的刺激下，SCFA显著抑制IL-1β、IL-2、IL-6、IL-17、IL-21等炎性因子水平，增加抗炎细胞因子IL-10的表达，增加Treg数量同时减少Th17细胞数目[18]。Bartolomaeus等[19]指出在apoE KO小鼠模型中，丙酸盐可以抑制CD4+记忆T细胞、CD4+、CD8+ T细胞、巨噬细胞数量，同时降低粥样硬化斑块的大小和血管狭窄程度，敲除Treg后上述指标再次上升，证明SCFA通过Treg发挥抗动脉粥样硬化作用。Foxp3在Treg的表达对于发挥其免疫调节有关键作用，Foxp3的表达受到其启动子及增强子CNS1的调控，SCFA通过抑制HDAC增加Foxp3启动子及增强子的H3组蛋白乙酰化促进Treg的分化[20-21]。血管平滑肌细胞的异常增殖和过度产生的细胞外基质是动脉粥样硬化和动脉再狭窄的重要病因。Mathew等[22]研究发现，丁酸盐通过对组蛋白H3特异性位点的乙酰化、甲基化和磷酸化修饰影响G1期特异性细胞周期蛋白(cyclin D1/D3、cdk2/4/6、p15INK4b、p21Cip1、Rb)，显著抑制血管平滑肌细胞的增殖。研究指出氧化应激参与血管平滑肌细胞的增殖和动脉粥样硬化的发生,丁酸盐通过诱导谷胱甘肽/谷胱甘肽S转移酶的抗氧化系统抑制血管平滑肌细胞的增殖，丁酸盐可以显著减小主动脉弓处粥样硬化斑块大小并通过抑制p22phox和诱导型一氧化氮合酶的表达(inducible nitric oxide synthase， iNOS)明显降低斑块内活性氧(ROS)的生成[23]。心肌梗死是冠状动脉粥样硬化斑块破裂所导致的冠状动脉严重狭窄或闭塞引起的急性缺血缺氧性疾病。血红素加氧酶1(heme oxygenase-1， HO-1)在血管损伤、心肌缺血再灌注损伤和心力衰竭的病理生理过程中对于维持细胞稳态发挥重要作用。血小板反应蛋白-1(thrombosopondin-1, TSP1)是一种抗血管生成的蛋白，c-Myc是早期应激反应转录因子，通过抑制TSP1表达以促进血管生成。AN-7是丁酸衍生物，研究表明，在缺血再灌注小鼠模型中，AN-7通过稳定线粒体膜电位，上调HO-1、c-Myc，下调TSP1途径增加冠状动脉血流量、减小心肌梗死面积，改善左心室功能[24]。在小鼠心肌梗死模型中，丁酸盐通过招募髓系细胞调节免疫反应改善心肌梗死后心脏修复与重构，提高小鼠心肌梗死后存活率[25]。

3 SCFA与心力衰竭

心力衰竭是多种病因导致的心脏结构和(或)功能异常，使心室收缩和(或)舒张功能受损，以肺循环和(或)体循环淤血，器官、组织血液灌注不足为临床表现的一组综合征。肠道微生物的16s RNA分析显示，在心力衰竭患者肠道微生物中产生SCFA的细菌显著减少，如，直肠真杆菌、Dorea Longicatena[26]。心力衰竭患者的肠道微生物宏基因组学表明，丁酸乙酰乙酸辅酶A转移酶基因显著减少，而其是丁酸产生的关键酶[27]。肠道黏膜屏障功能受损、通透性增加所导致的肠道菌群移位、内毒素入血在心力衰竭的进展中发挥重要作用。研究表明在小鼠模型中，乙酸和丁酸通过增加结肠黏膜闭锁蛋白维持肠道黏膜完整性，减少外周血中脂多糖的浓度[28]。丁酸通过消耗肠道黏膜局部氧气维持一个相对缺氧的环境，进而通过稳定缺氧诱导因子维持肠道黏膜的完整性[27]。Zhang等[29]研究指出，丁酸盐通过抑制HDAC4显著改善左心室功能：提高短轴缩短率，增加射血分数，减轻收缩期和舒张期左心室室间隔厚度、左心室游离壁厚度，减轻心肌细胞肥大，减少心肌细胞凋亡，减轻钠尿肽(ANP)的表达。研究发现，乙酸可以显著抑制心脏纤维化进而改善心脏功能，转录组学结果显示，在心脏中肾素-血管紧张素系统及Egr1均显著下调，Egr1在心肾纤维化、炎症、心肌肥大的调节中起关键作用[30]。Bartolomaeus等[19]发现，丙酸盐通过减轻免疫及炎症反应显著改善心脏肥大和纤维化。Russo等[31]发现，苯丙胺丁酸(丁酸衍生物)通过减少线粒体ROS产生，改善线粒体呼吸功能，减少氧化磷酸化解耦联来改善线粒体的功能，进而减轻阿霉素所致心脏损伤。

4 SCFA与高血压

高血压以体循环动脉压升高为主要表现，是卒中和冠心病等心脑血管疾病的主要危险因素。高血压是一个多因素疾病，交感神经系统活性亢进、肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活、内皮功能紊乱等在高血压的发生发展中发挥重要作用。研究表明，在不同的小鼠高血压模型中，产生SCFA的肠道菌群显著减少，但也有研究指出在小鼠接受肠道菌群移植后，血压升高的小鼠血浆乙酸水平是升高的[32]。SCFA主要通过Olfr78和GPR41参与血压的调节，Olfr78主要分布在肾脏入球小动脉及外周阻力血管(皮肤、骨骼肌等)的平滑肌细胞，GPR41定位于主要血管的内皮细胞。研究表明丙酸盐通过Olfr78促进血浆肾素水平升高，伴随血压的升高，但在Olfr78敲除的小鼠中，在同样的丙酸盐水平观察到肾素及血压水平降低；丙酸盐通过GPR41降低血压，而在GPR41敲除的小鼠中，在同样的丙酸盐水平下观察到血压上升[33-34]。尽管Olfr78和GPR41均参与对血压的调节，但是二者对于丙酸盐的敏感性不同，GPR41对于丙酸盐的EC50约为274 μmol，而Olfr78约为920 μmol，二者参与调节的机制可能是：Olfr78与G蛋白αs亚基结合激活腺苷酸环化酶，GPR41通过与G蛋白αi亚基结合抑制腺苷酸环化酶的激活[35]。Bartolomaeus等[19]研究发现长期给予丙酸盐可减轻内皮功能紊乱，从而调节血压。

5 SCFA与室性心动过速

室性心动过速是结构性心脏病和缺血性心脏病心脏猝死的重要原因。缝隙连接蛋白43主要表达于哺乳动物心室肌细胞的闰盘中，通过作用于电压门控钠通道影响钠离子电流、动作电位的方式影响心脏电传导[36]。研究发现缝隙连接蛋白43的数量、重新分布及磷酸化水平与室性心动过速的发病密切相关[36-38]。Bartolomaeus等[19]发现在小鼠模型中，丙酸盐通过显著降低血管紧张素Ⅱ引起的缝隙连接蛋白43分布减少室性心动过速的发生。

6 SCFA与代谢综合征

代谢综合征是一些已知的心血管疾病危险因素同时发生的证候群，包括胰岛素抵抗、肥胖、致动脉粥样硬化性血脂异常、高血压，其是相互交叉关联的，有共同的代谢途径和病理生理机制。研究发现代谢综合征的人群发生2型糖尿病的风险增加5倍，发生心血管疾病风险增加3倍，死亡风险增加1.6倍[39]。研究指出在小鼠模型中，与正常对照组相比，肥胖小鼠中肠道菌群的SCFA明显升高，Canfora等[6]在人体中也观察到相似的结果。丁酸盐是肠道上皮细胞的主要能量来源，在肝脏细胞中，乙酸及丁酸可以作为脂质合成的底物，丙酸被认为是肝糖原异生的基质，这表明SCFA可能增加肥胖。但是小鼠肠道菌群移植实验表明，移植瘦小鼠的肠道菌群可以显著减轻受体体重、脂质堆积，且受体肠道菌群中SCFA水平明显升高[40]。越来越多研究表明，SCFA参与宿主体重调节、能量代谢平衡、脂质代谢等病理生理过程。有研究报道，SCFA通过GPR41和GPR43作用于肠道内分泌L细胞促进peptide YY(PYY)和胰高血糖样肽-1(glucagon-like peptide 1， GLP-1)的分泌，PYY和GLP-1作用于弓状核抑制致食欲性神经肽agouti-related peptide(AgRP)的表达，促进厌食性神经肽阿片-促黑素皮质素原(pro-opiomelanocortin, POMC)的表达，从而减轻食欲[6]。Frost等[41]研究指出，在小鼠中，乙酸盐可以在不影响血清中PYY及GLP-1的水平前提下，直接透过血脑屏障抑制弓状核AMPK的活性，进而抑制AgRP的表达，促进POMC表达来减轻食欲。瘦素主要来源于脂肪组织，可以作用于中枢神经系统来减轻食欲、增加能量消耗发挥体重调节作用。在小鼠、羊及人体中均发现SCFA可以促进瘦素水平的提高[6，42]，但是关于GPR41及GPR43在不同模型脂肪组织的表达存在争论，需要进一步研究GPR41和(或)GPR43在脂肪组织中的表达及其在SCFA调节瘦素表达中的作用。Weitkunat等[43]研究显示，长期(22周)的丙酸盐饮食可以将小鼠肝脏中甘油三酯含量降低40%。Yamashita等[44]研究表明，乙酸可以显著降低小鼠体重、血清中血糖、胰岛素、甘油三酯、胆固醇及腹部脂肪含量，乙酸通过激活AMPK信号通路促进ChREBP磷酸化进而阻断脂质合成基因的表达，在肝脏中转录水平将乙酰辅酶A羧化酶水平降低30%，葡萄糖-6-磷酸酶降低30%，脂肪酸合成酶降低60%。研究表明，SCFA在小鼠肝脏中将脂肪酸的合成降低了50%,增加2倍的脂肪酸β氧化能力，在转录水平显著降低脂肪酸合成酶、乙酰辅酶A羧化酶的表达，机制是SCFA通过降低过氧化物酶体增殖物激活受体-γ表达激活UCP2-AMPK-ACC通路发挥上述作用[45]。SCFA直接作用于表达交感神经的GPR41通过Gβγ-PLCβ-MAPK信号通路促进去甲肾上腺素的释放增加产热、能量消耗[46]。肠道糖异生在调节血糖、能量代谢中发挥有益作用。De Vadder等[47]研究发现SCFA通过促进肠道糖异生，提高门静脉血糖浓度，激活钠葡萄糖共转运蛋白-3，进而通过中枢神经系统来降低肝脏糖异生、改善胰岛素敏感性、减轻体重、减少脂质的异常聚积。丁酸盐直接作用于肠道细胞以cAMP依赖的方式促进肠道糖异生，而丙酸盐作用于腹腔传入神经的GPR41通过肠-脑神经通路促进肠道糖异生[47]。SCFAs，尤其是丁酸盐，可以通过激活Tregs并抑制促炎性细胞因子及趋化因子的产生来抑制肥胖引起的慢性炎症反应，参与胰岛素敏感性的调节[6]。但是Perry等[48]研究指出，乙酸盐通过激活迷走神经促进小鼠分泌胰岛素和饥饿素，导致高胰岛素血症、摄食增加从而形成一个正反馈，最终导致胰岛素抵抗、肥胖、脂质堆积。SCFAs在代谢综合征的作用是复杂的，需要更多的动物实验和临床试验来进一步研究。

综上所述，越来越多的证据表明SCFA通过多种代谢途径参与到动脉粥样硬化、高血压、心力衰竭等心血管疾病的调节，但是很多研究是基于细胞和动物实验，需要更多的临床试验来进一步研究。目前肠道菌群移植、口服益生元、改善饮食结构等方法能够在一定程度上改变肠道菌群，影响SCFA产生。SCFA没有毒性，但胃肠道反应和口感可能会影响其应用，未来关于SCFA及其衍生物的研究可能会为心血管疾病提供新的治疗方法。