短链脂肪酸在单胃动物肠道中的生理功能及其作用机制的研究进展

何荣香，唐红艳，杨 玲，马玉静， 欧阳富龙，贺建华*

（1.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128；2.长沙市郡德实验学校，湖南长沙 410005）

短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid，SCFA）包括甲酸、乙酸、丙酸、异丁酸等碳原子数少于6 个的有机羧酸。短链脂肪酸容易被动物后肠迅速吸收，既可以储存能量又可以降低肠道渗透压，并且短链脂肪酸对于维持大肠的正常功能和结肠上皮细胞的形态和功能具有重要作用，因此短链脂肪酸对动物机体有着极其重要的作用。自2018 年8 月非洲猪瘟侵袭我国以来，养猪业遭受巨大损失。如何防御非洲猪瘟已经成为养猪业首要解决的问题。经过行业一年多的了解与摸索，除了外围加强生物安全防范与出入物资病毒核酸检测，对猪群“营养冗余”以及“饮水酸化”的防非措施也颇受推崇。因此，增强猪群抵抗力以及酸化饮水的功能性添加剂也日益受到重视，而既能增加动物免疫又能酸化饮水的短链脂肪酸也受到行业的关注。本文就SCFA 在单胃动物机体中提高肠上皮屏障功能、促进肠道电解质平衡、调节肠道微生物、抗癌等生理功能进行综述，为其研发和应用提供理论依据。

1 SCFA 在单胃动物肠道中发挥的生理功能及其作用机制

单胃动物肠道中的SCFA 主要是由肠道中的厌氧微生物以难消化的结构性碳水化合物（低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等）为底物通过发酵产生的。肠道微生物发酵产生的SCFA 以乙酸、丙酸、丁酸的含量最高，三者共同所占的比例高达90%～95%，其余的SCFA 仅占一小部分（5%～10%）；而异丁酸、异戊酸等支链SCFA 多来自蛋白质的分解[1]。消化道中的食物经小肠之后最先到达结肠，因此结肠是单胃动物肠道微生物发酵生成SCFA 的主要位置。在单胃动物各肠段中SCFA浓度有很大差异，在结肠前端浓度最高，到结肠末端时浓度明显下降[2]。连晓蔚[3]用从粪便中分离纯化的微生物进行发酵培养时发现，发酵过程中产生了多种SCFA，且发酵时所用的底物、菌种不同，发酵产物中的SCFA 的种类、含量、比例有较大差异，其中乙酸含量最高。赵姝娴等[4]在仔猪饲粮中添加不同水平的葡萄糖酸，仔猪肠腔中的SCFA 含量显著提高。由此证明，肠道微生物分解代谢产生的乙酸、丁酸可被单胃动物直接吸收利用，是机体重要的能量来源。丙酸在丙酮酸逆转化为葡萄糖的过程中起重要作用，且此过程对脂肪的合成有抑制作用。单胃动物机体中的糖异生、 酮体以及甘油三酯合成过程均受丁酸的影响[5]。除此之外，SCFA 在保持肠黏膜的完整性、促进杯状细胞分泌、减少促炎因子的生成以及减缓肠道慢性炎症的病症等方面发挥着重要的作用。更重要的是，SCFA 能通过诱导肿瘤细胞的分化和凋亡来抑制肠道肿瘤细胞的增殖[6-8]。

1.1 SCFA 维护肠上皮屏障功能

1.1.1 SCFA 对肠道黏液分泌的促进作用 单胃动物肠道营养物质的吸收主要发生在肠道的黏膜层，而黏液层含有大量的由黏液细胞和肠上皮分泌的凝胶状糖蛋白。黏液既在物理方面有润滑作用，可以缓解肠腔内容物对肠黏膜的损伤；又在化学方面有减少酸和蛋白酶对肠道黏膜的侵蚀作用；在微生物方面可为肠道菌群提供合适的生存环境，减少致病菌及有毒物质对肠道的伤害[9]。而黏液中的黏蛋白的产生与MUC基因有关，其中MUC1、MUC3、 MUC4编码位于膜上的黏蛋白，而MUC2与大肠中分泌性黏蛋白有关。Gaudier 等[10]研究显示，当培养基以葡萄糖作为碳源时，加入丁酸可以促进肠道中MUC3和MUC5的表达；当培养基以丁酸作为唯一碳源时，MUC3、MUC5和MUC2的表达量有大幅度提高。由此可以推测，SCFA 特别是丁酸有促进单胃动物肠道黏液分泌的作用。

1.1.2 SCFA 加强肠道屏障的完整性 单胃动物肠内能量不足会影响结肠上皮营养状态，短期缺乏内会造成黏膜萎缩，长期缺乏会造成“营养性结肠炎”，破坏肠道屏障结构的完整性。丁亚萍等[11]试验结果显示，SCFA能维持全肠外营养（Total Parenteral Nutrtion，TPN）大鼠小肠黏膜细胞正常形态，并促进肠黏膜细胞分裂增殖，起到保护肠黏膜机械屏障的作用。SCFA 还能提高胰液中胰酶的分泌，并增加肠道细胞中葡萄糖转运蛋白-1（SGLT-1）和葡萄糖载体-2（GLUT-2）的mRNA的表达，提高肠道细胞对葡萄糖的吸收能力[12-13]。此外，乙酸盐可扩张肠道血管、增加肠道血流量。SCFA 对肠上皮细胞的能量供应及代谢状况有良好的改善作用，对黏膜细胞的增殖和黏膜形态的维护也有积极作用。Dallas 等[14]在TPN 大鼠模型中，肠道无菌小鼠的肠上皮细胞会出现自噬现象，在灌服丁酸盐后可使肠上皮恢复完整性。其原因可能是TPN 大鼠结肠细胞中丁酸代谢通路受到抑制，丁酸盐的缺失导致β氧化、 三羧酸循环、氧化磷酸化关键酶减少，使得ATP 生成受阻，导致AMPK 激活和p27kip1 磷酸化，最终导致细胞自噬。而丁酸可直接被结肠细胞吸收，在线粒体中经历β氧化生成乙酰辅酶-α并进入TCA 循环，使NAD+ 还原为NADH；NADH 进入电子传递链最终产生ATP，为结肠细胞供能，从而抑制细胞的自噬。Bai 等[15]研究结果显示，SCFA 可以通过提高ZO-1 蛋白和紧密连接蛋白occludin-5 表达量来降低肠道通透性，增强肠上皮细胞的屏障功能，减少机体对有害物质的吸收。综上可知，SCFA 主要是通过调节肠道细胞增殖或者调节与代谢相关蛋白的表达量来提高肠道屏障的完整性。

1.2 SCFA 对肠道炎症的抑制作用 炎症反应时机体的内皮细胞会活化，促使E- 选择素、ICAM-1 以及VCAM-1 等免疫细胞黏附分子基因的表达，导致白细胞黏附到血管内皮，进而向组织中转移，最终扩大炎症反应。Kobayashi 等[16]研究表明，SCFA 可以通过对固有免疫、适应性免疫进行调节以及影响白细胞募集反应，从而对肠道炎症起到抑制作用。

如图1 所示[17]， SCFA 主要通过2 种方式对固有免疫进行调节。一是促进局部炎症反应。SCFA 通过肠上皮细胞TLRs，增强肠上皮细胞NF-κB 转录因子的表达，促进TNF-α的分泌，同时抑制IL-8 和白细胞趋化因子MCP-1 的产生[18]。 二是抑制肠黏膜炎症。SCFA可促进中性粒细胞表面选择黏附分子（L-selectin）的表达以及中性粒细胞趋化物（CINC-2αβ）的释放，诱导中性粒细胞向炎症部位迁移。而适应性免疫主要通过T/B 淋巴细胞分化产生效应细胞来起作用。如丁酸可以激活T 细胞上的GPR43(G-Protein-coupled Receptors )受体，提高小鼠胸腺外FOXP3+ 型Treg 的含量，从而对炎症起抑制作用[19]。SCFA 还可促进B 细胞中浆细胞分化基因的表达，诱导B 细胞向浆细胞分化。浆细胞通过分泌IgA 来提高肠道黏膜和免疫系统的抗体反应，最终起到局部控制肠道微生物和炎症的作用[20]。

图1 SCFA 对免疫的调节

机体发生炎症时，白细胞在抗原的刺激下从血液中大量渗出并迁移聚集到局部炎症部位的现象称为白细胞募集反应。当机体受到脂多糖（LPS）抗原刺激时，免疫细胞中的巨噬细胞、中性白细胞会产生大量的CINC-2 和趋化蛋白MCP-1[21]。研究表明SCFA 能够抑制LPS 和细胞因子诱导的促炎介质（如 INF-α、IL-6 和NO）的产生，促进抗炎因子IL-10 的释放，降低单核细胞中IL-10 的水平[22]。此外，SCFA 还能下调PPARγ转录因子和NF-κB 的作用，使得ICAM-1、VCAM-1的表达受到抑制，并阻滞炎症细胞分泌IL-2、IL-6、TNF-α等炎性因子[23-27]。由此可知，SCFA 可以通过调节白细胞募集反应，来对肠道炎症起抑制作用。

1.3 SCFA 促进肠道电解质平衡和对水的吸收 SCFA都属于弱酸，在肠道环境中主要以离子（SCFA-）形式存在。单胃动物肠道中SCFA 的吸收主要有弥散吸收和离子交换2 种方式。弥散吸收发生在盲肠、近端结肠部位，SCFA-与H+结合后由肠上皮细胞直接吸收，进入细胞后短链脂肪重新离子化解离释放出H+。在近端结肠Na+/H+发生交换（在远端结肠则可能与K+/H+交换），把细胞内的H+泵到肠腔。离子形式的吸收过程以交换为主，其中有极少部分的SCFA 可通过细胞间隙以直接扩散的形式被吸收[28]。

在肠上皮细胞中，丁酸通过促进细胞的呼吸作用来为细胞供能，呼吸作用过程中产生CO2与水反应生成可以进一步促进Na+/H+交换。肠道细胞在吸收SCFA 的过程中，提高了肠道细胞对Na+的吸收，继而促进了肠道细胞对水分的吸收，故推测SCFA 可能具有抗腹泻的作用[29-30]。综上所述，SCFA 的吸收促进了的分泌和Na+、水的吸收，在维持肠道电解质平衡中起到了重要作用。

1.4 SCFA 促进肠道微生态平衡的作用 单胃动物肠道微生物根据其在肠道中的数量以及与宿主的关系，一般分为3 类：一类是专性厌氧菌群，对肠道有营养和免疫调节作用；另一类是以兼性厌氧为主的菌群，在肠道微生态平衡被打破时可能会对机体造成损伤；第三类是种类和数量不固定的病原微生物，当其数量超出正常水平时则可能引起机体发生疾病[31-32]。在单胃动物机体中，大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌等致病菌在肠内的适宜生长环境为pH 6.0～7.0，当 pH 低至4 时基本失活，而乳酸菌等肠道有益微生物在肠内的最适宜生长环境为pH 3.0～4.5。SCFA 在肠道内的离子化过程中，可以释放出H+降低肠道酸碱度，酸性的肠道环境对乳酸菌等肠道有益微生物的生存具有促进作用，而抑制了葡萄球菌、大肠杆菌、 链球菌等致病菌的增殖[33-34]。在肠道pH 环境下，质子化形式的SCFA 有弱亲脂性，可通过扩散作用进入病原微生物细胞内分解产生H+，使膜内外pH 差值缩小，从而影响细菌细胞的正常生理活动[35]。而丁酸可以通过解偶联转运电子来减少ATP 的生产，从而抑制细菌正常生长。综上所述，SCFA 主要是通过释放H+降低肠道pH 抑制有害菌来促进肠道微生态平衡。

1.5 SCFA 对癌细胞的抑制作用 细胞癌变发生与细胞基因的转录密切相关，细胞中的乙酰化酶（HAT）和去乙酰化酶（HDAC）可以通过影响染色质核心组蛋白和DNA 紧密卷曲程度来调控基因转录。HAT 使得核小体结构松弛，可有效提高基因的转录；HDAC 使DNA 与组蛋白紧密结合，抑制基因的转录。因此，当机体HDAC过度表达时，不利于特定基因的表达，甚至会导致肿瘤抑制基因失活，致使细胞发生癌变[36-37]。丁酸是组蛋白乙酰化酶的抑制剂（HDACI），可抑制细胞溶胶或细胞核中HDAC 活性，提高DNA 的转录，如调节T 细胞因子的表达来促进T 细胞的形成[38]。此外，丁酸可以通过抑制HDAC 作用来影响NF-κB 通路，从而调节宿主上皮细胞的免疫功能。G0 期细胞是暂不增殖细胞，在受到一定刺激时会重新进行分裂增殖。研究发现，丁酸对HDAC 的抑制作用可以增强HAT 的活性，提高组蛋白乙酰化水平来增加P21基因的表达量，使细胞周期停滞在G0 期，从而达到抑制癌细胞增殖的作用[39-40]。 Wolter等[41]研究发现，丁酸还可增强解毒酶谷胱甘肽-S- 转移酶的活性，抑制肿瘤细胞的转移；同时在基因水平抑制肿瘤诱导的血管生成，削弱肿瘤细胞的免疫抑制作用。

2 SCFA 在单胃动物生产中的应用

刘永祥等[42]的研究显示，在肉仔鸡饲粮中添加500 mg/kg 丁酸的基础上，额外添加500 mg/kg 乙酸或丙酸，可以显著提高小肠中淀粉酶和胰蛋白酶活性，减少十二指肠中大肠杆菌的数量。寇莎莎等[43]的研究发现，在饲料中添加一定量丁酸钠后，可显著提高仔猪日增重和平均日采食量，丁酸在断奶应激发生时对小肠绒毛起保护作用。陈慧子等[44]研究结果显示，生长猪盲肠灌注丙酸显著促进了闭锁蛋白-1（Occludin-1）、生长抑素（SST）、G 蛋白偶联受体5A（G PRC5A）等肠道屏障与免疫功能相关基因的表达。在畜禽的实际生产中，饲料因素造成的肠道应激对动物的生产和健康状况均会产生不利的影响。在高脂饮食诱导肥胖小鼠糖代谢紊乱的模型中，SCFA 可以有效改善肥胖小鼠血糖血脂代谢紊乱、降低小鼠肝脏组织脂肪变性以及脂肪肝的发生，降低肠道的炎性反应[45]。断奶仔猪由于肠道发育不完全，在由母乳饲养转为饲料饲养的过程中发生肠道应激，固体饲料对动物的肠道损伤，造成动物采食量下降、肠道免疫力下降、生长发育不良等不良反应，严重影响了畜禽的生长性能[46]。以上均表明，SCFA 及其衍生物对单胃动物的肠道有良好的抗炎、调节肠道菌群和各种炎症因子的表达、为肠上皮细胞供能等生理功能，能有效缓解单胃动物肠道中的各种应激反应。

3 小 结

SCFA 因其结构及特殊的生理功能特性，具有提高肠上皮屏障功能、促进肠道电解质平衡、调节肠道微生物、抗癌等生理功能，在畜禽生产中有着广阔的应用前景。但单胃动物机体中的SCFA 主要是在结肠中通过微生物发酵产生，对肠道前端的作用效果有限，因此在单胃动物中一般考虑在饲粮中添加。SCFA 是几种短链脂肪酸的统称，不同种类的SCFA 对机体的生理作用不同。近几年关于SCFA 的研究中以丁酸居多， 其他几种SCFA 的研究比较缺乏。乙酸、丙酸等混合有一定的增益效果，多种SCFA 混合配伍对畜牧业动物的影响将会是一个研究热点。

非洲猪瘟席卷我国造成养猪业以及饲料行业的变革，功能性添加剂必将赋予新的防非使命，饮水酸化可能是一个长期过程。中短链脂肪酸既可以增加猪群的健康程度、抵抗炎症，在饲料或饮水中添加能降低pH，抑制病毒，是当前一个比较理想的添加剂。随着人们对环境保护和食品健康的日益关注，绿色健康利于动物肠道健康产品的研发成为了当今畜牧生产中亟待解决的重点和热点问题。随着饲料禁抗的呼声越来越高，能替代抗生素的中短链脂肪酸也必将进一步引起人们的兴趣。