丁酸在非酒精性脂肪性肝病发生发展中的作用

党文呈， 邓烽丞， 李兆龙， 万燊燚， 张有成

兰州大学第二医院 普通外科， 兰州 730030

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一个新兴的公共卫生问题，其发病率和患病率在全球范围内均呈持续上升趋势[1]。NAFLD指存在至少5%的肝脂肪变性，但缺乏继发性肝脂肪积聚的常见原因，如先天性肝病、自身免疫性肝炎、慢性病毒性肝炎、过量饮酒或长期使用脂肪诱导药物[2]。一部分NAFLD患者先发展为NASH再发展为肝硬化，最终发展为肝细胞癌[3]。虽然近年来对于NAFLD的治疗取得了一些进展，但由于NAFLD的发病机制尚未完全阐明，其治疗仍是临床上的一大难点[4]。近来有研究表明，肠道微生物代谢产物丁酸对非酒精性脂肪性肝病的发病以及进展有一定的作用[5-6]。本文重点介绍了关于丁酸在NAFLD发生发展中的相关机制。

1 丁酸与肠道菌群

近年来，人们对肠道微生态有了更加深入的理解。肠道微生态是指由生活在人类肠道内的细菌、原生生物、古生菌、真菌和病毒组成的生态系统。迄今为止，胃肠道微生态系统是研究最早和最多的人体微生态系统，对人体健康有着极为重要的作用，而在此复杂的生态系统中，细菌扮演主要角色。据统计，肠道有1014数量级的细菌，种数达1000余种，其中绝大多数是专性厌氧菌[7]。而最主要的4种菌群为厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形杆菌门。据估计，有90%的微生物属于厚壁菌门和拟杆菌门[8]。肠道微生物的组成和功能受到环境因素和多种宿主因素的影响，包括饮食、活动、药物、昼夜变化和地理位置等[9]。因此，肠道菌群具有数量巨大、多样化、复杂性和不定性的特点。类似于“原始森林”的人体肠道菌群参与食物的分解、营养物质的分泌、调节体脂含量、吞食食物残渣、免疫系统的调节等诸多新陈代谢过程。

短链脂肪酸是由小肠远端和大肠的微生物群发酵抗性淀粉、膳食纤维和其他低消化率多糖产生的[10]。主要包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸和异己酸。其中，含量相对较高的是乙酸、丙酸和丁酸，是肠道中主要的短链脂肪酸。短链脂肪酸一旦产生就会被结肠黏膜细胞吸收进而通过门静脉进入血液循环。人体肠道中通过发酵产生丁酸的细菌主要有拟杆菌属、真杆菌属和梭菌属[11]。丁酸在肠道上皮细胞的功能主要有：作为结肠细胞的主要能量来源；促进消化道黏膜细胞的生长；诱导肠道上皮细胞的分化；细胞膜脂类合成的基质；参与细胞骨架构建的改变以及增加组蛋白乙酰化和诱导细胞编程死亡等[11]。

2 丁酸影响NAFLD形成的机制

NAFLD的确切发病机制目前尚不完全清楚，但多数动物实验研究表明其与炎症反应、胰岛素抵抗和肝线粒体氧化应激密切相关，属于代谢综合征的一部分。而丁酸可以通过减轻炎症反应、抑制胰岛素抵抗和减弱肝线粒体氧化应激等机制影响NAFLD的发生和发展。

2.1 丁酸减轻内毒素血症和炎症反应 起源于同一胚层的肝脏和肠道在解剖和功能上有许多联系。自从肠-肝轴概念问世以来，肝脏和肠道的关系就逐渐被人们所研究和认识[12]。随着研究的不断深入，越来越多的证据表明肠道菌群紊乱导致肠壁通透性增加，进而导致大量内毒素释放入血，这是NAFLD发生发展的诸多因素之一。正常情况下，肠道黏膜机械屏障、免疫屏障和肠道菌群共同组成肠道防御系统，并通过抑制细菌和毒素在肠道内的移位、抑制致病菌的生长等方式来抵御致病菌对人体的侵袭[13]。当革兰阴性细菌等有害菌过度生长、死亡导致肠道菌群失衡时，释放出的脂多糖(LPS)以及内毒素等有害物质超出肝脏清除能力，再加上肠壁通透性增加、肠黏膜机械屏障和免疫屏障受损进而防御机制下降等情况下，大量有害物质释放入血并对肝脏直接产生毒性作用，炎症介质过度表达并且激活炎性反应信号通路，从而导致肝损伤引起NAFLD[7,14]。

丁酸在哺乳动物肠道中发挥着许多有利作用，如抑制炎症因子的生成[15]、抑制肠道内有害细菌的生长和保护胃肠道屏障功能[16]。Endo等[6]研究发现，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通过改变肠道菌群，恢复肠道屏障功能，有效降低门静脉血流中肠道源性内毒素水平，从而降低肝脏炎症因子TNFα和TNFα调节的转录因子NF-κB水平，从而抑制NAFLD的进展。有实验研究[17]表明，丁酸钠干预显著改善NAFLD小鼠模型肠道微生物菌群，即放线菌等有害细菌显著减少而Christensenellaceae菌、Blautia菌和乳酸杆菌等产丁酸的有益菌显著增加；并且证实丁酸钠干预能够上调ZO-1蛋白水平来促进肠道紧密连接屏障的修复，降低肠道通透性进而减少病原体相关分子模式向血液循环的逃逸；该研究还证实了NAFLD小鼠模型经丁酸钠干预后，内毒素和LPS受体Toll样受体(TLR)4以及下游Myd88蛋白显著下降，进而减少了MCP-1、TNFα、IL-1、IL-2、IL-6和IFNγ等促炎因子的释放。

SIRT3是线粒体功能的整体调控因子之一，在NAFLD的发生发展中起着重要的作用[18]。Chen等[19]实验表明，用高脂饲料喂养SIRT3基因敲除小鼠时，小鼠肠道通透性增加、LPS显著增加并且激活炎性反应通路LPS-CD14-TLR4从而促进小鼠NAFLD的进展，同时给予丁酸钠干预后，肠道紧密连接结构的mRNA和蛋白表达水平显著增高，包括ZO-1、occludin和claudin1，并且TNFα、IL-1、IL-6等促炎因子水平降低而IL-10等抗炎因子水平升高。因此，该研究认为丁酸钠可以通过减轻高脂水平诱导SIRT3基因敲除小鼠的肠黏膜损伤，改善肠道紧密连接结构，减少肠道内毒素进入肝脏来改善NAFLD的进展。该研究同样提示SIRT3对NAFLD的有效作用可能在很大程度上是由于肠道有害细菌的减少，产生丁酸的细菌数量的增加，以及肠道屏障功能的改善。有研究[20]发现Gpr109a能够抑制脂肪组织甘油三酯的积累以及调节脂质稳态，随后Koh等[21]研究表明，短链脂肪酸受体Gpr109a在脂肪细胞、肝细胞和结肠细胞中表达，主要由丁酸盐识别并激活。同样Liang等[5]通过实验研究证实，乳酸菌和双歧杆菌的益生菌混合物通过其代谢产物丁酸和短链脂肪酸受体Gpr109a的相互作用来抑制炎症反应以改善小鼠NAFLD的进展。

2.2 丁酸抑制胰岛素抵抗 在“二次打击”学说中，初次打击所指的是以胰岛素抵抗为基础，经过一系列复杂反应引起单纯的肝脏脂肪变性[22]。胰岛素抵抗是NAFLD发病和病情进展的重要环节。关于胰岛素抵抗发生机理有两种假说，一种是炎症假说，认为IL、TNF、CRP等炎症因子会使胰岛素受体酪氨酸磷酸化速度下降，减弱胰岛素的生物利用[23]；另一种是信号转导假说，蛋白激酶C和蛋白质酪氨酸磷酸酶非受体1型过度表达时使酪氨酸残基磷酸化，磷酸化后的胰岛素受体的活性下降，使其信号传导减弱，胰岛素生物效应下降而出现胰岛素抵抗[24-25]。张秋楠等[26]通过实验研究证实，NAFLD患者肠道菌群变化与胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)密切相关。亦有学者[27]研究发现相对于普通小鼠来说，无菌小鼠糖耐量更高，餐后胰岛素水平也相应降低，并一定程度上可以改善高脂饮食的胰岛素抵抗。随后有实验研究[28]表明，丁酸及其衍生物苯丙氨酸丁胺在一定程度上能够限制高脂饮食诱导的TLR转录和表达的增加，尤其使TLR4及其共受体CD14在肝脏中的表达正常化，同时证实丁酸盐对限制脂肪变性相关的胰岛素抵抗的早期分子事件具有保护作用，即降低胰岛素抵抗相关分子如GLUT2、PTP1B和SOCS3等的表达，但具体机制尚待进一步研究。

Henagan等[29]通过实验研究发现，丁酸通过上调核编码的肌组织线粒体基因中的一核小体上的Pgc1α来增加胰岛素敏感性以及抑制肥胖。Chriett等[30]通过细胞实验表明，丁酸可以改善大鼠L6肌管胰岛素抵抗表型，通过以下两种方式，一是激活蛋白激酶B和分裂原活化蛋白激酶两条胰岛素信号通路来增加肌细胞胰岛素敏感性；另外由于丁酸是一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂，可通过诱导胰岛素受体底物1的高表达从而改善大鼠肌组织胰岛素抵抗。同样，Mollica等[31]通过实验研究发现，与标准饮食组小鼠相比，高脂饮食小鼠血糖显著升高，但给予丁酸以及苯丙氨酸丁胺能够显著改善高脂饮食小鼠的HOMA-IR，其机理可能是由于激活AMPK/ACC途径以及增加AKT的磷酸化水平和上调其下游GLUT2的表达。综上，丁酸对于改善胰岛素抵抗以及对胰岛素抵抗引起的NAFLD的控制有极其重要的作用。

2.3 丁酸减弱氧化应激 肝线粒体功能障碍可引起脂肪氧化、活性氧(ROS)生成和氧化应激的改变[32]，ROS生成增加与线粒体解耦的减少有关[33]。ROS或脂质过氧化产物激活肝星状细胞，刺激细胞外基质蛋白(包括Ⅰ型胶原蛋白)的生成[34]。因此，ROS在肝纤维化的发展中起重要作用。Nrf2是一种高效的转录激活因子，对诱导许多细胞保护基因表达具有重要作用[35]。Endo等[6]实验研究表明，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通过代谢产物丁酸激活AMPK/SIRT1/PI3K/mTORC2/AKT/Nrf2信号通路，从而诱导Nrf2表达，通过抗氧化应激直接抑制肝星状细胞活化和肝纤维化的发生，这对于预防NAFLD的进展非常重要。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)具有明显的抗氧化能力[36]。Hatzis等[37]也通过实验研究表明，褪黑素在体内对高脂饮食所诱导的肝脏疾病的保护作用与肝脏组织中过氧化和氧化应激的减轻有关。同样有实验研究[38]证实，补充丁酸钠可以增强肠内褪黑素的合成，进而减弱内毒素诱导的活性氧的生成和肝脏氧化应激，对NAFLD的进展有一定的抑制作用。Mollica等[31]也通过实验研究表明，丁酸盐能够通过激活AMPK/ACC通路，减少ROS生成，减弱氧化应激，调节线粒体的生物效率和功能状态，从而降低肝脏脂肪量，抑制NAFLD的进展。

3 问题与展望

NAFLD的发病机制及演变过程十分复杂，目前尚无特别有效的治疗方法。到目前为止，虽然有一些关于丁酸抑制NAFLD发生发展的相关机制已被相关研究所证实，但仍缺乏足够的、有说服力的证据说明丁酸应何时及如何应用。另外，许多研究均是在动物模型中进行的，是否对临床患者有效仍然是一个重大的挑战。综上，它为NAFLD治疗的干预策略开辟了潜在的途径。肠道菌群及其代谢产物丁酸的具体作用仍是当前研究的重点，丁酸的应用有望成为NAFLD新的防治措施。