短链脂肪酸影响肠道动力的机制研究进展*

刘鹏林，逄承健，邸爱婷，李欣，贡钰霞，赵刚△

1青岛大学附属医院肛肠科 山东青岛266555

2南京中医药大学附属医院 江苏南京210029

短链脂肪酸 （short chain fatty acids，SCFAs）是肠道菌群的一种代谢产物，含1～6个碳原子的有机羧酸，包括乙酸（醋酸）、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、己酸和异己酸等。在肠腔中的浓度约为50～100 mmol/L，乙酸和丙酸多存在于小肠和大肠中，通过门静脉进入肝脏。丙酸随后由肝细胞代谢，而乙酸盐则留在肝脏里或系统地释放到体循环中。丁酸多存在于结肠和盲肠中，主要由结肠细胞利用[1]。SCFAs主要通过以下方式调节肠道功能：抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）来调节基因表达，结合SCFAs受体来影响肠道功能。目前已发现的SCFAs受体包括：G蛋白偶联受体（G protein-coupled recep⁃tors， GPCR） 41、 43及109A（GPR41、 GPR43、GPR109A），这些受体遍布肠上皮细胞、免疫细胞、内分泌细胞及脂肪细胞等，与肠道代谢、肿瘤抑制、免疫调节密切相关[2]。肠道中的SCFAs不仅可以作为营养物质被吸收还可以调节肠道功能。人粪便菌群代谢产物SCFAs会影响受试者结肠粪便转运时间，两者呈负相关[3]。SCFAs可改善肠道动力的研究已成为了国内、外关注的重点。大量动物实验、组织离体实验[4-8]证实，SCFAs参与调节肠道动力，可改善便秘症状。故研究短链脂肪酸影响肠道动力的作用机制有望为便秘的预防和治疗提供新的途径。

文中主要介绍SCFAs的来源、组成、合成、分布以及影响肠道动力的相关可能机制，从而为临床应用SCFAs干预便秘及肠道相关疾病提供理论指导。

1 SCFAs的来源、组成、合成、分布

大部分SCFAs大部分来源于盲肠和近端结肠。肠道中的拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Fir⁃micutes）是产生SCFAs的两门优势菌，约占肠道菌群总量的20%和60%，变形菌门（Proteobacteria）（5%～10%）和放线菌门（Actinobacteria）（3%）占比相对较少[9]。SCFAs由肠道菌群经不同代谢途径产生，乙酸盐可由肠道菌群通过乙酰辅酶A或通过Wood-Ljungdahl途径从丙酮酸产生，丙酸盐可通过琥珀酸途径从琥珀酸转化为甲基丙二酰-CoA，或以乳酸作为前体通过丙二醇途径产生。丁酸盐有多种合成途径，可通过磷酸转丁酰酶和丁酸激酶或乙酸CoA-转移酶途径从丁酰-CoA产生[10]。肠道中短链脂肪酸以离子形式存在居多，大多通过转运体被机体吸收利用。SCFAs的特异转运体包括：羧酸转运体（MCT1）/Slc16a1、钠耦联羧酸转运体（SMCT-1）/Slc5a8介导的转运，遍布于结肠细胞，少量分布于小肠细胞[2]。此外，还可以通过激活G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCR）进行转运。

2 短链脂肪酸影响肠道动力的机制研究

2.1 影响肠神经系统（entericnervoussystem，ENS）

肠神经系统（ENS）通过分泌多种兴奋性和抑制性神经递质来调控结肠的收缩舒张功能，通过迷走神经和中枢神经相沟通。兴奋性肠神经递质包括：P物质（substance P，SP）、乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）、5-羟色胺（serotonin，5-HT）；抑制性递质包括：一氧化氮（nitric oxide，NO）、血管活性肠肽（vasoactive intestinal polypeptide， VIP）、 阿 片 肽等。Ach、SP、VIP和NO神经元胞体及神经纤维在不同肠段的分布显著不同，而肠肌丛内各种神经元在形态学上彼此关联，在肠道动力功能调节上协同发挥作用[11]。有研究表明丁酸能显著增加乙酰胆碱转移酶（ChAT）免疫反应阳性肌间神经元的比例，能增加胆碱能介导的离体结肠环行肌收缩反应[12]。丁酸的主要作用发生在它被属于Slc16a1家族质子连接膜蛋白的单羧酸转运体（MCT）转运到细胞内之后。目前已在哺乳动物中发现了MCT家族的14个成员，但其中只有MCT1、MCT2、MCT3和MCT4被证明可以运输单羧酸盐，如乳酸、丙酮酸、β-羟基丁酸酯或SCFA。丁酸通过胆碱能途径增加ENS引起的结肠运动和收缩反应，增加ChAT-IR肠神经元的比例。丁酸盐诱导的胆碱能表型涉及MCT2，该表型在肠神经细胞中被特异性检测到。丁酸对ChAT基因的转录有调节作用，可以增加ChAT的活性和mRNA的稳定性。丁酸可以通过抑制基因启动子区域的组蛋白去乙酰化酶（HDAC）来调节基因表达。Ono等[13]发现SCFAs可对离体大鼠结肠远端包括黏膜在内的纵肌（LM）自发收缩产生影响，丙酸和丁酸可以增加大鼠远端结肠LM的自发收缩频率，研究发现SCFAs可能通过ENS调节LM的自发收缩频率，从而促进包括蠕动反射在内的结肠运动。SCFAs亦可通过菌—肠—脑轴调控肠道代谢[14]，SCFAs通过5-HT调控肠道动力的作用机制将在下文详细论述。

2.2 影响Cajal间质细胞

Cajal间质细胞（interstitial cells of cajal，ICC）具有起搏及产生并传播慢波（slow wave，SW）的功能，ICC可以转导胃肠道的神经信号[15]。研究发现，慢传输型便秘（STC）患者结肠组织中Cajal间质细胞数量显著降低，形态及其超微结构也发生改变，因此有学者认为，ICC数量及结构的异常与STC发病密切相关[16]。胃肠系统ICC表型和功能的维持在很大程度上依赖于细胞表面酪氨酸激酶受体c-Kit蛋白表达介导的信号级联反应。有研究发现丁酸通过调节AKTNF-κB信号通路，促进排粪，调节肠道运动，促进间质细胞增殖，抑制ICC丢失，使c-Kit表达的减少[17]。另外，在分离自STC小鼠的ICC细胞中直接显示了丁酸钠对ICC增殖的促进作用。丁酸钠还能促进STC小鼠ICC细胞和结肠组织中p-p65/p65和pakt/AKT的表达。NF-κB和AKT信号通路是众所周知的细胞增殖调节因子，这些信号通过激活ICC中的NF-κB和AKT信号来调节肠道的运动性。

2.3 调节信号通路

2.3.15 -HT信号系统5-HT是一种吲哚衍生物，又名血清素，是一种重要的信号分子和神经递质[18]，5-HT信号系统在消化系统疾病的发病机制中扮演重要的角色，与胃肠道活动密切相关。5-HT依靠摄取食物中的色氨酸来合成，5-HT能神经元或肠嗜铬细胞（EC）摄取色氨酸，之后在色氨酸羟化酶（TPH）催化作用下生成5-羟色氨酸，后者在色氨酸脱羧酶（TPD）的作用下生成5-HT。体内95%以上的5-HT都储存在EC内，作为5-HT合成限速酶的TPH有两种同工酶：TPH1和TPH2。健康人或小鼠的芽孢杆菌通过SCFAs上调TPH1表达，升高结肠及血清5-HT水平，从而改善GF小鼠的肠道动力障碍[19]。而敲除TPH1的小鼠无法对SCFAs产生类似反应，也说明黏膜5-HT可能是其促动力效应的下游信号[20]。

5-HT的合成和释放可在中枢神经系统（CNS）、EC和ENS同时进行[21]。5-HT必须通过相应受体的介导才能发挥生物学效应。5-HT受体（5-HTR）分型复杂，在哺乳动物中已发现14个5-HTR亚型、7个亚家族，目前研究认为影响胃肠道功能的主要有5-HT1、5-HT2、5-HT3、5-HT4、5-HT7这几种受体[22]。5-HT的降解是由线粒体膜上的单胺氧化酶A（MAO-A）氧化生成5-羟基吲哚乙酸（5-hydroxyin⁃dolacetic acid，5-HIAA），后者经有机酸代谢途径进一步代谢。5-HT释放后需依靠5-HT再摄取转运体（SERT）被肠嗜铬细胞、神经元、血小板、肠上皮等再摄取利用[21]。

因此，通过干预5-HT的代谢路径可以调节肠道动力。将SCFAs（乙酸、丁酸盐或丙酸）应用于大鼠中、远端结肠三室平板制剂的中央隔室，测定三个隔室5-HT、脑源性神经营养因子（BDNF）和降钙素基因相关肽（CGRP）的释放，研究发现，SC⁃FAs通过刺激黏膜细胞释放5-HT和激活含有CGRP的感觉神经末梢上的5-HT4受体来触发蠕动反射。SCFAs可能激活了近端结肠的迷走神经5-HT3介导的通路和远端结肠的内源性5-HT4/CGRP通路，调节上行收缩和下行舒张，促进结肠运动[23]。Yano等[19]通过动物实验发现乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐等细菌代谢产物能增加肠道EC的5-HT生物合成，从而调节结肠和血液中的5-HT浓度，代谢产物通过直接向结肠EC发出信号来促进TPH1表达和5-HT生物合成。Mitsui等[24]研究发现，丙酸和丁酸作用于大鼠远端结肠离体标本时，会引发EC释放5-HT。5-HT通过5-HT4受体作用于固有初级传入神经元的末端，进而激活胆碱能运动神经元，引发环状肌收缩，丙酸和丁酸还能通过释放前列腺素在大鼠远端结肠引起紧张性收缩，即结肠腔内的SCFAs通过神经和非神经通路来调节肠道运动。Lund等[25]研究发现GLP-1是邻近EC细胞分泌5-HT的旁分泌调节器，它可能通过激活迷走神经传入GPR65神经元上表达的5HT3受体，将营养信号从肠道传递到中枢神经系统。即EC细胞可通过旁分泌、直接激活传入迷走神经和内分泌机制发挥调节肠道作用。

2.3.2 蛋白偶联受体介导的信号通路 GPCR是七次跨膜的单体蛋白，通过激活异三聚体G蛋白转导信号而得名，主要介导大部分的激素和神经传导引起的细胞应答，可与细胞外的多种配体相结合从而调控诸多生理过程。GPCR是目前已知的细胞表面最大受体超家族，是诸多新药研发的重要靶点。通常情况下受体与异三聚体G蛋白结合：当受体活化后G蛋白被激活，GTP取代GDP与Gα亚基结合，G蛋白的β、γ亚基被释放。一旦G蛋白被成功激活，它会将信号传递给下游的效应分子，这些分子具有酶活性或可作为离子通道发挥作用。最重要的效应分子是腺苷酸环化酶、磷脂酶和磷酸二酯酶。这些酶的活化将导致原本分散的信号分子如cAMP、cGMP、甘油二酯、三磷酸肌醇和钙离子浓度的改变，这些信号分子将触发更多的下游反应[26]。G蛋白偶联受体介导的信号通路为数众多，较经典的有PKA途径、IP3-DAG途径、MAPK途径及离子通道等。GPR43与GPR41是重要的SCFAs受体，GPR41活化后可导致cAMP水平下降，胞内钙离子浓度上升，并且引发细胞分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）活化，增加细胞内MAPK的磷酸化水平[26]，亦称FFA3/FFAR3。GPR43存在于脂肪组织、免疫细胞等不同组织和细胞中，它能被SC⁃FAs激活，根据其内源性配体也被称为FFA2/FFAR2。GPR43在肠道的诸多细胞中（如内分泌细胞、免疫细胞等）都有表达，一些研究发现某些SC⁃FAs的作用主要依赖与GPR43的结合。GPR43与酪酪肽（peptidetyrosinetyrosine，PYY）共同定位于黏膜上皮细胞和肥大细胞，以及载有5-HT的结肠远端肥大细胞，通过5-HT与PYY控制胃肠道运动和细胞分泌[27]。Karaki等[28]认为SCFAs促结肠运动的生理效应是通过GPR43影响肥大细胞释放5-HT和PYY。Tazoe等[29]研究发现SCFAs受体GPR41和GPR43表达于PYY的肠内分泌黏膜细胞，结肠运动由SCFAs受体激活所致。另外，SCFAs能够激活G蛋白偶联受体如GPR41、GPR43，介导GLP-1和PYY的分泌，进而调节胃肠动力。反之，GF/PGF小鼠结肠中SCFAs匮乏，GLP-1基础水平呈适应性增加，延缓了肠道传输[30]。Yang[31]等用粪菌移植（FMT）干预GF小鼠后，检测GF小鼠的胃肠道组织GLP-1及其受体的表达，并测定胃肠通过时间（GITT），得出了和前述文献相同的结论。

2.4 维持肠道屏障完整性

肠黏膜屏障包括机械屏障、免疫屏障、化学屏障、生物屏障。SCFAs不仅可以为肠黏膜细胞储存能量、降低渗透压、保持肠道健康，更重要的是可通过激活GPCR和抑制HDAC调节免疫应答，参与机体生物屏障的构建，使之免受病原微生物的侵害，同时刺激机体免疫系统的发育和成熟，调控机体的新陈代谢[32-33]。SCFAs同时还对肠上皮细胞有促增殖、分化的作用，促进蛋白生成，保持肠黏膜完整性，对维持肠黏膜机械屏障具有重要意义[34]。它可以为结肠细胞提供60%～70%的能量，减少细胞凋亡[35]。STC患者肠黏膜萎缩，其上皮细胞通透性增加，并存在肠黏膜屏障功能损害，其损害程度与便秘严重程度成正比[36]。因此SCFAs通过改善肠黏膜屏障功能进而调节便秘可能是潜在的治疗研究靶点。有研究表明，肠道中较高的丁酸水平可提供足够的能量产生，以驱动具有较高细胞ATP的代谢过程；相反，较低的丁酸水平导致细胞ATP的枯竭，不能支持紧密连接蛋白合成的刺激，从而导致AMPK磷酸化增加。此外，该研究发现ZO1上调也反映了SC⁃FAs在上皮细胞调节中的关键作用，可以通过抑制脂多糖（LPS）的释放来缓解便秘[37]。因此，丁酸对细胞收缩有直接的调节作用，进而可能影响黏膜屏障功能，影响细胞代谢。王琳琳等[38]研究发现SCFAs通过调控Th17/Treg，改善了肠道通透性增大的现象，减轻炎症，从而缓解便秘，其中乙酸、混酸对Th17/Treg平衡失衡的调控作用优于丁酸、丙酸，提示SC⁃FAs缓解便秘的同时也调节了机体的炎性反应，但影响Treg细胞的具体途径和机制尚待研究。

3 小结

SCFAs可影响肠道运动的许多过程，可通过调节5-HT信号系统，进而调节肠道动力，从而可用来治疗便秘。可能的机制是SCFAs通过激活GPCR和抑制HDAC来调节5-HT，但具体机制仍需进一步阐明。因此，对肠道SCFAs的深入研究可能成为治疗便秘的一个关键点，具有积极的临床意义。