陈文轩 张 哲 孙亚星 刘 霞 王斌斌 冯百岁 （郑州大学第二附属医院消化内科，郑州 450014）

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一类慢性、复发性、非特异性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和克罗恩病（Crohn"s disease，CD），其确切病因和发病机制至今不明，目前考虑其与肠道菌群改变导致肠黏膜异常、遗传、环境等多因素相互作用相关。肠道菌群（gut flora，GF）在调节肠道稳态和IBD发病机制方面的作用已被广泛证实，不仅能够通过影响Th17/Treg平衡进而影响宿主肠道免疫功能，还能够通过分泌代谢产物，如短链脂肪酸（short chain fatty acids， SCFAs）、色氨酸等，影响肠上皮细胞能量代谢及黏膜屏障［1-3］。作用机制研究发现，SCFAs可通过调节肠道免疫细胞功能、调控细胞因子释放、为肠道上皮细胞提供能量、维持肠道黏膜屏障功能等维持肠道稳态，本文就SCFAs在IBD中的作用及机制进行综述。

SCFAs是一类脂肪尾部由1～6个碳组成的羧酸，如甲酸（C1）、乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）、戊酸（C5）、己酸（C6）等，肠道总浓度为0.5～0.6 mol/L，其中乙酸、丙酸和丁酸是肠道中最丰富的SCFAs（≥95%），摩尔比约为3∶1∶1，由盲肠和结肠内厌氧菌发酵不易被消化的膳食纤维（dietary fiber，DF）产生，是一类影响宿主免疫和能量状态的细菌代谢物［4-6］。不易被消化的DF包括抗性淀粉、菊粉、燕麦麸、麦麸、纤维素、瓜尔胶和果胶［7］；
厌氧菌拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸，而厚壁菌门主要产生丁酸［8］。SCFAs主要通过被动扩散、与碳酸氢交换、转运蛋白一元羧酸转运蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1，由SLC16A1编码）和钠偶联的一元羧酸转运蛋白1（sodium coupled monocarboxylate transporter 1，SMCT1，由SLC5A8编码）4种转运机制被肠上皮细胞吸收，由肠系膜上静脉和肠系膜下静脉进入门静脉。肝脏中，乙酸和丁酸是合成胆固醇和长链脂肪酸的底物，丙酸通过三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）转化为葡萄糖［9-10］。此外，SCFAs也可直接通过下腔静脉进入体循环，对消化系统以外的组织/器官，如肺、肾脏和大脑等发挥重要作用［11-13］。

SCFAs主要通过G蛋白偶联受体（G protein coupled receptors，GPCRs）激活途径和组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylases，HDACs）抑制途径两条信号通路调节肠道、神经、内分泌、血液等不同系统功能，是调节代谢紊乱、调控机体免疫、维持肠道黏膜屏障稳态的关键因素［14］。

2.1 GPCRs激活途径 GPCRs也称游离脂肪酸受体（free fatty acid receptors，FFARs），在结构上为单体蛋白，氨基端位于细胞膜外表面，羧基端位于细胞内侧，其肽链反复跨膜7次，在膜外侧和膜内侧形成几个环状结构，构成细胞外环和细胞内环，分别接受细胞外刺激和调控细胞内信号传导。已发现的GPCRs有GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）、GPR109受体，在多种细胞上均有表达［15］。SCFAs通过激活GPCRs进一步激活异源三聚体的Gα亚基（主要负责与GPCRs受体结合）从Gβγ亚基分离，通过Gα亚基（主要包括Gαi/o和Gαq/11）调节细胞内多种信号传导［16］。通过激活Gαi/o抑制腺苷酸环化酶（adenyl cyclase，AC）活性，从而导致环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）生成减少；
通过激活Gαq/11激活磷脂酶C（phospholipase，PLC）促进内质网上的肌醇三磷酸（inositol triphosphate-3，IP3）受体激活，并导致内质网释放Ca2+；
Gβγ亚基 也可触发各种下游信号通路（如AC、IP3）及激活ERK/Atf2、Stat3、Stat5和mTOR等关键信号分子［17-18］。β-arrestin2（β-Arr2）作为一种支架蛋白，是G蛋白信号的负调控因子，通过G蛋白脱敏GPCR信号诱导GPCRs内吞［19］。

2.2 HDACs抑制途径 HDACs是一种参与修饰染色体结构和调控基因表达的蛋白，水解蛋白质底物赖氨酸残基上的N-乙酰基，尤其是染色质核小体复合体组蛋白中乙酰化的侧链赖氨酸，抑制组蛋白乙酰化，抑制核染色质结构开放，沉默DNA［20］。作为基因激活调控的一部分，组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases，HATs，HDACs抑制剂）乙酰化组蛋白可增强染色质可及性，促进核易位和转录因子如STAT3、NF-κB、FoxP3、N-FAT和RUNX1与DNA结合，调控基因表达，而HDACs则逆转这一过程［21］。正常情况下，二者平衡存在，引起DNA表达多样性，在细胞和系统水平产生多方面影响；
二者失衡可能导致NF-κB和AP-1调控的促炎反应基因持续转录，形成慢性炎症循环。研究表明，丁酸（10 mmol/L）、丙酸（10 mmol/L）以及HDACs抑制剂TSA（2 μmol/L）在相同条件下处理HDACs，测定HDACs活性发现，TSA组活性降低至原始活性的1%以下，而丙酸组与丁酸组活性分别为10%和30%，说明SCFAs与TSA一样对HDAC活性有抑制作用［22］。

SCFAs可通过调节几乎所有类型免疫细胞功能调节肠道黏膜免疫。固有淋巴细胞（intrinsic lymphocytes，ILCs）是分布于黏膜的异质性淋巴细胞，接受局部微环境细胞因子信号后，通过分泌细胞因子及其他递质发挥免疫监视和免疫调节作用［23］。研究发现，SCFAs通过激活GPR43进一步促进ILCs成熟及功能恢复［24］。GPR43在中性粒细胞中高表达，SCFAs通过激活GPR43进而抑制中性粒细胞向炎症部位募集［25］。SCFAs可通过抑制HDAC活性抑制LPS诱导的巨噬细胞迁移、促炎细胞因子NO、IL-6和IL-12分泌［26］。丁酸盐通过诱导Zn2+结合HDACs活性位点抑制HDACs，促进Foxp3启动子和增强子保守非编码序列（conserved non-coding sequences，CNSs）组蛋白H3乙酰化，促进基因表达和Treg功能成熟，增强抗炎作用［27］。SCFAs还通过抑制HDACs途径上调Aicda、Xbp-1、Ada、CD69、Prdm1及Irak3基因表达，诱导B细胞分泌IgA［28-29］。

肠道黏液蛋白（mucus proteins，MUC）、抗菌肽（antimicrobial peptides，AMP）和IgA构成肠黏膜化学屏障，由肠壁细胞分泌并稀释、水解有毒有害物质，防止机体损害［30］。研究发现，SCFAs通过激活GPCRs促进MUC、AMP、IgA分泌，维持肠黏膜化学屏障，抵御病原体入侵［31］。肠上皮细胞中的claudin、occludin、ZO-1、ZO-2等多种连接蛋白形成上皮细胞紧密链接，构成上皮细胞机械屏障，其完整性在维持肠道平衡方面具有重要作用［32-33］。SCFAs通过激活AMPK、抑制MLCK/MLC2通路及PKCβ2磷酸化上调ZO-1、occludin、claudin-3和claudin-4表达［34］。低氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）是一种协调屏障保护因子，肠道上皮细胞吸收SCFAs需消耗肠道约70%氧气，通过激活GPCRs上调Stat3和mTOR，促进和稳定HIF-1α表达，进一步诱导Tr1分化，并通过TASK-2通道提高肠黏膜中B细胞对炎症反应的灵敏性，维持肠黏膜免疫屏障稳定性［35-37］。此外，SCFAs还可通过调节增殖基因（包括细胞周期蛋白家族）和凋亡基因（主要是caspase家族及p53、Bax和Bcl-2）调节肠上皮细胞（intestinal epithelial cell，IEC）增殖和凋亡［38］。

急性炎症导致肠道内免疫稳态被打破后，促进多种细胞因子（如IL-6、IL-8、IL-17等）释放，作用于效应细胞加重肠道炎症。SCFAs通过抑制HDACs途径或激活GPCR41/43途径，抑制巨噬细胞NF-κB介导的促炎因子（如TNF-α、IL-6、IL-12）产生、下调诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）及血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）和细胞内黏附分子-1（intracellular adhesion molecules，ICAM-1）等多种趋化因子基因编码，促进肠道免疫细胞抗炎因子（如IL-10、IL-4）产生［39-40］。SCFAs通过刺激GPCRs诱导前列腺素E2释放和抗炎因子IL-10表达，也可激活炎症小体，促进IL-18产生和分泌［41］。另有研究发现，SCFAs 通过HDACs抑制途径增强组蛋白修饰，增加HIF-α与IL-22启动子结合域的可能性，促进IL-22生成［42］。此外，SCFAs明显上调IL-17A、IL-17F、RORα、RORγt、T-bet和IFN-γ表达［43］。

IEC能量平衡障碍是CD炎症组织的典型特征。外来因素持续刺激IEC导致能量过度消耗或肠道本身能量供应减少是IEC维持能量稳态失败的主要原因。线粒体在维持IEC能量稳态方面发挥重要作用［44］。SCFAs能明显增加编码线粒体ATP合成酶亚基和编码线粒体解偶联蛋白基因表达，维护线粒体功能［45］。丙酸可作为琥珀酰辅酶a进入三羧酸循环，乙酸和丁酸可作为乙酰辅酶a进入TCA，明显提高细胞内ATP/ADP，为细胞供能［16，45］。此外，IBD患者和结肠炎小鼠中，转运蛋白MCTs表达下调，导致IEC中SCFAs水平下降。研究发现，丁酸可激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPAR-γ）功能，促进MCT-1和MCT-4等体内和体外转运体表达，促进IEC吸收SCFAs，为IEC供能［46］。

综上，SCFAs在IBD中发挥重要作用。随着国内学者对IBD研究增多，IBD治疗药物除糖皮质激素、氨基水杨酸制剂、免疫制剂、生物制剂外，肠道益生菌、SCFAs也用于临床辅助治疗。研究显示，SCFAs可促进cAMP生成，或促进神经递质氨基丁酸（GABA）和NO通过脑-肠轴循环，从中枢调控肠道炎症；
SCFAs在机体能量代谢、神经、内分泌中发挥重要作用，随着IBD临床治疗越来越趋向个体化，这些思路为SCFAs研究提供了新方向。

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