丁酸在非酒精性脂肪性肝病發(fā)生發(fā)展中的作用

黨文呈， 鄧烽丞， 李兆龍， 萬燊燚， 張有成

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 普通外科， 蘭州 730030

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一個新興的公共衛(wèi)生問題，其發(fā)病率和患病率在全球范圍內(nèi)均呈持續(xù)上升趨勢[1]。NAFLD指存在至少5%的肝脂肪變性，但缺乏繼發(fā)性肝脂肪積聚的常見原因，如先天性肝病、自身免疫性肝炎、慢性病毒性肝炎、過量飲酒或長期使用脂肪誘導(dǎo)藥物[2]。一部分NAFLD患者先發(fā)展為NASH再發(fā)展為肝硬化，最終發(fā)展為肝細(xì)胞癌[3]。雖然近年來對于NAFLD的治療取得了一些進(jìn)展，但由于NAFLD的發(fā)病機制尚未完全闡明，其治療仍是臨床上的一大難點[4]。近來有研究表明，腸道微生物代謝產(chǎn)物丁酸對非酒精性脂肪性肝病的發(fā)病以及進(jìn)展有一定的作用[5-6]。本文重點介紹了關(guān)于丁酸在NAFLD發(fā)生發(fā)展中的相關(guān)機制。

1 丁酸與腸道菌群

近年來，人們對腸道微生態(tài)有了更加深入的理解。腸道微生態(tài)是指由生活在人類腸道內(nèi)的細(xì)菌、原生生物、古生菌、真菌和病毒組成的生態(tài)系統(tǒng)。迄今為止，胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)是研究最早和最多的人體微生態(tài)系統(tǒng)，對人體健康有著極為重要的作用，而在此復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中，細(xì)菌扮演主要角色。據(jù)統(tǒng)計，腸道有1014數(shù)量級的細(xì)菌，種數(shù)達(dá)1000余種，其中絕大多數(shù)是專性厭氧菌[7]。而最主要的4種菌群為厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形桿菌門。據(jù)估計，有90%的微生物屬于厚壁菌門和擬桿菌門[8]。腸道微生物的組成和功能受到環(huán)境因素和多種宿主因素的影響，包括飲食、活動、藥物、晝夜變化和地理位置等[9]。因此，腸道菌群具有數(shù)量巨大、多樣化、復(fù)雜性和不定性的特點。類似于“原始森林”的人體腸道菌群參與食物的分解、營養(yǎng)物質(zhì)的分泌、調(diào)節(jié)體脂含量、吞食食物殘渣、免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等諸多新陳代謝過程。

短鏈脂肪酸是由小腸遠(yuǎn)端和大腸的微生物群發(fā)酵抗性淀粉、膳食纖維和其他低消化率多糖產(chǎn)生的[10]。主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸。其中，含量相對較高的是乙酸、丙酸和丁酸，是腸道中主要的短鏈脂肪酸。短鏈脂肪酸一旦產(chǎn)生就會被結(jié)腸黏膜細(xì)胞吸收進(jìn)而通過門靜脈進(jìn)入血液循環(huán)。人體腸道中通過發(fā)酵產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌主要有擬桿菌屬、真桿菌屬和梭菌屬[11]。丁酸在腸道上皮細(xì)胞的功能主要有：作為結(jié)腸細(xì)胞的主要能量來源；促進(jìn)消化道黏膜細(xì)胞的生長；誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞的分化；細(xì)胞膜脂類合成的基質(zhì)；參與細(xì)胞骨架構(gòu)建的改變以及增加組蛋白乙?；驼T導(dǎo)細(xì)胞編程死亡等[11]。

2 丁酸影響NAFLD形成的機制

NAFLD的確切發(fā)病機制目前尚不完全清楚，但多數(shù)動物實驗研究表明其與炎癥反應(yīng)、胰島素抵抗和肝線粒體氧化應(yīng)激密切相關(guān)，屬于代謝綜合征的一部分。而丁酸可以通過減輕炎癥反應(yīng)、抑制胰島素抵抗和減弱肝線粒體氧化應(yīng)激等機制影響NAFLD的發(fā)生和發(fā)展。

2.1 丁酸減輕內(nèi)毒素血癥和炎癥反應(yīng) 起源于同一胚層的肝臟和腸道在解剖和功能上有許多聯(lián)系。自從腸-肝軸概念問世以來，肝臟和腸道的關(guān)系就逐漸被人們所研究和認(rèn)識[12]。隨著研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)表明腸道菌群紊亂導(dǎo)致腸壁通透性增加，進(jìn)而導(dǎo)致大量內(nèi)毒素釋放入血，這是NAFLD發(fā)生發(fā)展的諸多因素之一。正常情況下，腸道黏膜機械屏障、免疫屏障和腸道菌群共同組成腸道防御系統(tǒng)，并通過抑制細(xì)菌和毒素在腸道內(nèi)的移位、抑制致病菌的生長等方式來抵御致病菌對人體的侵襲[13]。當(dāng)革蘭陰性細(xì)菌等有害菌過度生長、死亡導(dǎo)致腸道菌群失衡時，釋放出的脂多糖(LPS)以及內(nèi)毒素等有害物質(zhì)超出肝臟清除能力，再加上腸壁通透性增加、腸黏膜機械屏障和免疫屏障受損進(jìn)而防御機制下降等情況下，大量有害物質(zhì)釋放入血并對肝臟直接產(chǎn)生毒性作用，炎癥介質(zhì)過度表達(dá)并且激活炎性反應(yīng)信號通路，從而導(dǎo)致肝損傷引起NAFLD[7,14]。

丁酸在哺乳動物腸道中發(fā)揮著許多有利作用，如抑制炎癥因子的生成[15]、抑制腸道內(nèi)有害細(xì)菌的生長和保護(hù)胃腸道屏障功能[16]。Endo等[6]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通過改變腸道菌群，恢復(fù)腸道屏障功能，有效降低門靜脈血流中腸道源性內(nèi)毒素水平，從而降低肝臟炎癥因子TNFα和TNFα調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子NF-κB水平，從而抑制NAFLD的進(jìn)展。有實驗研究[17]表明，丁酸鈉干預(yù)顯著改善NAFLD小鼠模型腸道微生物菌群，即放線菌等有害細(xì)菌顯著減少而Christensenellaceae菌、Blautia菌和乳酸桿菌等產(chǎn)丁酸的有益菌顯著增加；并且證實丁酸鈉干預(yù)能夠上調(diào)ZO-1蛋白水平來促進(jìn)腸道緊密連接屏障的修復(fù)，降低腸道通透性進(jìn)而減少病原體相關(guān)分子模式向血液循環(huán)的逃逸；該研究還證實了NAFLD小鼠模型經(jīng)丁酸鈉干預(yù)后，內(nèi)毒素和LPS受體Toll樣受體(TLR)4以及下游Myd88蛋白顯著下降，進(jìn)而減少了MCP-1、TNFα、IL-1、IL-2、IL-6和IFNγ等促炎因子的釋放。

SIRT3是線粒體功能的整體調(diào)控因子之一，在NAFLD的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用[18]。Chen等[19]實驗表明，用高脂飼料喂養(yǎng)SIRT3基因敲除小鼠時，小鼠腸道通透性增加、LPS顯著增加并且激活炎性反應(yīng)通路LPS-CD14-TLR4從而促進(jìn)小鼠NAFLD的進(jìn)展，同時給予丁酸鈉干預(yù)后，腸道緊密連接結(jié)構(gòu)的mRNA和蛋白表達(dá)水平顯著增高，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，該研究認(rèn)為丁酸鈉可以通過減輕高脂水平誘導(dǎo)SIRT3基因敲除小鼠的腸黏膜損傷，改善腸道緊密連接結(jié)構(gòu)，減少腸道內(nèi)毒素進(jìn)入肝臟來改善NAFLD的進(jìn)展。該研究同樣提示SIRT3對NAFLD的有效作用可能在很大程度上是由于腸道有害細(xì)菌的減少，產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌數(shù)量的增加，以及腸道屏障功能的改善。有研究[20]發(fā)現(xiàn)Gpr109a能夠抑制脂肪組織甘油三酯的積累以及調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，隨后Koh等[21]研究表明，短鏈脂肪酸受體Gpr109a在脂肪細(xì)胞、肝細(xì)胞和結(jié)腸細(xì)胞中表達(dá)，主要由丁酸鹽識別并激活。同樣Liang等[5]通過實驗研究證實，乳酸菌和雙歧桿菌的益生菌混合物通過其代謝產(chǎn)物丁酸和短鏈脂肪酸受體Gpr109a的相互作用來抑制炎癥反應(yīng)以改善小鼠NAFLD的進(jìn)展。

2.2 丁酸抑制胰島素抵抗 在“二次打擊”學(xué)說中，初次打擊所指的是以胰島素抵抗為基礎(chǔ)，經(jīng)過一系列復(fù)雜反應(yīng)引起單純的肝臟脂肪變性[22]。胰島素抵抗是NAFLD發(fā)病和病情進(jìn)展的重要環(huán)節(jié)。關(guān)于胰島素抵抗發(fā)生機理有兩種假說，一種是炎癥假說，認(rèn)為IL、TNF、CRP等炎癥因子會使胰島素受體酪氨酸磷酸化速度下降，減弱胰島素的生物利用[23]；另一種是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)假說，蛋白激酶C和蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸酶非受體1型過度表達(dá)時使酪氨酸殘基磷酸化，磷酸化后的胰島素受體的活性下降，使其信號傳導(dǎo)減弱，胰島素生物效應(yīng)下降而出現(xiàn)胰島素抵抗[24-25]。張秋楠等[26]通過實驗研究證實，NAFLD患者腸道菌群變化與胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)密切相關(guān)。亦有學(xué)者[27]研究發(fā)現(xiàn)相對于普通小鼠來說，無菌小鼠糖耐量更高，餐后胰島素水平也相應(yīng)降低，并一定程度上可以改善高脂飲食的胰島素抵抗。隨后有實驗研究[28]表明，丁酸及其衍生物苯丙氨酸丁胺在一定程度上能夠限制高脂飲食誘導(dǎo)的TLR轉(zhuǎn)錄和表達(dá)的增加，尤其使TLR4及其共受體CD14在肝臟中的表達(dá)正?；瑫r證實丁酸鹽對限制脂肪變性相關(guān)的胰島素抵抗的早期分子事件具有保護(hù)作用，即降低胰島素抵抗相關(guān)分子如GLUT2、PTP1B和SOCS3等的表達(dá)，但具體機制尚待進(jìn)一步研究。

Henagan等[29]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，丁酸通過上調(diào)核編碼的肌組織線粒體基因中的一核小體上的Pgc1α來增加胰島素敏感性以及抑制肥胖。Chriett等[30]通過細(xì)胞實驗表明，丁酸可以改善大鼠L6肌管胰島素抵抗表型，通過以下兩種方式，一是激活蛋白激酶B和分裂原活化蛋白激酶兩條胰島素信號通路來增加肌細(xì)胞胰島素敏感性；另外由于丁酸是一種組蛋白去乙酰化酶抑制劑，可通過誘導(dǎo)胰島素受體底物1的高表達(dá)從而改善大鼠肌組織胰島素抵抗。同樣，Mollica等[31]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)飲食組小鼠相比，高脂飲食小鼠血糖顯著升高，但給予丁酸以及苯丙氨酸丁胺能夠顯著改善高脂飲食小鼠的HOMA-IR，其機理可能是由于激活A(yù)MPK/ACC途徑以及增加AKT的磷酸化水平和上調(diào)其下游GLUT2的表達(dá)。綜上，丁酸對于改善胰島素抵抗以及對胰島素抵抗引起的NAFLD的控制有極其重要的作用。

2.3 丁酸減弱氧化應(yīng)激 肝線粒體功能障礙可引起脂肪氧化、活性氧(ROS)生成和氧化應(yīng)激的改變[32]，ROS生成增加與線粒體解耦的減少有關(guān)[33]。ROS或脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物激活肝星狀細(xì)胞，刺激細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(包括Ⅰ型膠原蛋白)的生成[34]。因此，ROS在肝纖維化的發(fā)展中起重要作用。Nrf2是一種高效的轉(zhuǎn)錄激活因子，對誘導(dǎo)許多細(xì)胞保護(hù)基因表達(dá)具有重要作用[35]。Endo等[6]實驗研究表明，丁酸梭菌的一菌株MIYAIRI588通過代謝產(chǎn)物丁酸激活A(yù)MPK/SIRT1/PI3K/mTORC2/AKT/Nrf2信號通路，從而誘導(dǎo)Nrf2表達(dá)，通過抗氧化應(yīng)激直接抑制肝星狀細(xì)胞活化和肝纖維化的發(fā)生，這對于預(yù)防NAFLD的進(jìn)展非常重要。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)具有明顯的抗氧化能力[36]。Hatzis等[37]也通過實驗研究表明，褪黑素在體內(nèi)對高脂飲食所誘導(dǎo)的肝臟疾病的保護(hù)作用與肝臟組織中過氧化和氧化應(yīng)激的減輕有關(guān)。同樣有實驗研究[38]證實，補充丁酸鈉可以增強腸內(nèi)褪黑素的合成，進(jìn)而減弱內(nèi)毒素誘導(dǎo)的活性氧的生成和肝臟氧化應(yīng)激，對NAFLD的進(jìn)展有一定的抑制作用。Mollica等[31]也通過實驗研究表明，丁酸鹽能夠通過激活A(yù)MPK/ACC通路，減少ROS生成，減弱氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)線粒體的生物效率和功能狀態(tài)，從而降低肝臟脂肪量，抑制NAFLD的進(jìn)展。

3 問題與展望

NAFLD的發(fā)病機制及演變過程十分復(fù)雜，目前尚無特別有效的治療方法。到目前為止，雖然有一些關(guān)于丁酸抑制NAFLD發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機制已被相關(guān)研究所證實，但仍缺乏足夠的、有說服力的證據(jù)說明丁酸應(yīng)何時及如何應(yīng)用。另外，許多研究均是在動物模型中進(jìn)行的，是否對臨床患者有效仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。綜上，它為NAFLD治療的干預(yù)策略開辟了潛在的途徑。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物丁酸的具體作用仍是當(dāng)前研究的重點，丁酸的應(yīng)用有望成為NAFLD新的防治措施。