短鏈脂肪酸與結(jié)腸癌的研究進(jìn)展

王斯琪 陳燁，2

(1南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院消化內(nèi)科 器官衰竭防治國家重點實驗室 廣東省胃腸病重點實驗室，廣東 廣州 510515；2南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院微生態(tài)診療中心消化內(nèi)科)

結(jié)腸癌(CRC)是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一，在我國發(fā)病率僅次于胃癌和食管癌，2018年全球統(tǒng)計新發(fā)腫瘤中，結(jié)腸癌占6.1%，因腫瘤發(fā)生死亡中結(jié)腸癌占5.8%〔1〕，其發(fā)病與遺傳、生活方式、飲食、心理因素、慢性炎癥及腸道菌群密切相關(guān)。有研究顯示，高膳食纖維飲食可以預(yù)防和減少CRC的發(fā)生，短鏈脂肪酸(SCFAs)在其中發(fā)揮重要作用〔2〕。SCFAs是膳食纖維經(jīng)結(jié)腸腸道菌群酵解產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，不僅可以維持正常結(jié)腸上皮細(xì)胞的增殖，為細(xì)胞生長提供能量，更有明顯拮抗CRC腫瘤細(xì)胞增殖，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡的作用，參與腫瘤疾病的發(fā)生進(jìn)展的調(diào)控。有研究表明CRC與結(jié)腸腺瘤患者糞便中丁酸與總SCFAs的比例較健康者相比均有所下降，提示可能是結(jié)腸丁酸鹽低比例增加了結(jié)腸腫瘤的風(fēng)險〔3〕。超過90%的CRC是由結(jié)腸息肉轉(zhuǎn)變而來，有結(jié)腸息肉的患者比正常人產(chǎn)丁酸含量明顯減少〔4〕。SCFAs再成為廣大臨床醫(yī)生及研究者關(guān)注的熱點。本文對SCFAs在CRC疾病中的機(jī)制作用做簡要綜述，為SCFAs臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 SCFAs概述

SCFAs是指未被消化吸收的膳食纖維、蛋白和肽進(jìn)入盲腸和結(jié)腸后，由微生物代謝產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸，由1～6個碳原子組成，主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸，其中乙、丙、丁酸占據(jù)了總量的95%〔5,6〕。腸道產(chǎn)生的SCFAs的種類、數(shù)量主要受發(fā)酵底物、細(xì)菌種類等因素的影響〔7〕?？剐缘矸郯l(fā)酵產(chǎn)生較多的丁酸，果膠則產(chǎn)生更多的乙酸和丙酸〔8〕。擬桿菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物是乙酸和丙酸，而厚壁菌屬則為丁酸〔7〕。

SCFAs在人體的不同器官參與多種代謝途徑，發(fā)揮各自功效。乙酸大部分吸收入血，作為膽固醇合成最主要的底物，參與肝臟的代謝或為周邊組織提供能源，參與肌肉、脾臟、心臟和腦內(nèi)的代謝。丙酸經(jīng)結(jié)腸吸收后，經(jīng)肝臟代謝轉(zhuǎn)化為丙酮酸并被異生為葡萄糖，此外，還能降低羥甲基戊二酸單酰輔酶(HMG-Co)A還原酶的活性，抑制膽固醇的合成〔9〕。丁酸被結(jié)腸上皮細(xì)胞吸收利用，作為結(jié)腸上皮細(xì)胞的首要能量來源〔10〕，并抑制白介素(IL)-6、IL-17等多種促炎因子的生成及腫瘤細(xì)胞的增殖，預(yù)防結(jié)腸炎癥和CRC的發(fā)生，維持腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。由此可見，SCFAs在機(jī)體生理、病理狀態(tài)下均發(fā)揮著不可替代的作用。

2 SCFAs在CRC發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1SCFAs抑制CRC細(xì)胞增殖 SCFAs可作為組蛋白去乙?；敢种苿?HDACI)，發(fā)揮抗癌作用?；蜣D(zhuǎn)錄的有序調(diào)控是機(jī)體細(xì)胞維持正常功能的前提，當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能紊亂，細(xì)胞就可能發(fā)生癌變。腫瘤的發(fā)生與核心組蛋白的乙?；叭ヒ阴；氖Ш庥忻芮械年P(guān)系。在機(jī)體內(nèi)，負(fù)責(zé)組蛋白乙酰化和去乙?；氖且粚δ芟嗷マ卓沟牡鞍酌福航M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(AHT)和組蛋白去乙酰酶(HDAC)。機(jī)體利用這兩種酶對組蛋白氮端氨基酸殘基進(jìn)行乙?；腿ヒ阴；?，調(diào)節(jié)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)核小體結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。當(dāng)HDAC過表達(dá)破壞基因表達(dá)平衡時，導(dǎo)致細(xì)胞異常增殖，腫瘤發(fā)生。諸多研究表明丁酸在濃度為0.5～5 mmol/L時〔11〕可顯著抑制HDAC活性，從而抑制CRC細(xì)胞增殖，尤其對結(jié)腸腺癌細(xì)胞的HDAC活性的抑制最明顯〔12,13〕，使染色質(zhì)乙?；缴险{(diào),處于高轉(zhuǎn)錄活性的開放狀態(tài),從而增加基因表達(dá)量〔14〕,研究證實用丁酸預(yù)處理CRC細(xì)胞系后,發(fā)現(xiàn)研究的588個基因中有23個表達(dá)量明顯上調(diào),諸多基因如p21/Cip1和細(xì)胞周期蛋白(cyclin)D3發(fā)生轉(zhuǎn)錄〔15〕，其中P21基因轉(zhuǎn)錄水平增加4倍以上〔16〕。P21蛋白一方面作為 G1/S 期調(diào)控點因子,與相應(yīng)的cyclin-細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶(CDK)復(fù)合物結(jié)合并抑制其活性,減慢細(xì)胞周期進(jìn)程,抑制細(xì)胞生長,促進(jìn)細(xì)胞分化;另一方面,p21抑制細(xì)胞增殖過程中的 DNA 復(fù)制，是一種臨床應(yīng)用較廣的抑癌基因〔17〕，但具體下游效應(yīng)和機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

SCFAs還可通過阻滯細(xì)胞周期，從而抑制腫瘤細(xì)胞增殖。丁酸可以明顯導(dǎo)致HCT-116細(xì)胞G0/G1和G2周期時間增加，S周期時間減少〔16,18〕。5 mmol/L濃度丁酸與RKO、HCT-116和HT-29等多種結(jié)腸癌細(xì)胞共孵育時，更大程度將細(xì)胞周期阻滯于G2/M期,而轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β則主要阻滯在G0/G1期〔19〕。TGF-β可直接或間接抑制pRb磷酸化,而pRb是決定細(xì)胞是否增殖的中心調(diào)控分子〔20〕。當(dāng)丁酸和TGF-β聯(lián)合治療同樣可改變腫瘤細(xì)胞的周期分布，G0/G1期細(xì)胞阻滯率較高，S期阻滯率較低〔21〕，這表明丁酸鹽不僅對細(xì)胞增殖有獨特的影響,還可加強(qiáng)TGF-β信號通路的影響。Chen等〔22〕研究丁酸鹽可通過增加Kruppel樣因子(KLF)4/胃腸富集KLF(GKLF)mRNA水平，直接激活細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制因子P21的啟動子而促使其轉(zhuǎn)錄表達(dá)，負(fù)向調(diào)節(jié)整個細(xì)胞周期。 此外，丁酸還可干預(yù)其他環(huán)節(jié)抑制腫瘤細(xì)胞增殖。蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMT)1是一組催化蛋白質(zhì)精氨酸發(fā)生甲基化修飾的酶，與多種腫瘤疾病發(fā)生相關(guān)。結(jié)腸腫瘤組織PRMTI的亞型PRMT1v1蛋白水平顯著高于正常組織〔23,24〕。Ryu等〔25〕研究發(fā)現(xiàn)HCT116細(xì)胞丙酸鈉通過mTOR通路下調(diào)PRMT1,降低結(jié)腸腫瘤細(xì)胞群體增殖能力和克隆性增殖能力，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2.2SCFAs誘導(dǎo)CRC細(xì)胞凋亡 Fas/FasL是細(xì)胞外死亡受體途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡最主要的信號之一〔26〕。Rivkin等〔27〕發(fā)現(xiàn)，丁酸鈉可以明顯增加CRC細(xì)胞對Fas介導(dǎo)凋亡的敏感性。丁酸作為HDACI可以促進(jìn)Fas啟動子部位的組蛋白H3在H3K9位點的乙?；皆黾?，進(jìn)而導(dǎo)致Fas表達(dá)增加，抑制STAT1活性，抑制誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(iNOS)誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，從而降低CRC的發(fā)生〔28〕。丁酸還可誘導(dǎo)CRC細(xì)胞內(nèi)的線粒體途徑發(fā)生凋亡。在HCT116細(xì)胞中，通過促進(jìn)線粒體內(nèi)Ca2+的募集，導(dǎo)致Ca2+超載，引起線粒體損傷，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡〔29〕。

B細(xì)胞淋巴瘤(Bcl)-2基因家族蛋白是線粒體凋亡途徑中重要的調(diào)控分子。研究表明，促凋亡蛋白(Bax)和抑制凋亡蛋白(Bcl-2或Bcl-xl)之間相互控制著細(xì)胞色素C等物質(zhì)從線粒體釋放，進(jìn)而啟動半甘氨酸蛋白酶(caspases)級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。丁酸可以抑制沉默信息調(diào)節(jié)因子(SIRT)1激活mTOR/S6K1通路，增加Bax/Bcl-2蛋白比例，誘導(dǎo)HCT116細(xì)胞發(fā)生凋亡〔30〕。其中，SIRT1在DNA修復(fù)、體內(nèi)能量平衡、氧化還原平衡、抗衰老及胰島素分泌等方面具有重要的調(diào)控功能〔31,32〕。

此外，SCFAs也可通過多種途徑參與腫瘤凋亡。有研究表明丁酸通過鈉耦聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白(SMCT)-1攝取，影響HCA-7人結(jié)腸癌細(xì)胞中前列腺素(EP)4受體的表達(dá)水平，從而維持腸道上皮穩(wěn)態(tài)。EP4受體在正常結(jié)腸隱窩上皮細(xì)胞表達(dá)，并通過保持黏膜完整來維持腸道穩(wěn)態(tài)，當(dāng)結(jié)腸組織中丁酸濃度降低，或丁酸攝取減少時，EP4受體過度表達(dá)，伴隨環(huán)氧化酶-2過度誘導(dǎo)，則會發(fā)生早期CRC癌變〔33〕。Terranova-Bareberjo等〔34〕發(fā)現(xiàn)丙戊酸與卡培他濱衍生物協(xié)同作用于野生型HCT116腫瘤細(xì)胞時，有明顯的協(xié)同效應(yīng)；但當(dāng)作用于HCT-116 p53-/-細(xì)胞時，則產(chǎn)生拮抗作用，說明丙戊酸需要通過p53腫瘤抑制蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。SMAD蛋白是TGF-β通路下游受體，是重要調(diào)控分子之一，在調(diào)控干細(xì)胞活性和器官形成中發(fā)揮重要作用，當(dāng)TGF-β信號通路各成員活性未激活時，體內(nèi)會自發(fā)性發(fā)生多種癌癥。丁酸可以呈時間依賴性地上調(diào)SMAD3 mRNA的表達(dá)〔21,35,36〕，48 h時表達(dá)量最大；此外，丁酸鈉對SMAD3蛋白表達(dá)在24 h內(nèi)呈劑量依賴性，中等劑量(2.5和5.0 mmol/L)時效應(yīng)最大〔37〕。

2.3其他 此外，SCFAs拮抗CRC的發(fā)生，也可通過調(diào)控炎癥，抑制炎癥相關(guān)癌變進(jìn)展。研究表明約40%的CRC腫瘤組織中核因子(NF)-κB已處于激活狀態(tài)〔38〕，丁酸可以抑制促炎信號通路NF-κB，同時誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化和抗炎IL-10細(xì)胞表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡〔39,40〕。

SCFAs可通過維持腸上皮完整性，降低CRC發(fā)生。偶氮甲烷(AOM)和葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎相關(guān)性CRC動物模型中，在飲水中加入67.5 mmol/L 乙酸,25.9 mmol/L 丙酸和40 mmol/L丁酸，發(fā)現(xiàn)SCFAs混合用水可以有效維持腸絨毛高度、寬度、隱窩深度及黏膜厚度,增加腸黏膜細(xì)胞增殖能力，減輕腸黏膜萎縮，維護(hù)腸黏膜形態(tài)，維持腸上皮完整性，顯著降低腫瘤發(fā)生率和腫瘤大小，并且抑制IL-6、TNF-α、IL-17等促炎細(xì)胞因子〔41〕。 這是因為SCFAs是腸黏膜營養(yǎng)物質(zhì)之一,為腸上皮提供60%～70%能量,促進(jìn)增生從而修復(fù)腸黏膜。 實驗證實無菌鼠腸道細(xì)胞明顯能量供應(yīng)不足,甚至出現(xiàn)自噬現(xiàn)象,破壞腸道上皮的完整性,但對小鼠飼喂含丁酸的食物后,腸道上皮細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)恢復(fù)正?！?2〕。SCFAs還可以促進(jìn)腸細(xì)胞分泌腸上皮特異性生長因子胰高血糖素樣肽(GLP)-1,進(jìn)而促進(jìn)腸黏膜的生長及修復(fù)腸上皮損傷,提高腸黏膜屏障功能〔43〕。黏液屏障是腸腔抵御攻擊的第一道屏障，黏液屏障主要由黏蛋白多聚糖組成，黏蛋白由MUC基因編碼合成。有研究表明當(dāng)丁酸濃度為9 mmol/L時，可促進(jìn)黏液分泌，在轉(zhuǎn)錄水平提高結(jié)腸杯狀細(xì)胞黏蛋白的分泌量，增強(qiáng)黏液屏障功能〔44〕。

SCFAs發(fā)揮不同的拮抗腫瘤作用還與腸道內(nèi)的pH值水平有關(guān)。Lan等〔45〕研究膳食纖維在結(jié)腸內(nèi)酵解的產(chǎn)物SCFAs(丙酸和乙酸)所營造的不同酸性(pH5.5～7.5)環(huán)境發(fā)現(xiàn),pH為6.0～7.5時SCFAs可觸發(fā)HT-29腺癌細(xì)胞凋亡,pH為7.5時SCFAs誘導(dǎo)癌細(xì)胞處于細(xì)胞周期G2/M期,細(xì)胞隨之凋亡;pH為5.5時SCFAs使癌細(xì)胞線粒體除極化、內(nèi)膜通透性增加、ATP迅速耗竭、活性氧(ROS)聚集增多,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

綜上，SCFAs對CRC的發(fā)生、發(fā)展有著重要影響，具有很高的臨床研究價值。隨著分子研究技術(shù)的不斷發(fā)展，SCFAs對CRC的具體機(jī)制會逐步闡明，為CRC的防治開辟新方向。