陳文軒 張 哲 孫亞星 劉 霞 王斌斌 馮百歲 (鄭州大學第二附屬醫(yī)院消化內科,鄭州 450014)
炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease,IBD)是一類慢性、復發(fā)性、非特異性腸道炎癥性疾病,主要包括潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC)和克羅恩?。–rohn's disease,CD),其確切病因和發(fā)病機制至今不明,目前考慮其與腸道菌群改變導致腸黏膜異常、遺傳、環(huán)境等多因素相互作用相關。腸道菌群(gut flora,GF)在調節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)和IBD發(fā)病機制方面的作用已被廣泛證實,不僅能夠通過影響Th17/Treg平衡進而影響宿主腸道免疫功能,還能夠通過分泌代謝產物,如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)、色氨酸等,影響腸上皮細胞能量代謝及黏膜屏障[1-3]。作用機制研究發(fā)現(xiàn),SCFAs可通過調節(jié)腸道免疫細胞功能、調控細胞因子釋放、為腸道上皮細胞提供能量、維持腸道黏膜屏障功能等維持腸道穩(wěn)態(tài),本文就SCFAs在IBD中的作用及機制進行綜述。
SCFAs是一類脂肪尾部由1~6個碳組成的羧酸,如甲酸(C1)、乙酸(C2)、丙酸(C3)、丁酸(C4)、戊酸(C5)、己酸(C6)等,腸道總濃度為0.5~0.6 mol/L,其中乙酸、丙酸和丁酸是腸道中最豐富的SCFAs(≥95%),摩爾比約為3∶1∶1,由盲腸和結腸內厭氧菌發(fā)酵不易被消化的膳食纖維(dietary fiber,DF)產生,是一類影響宿主免疫和能量狀態(tài)的細菌代謝物[4-6]。不易被消化的DF包括抗性淀粉、菊粉、燕麥麩、麥麩、纖維素、瓜爾膠和果膠[7];厭氧菌擬桿菌門主要產生乙酸和丙酸,而厚壁菌門主要產生丁酸[8]。SCFAs主要通過被動擴散、與碳酸氫交換、轉運蛋白一元羧酸轉運蛋白1(monocarboxylate transporter 1,MCT1,由SLC16A1編碼)和鈉偶聯(lián)的一元羧酸轉運蛋白1(sodium coupled monocarboxylate transporter 1,SMCT1,由SLC5A8編碼)4種轉運機制被腸上皮細胞吸收,由腸系膜上靜脈和腸系膜下靜脈進入門靜脈。肝臟中,乙酸和丁酸是合成膽固醇和長鏈脂肪酸的底物,丙酸通過三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)轉化為葡萄糖[9-10]。此外,SCFAs也可直接通過下腔靜脈進入體循環(huán),對消化系統(tǒng)以外的組織/器官,如肺、腎臟和大腦等發(fā)揮重要作用[11-13]。
SCFAs主要通過G蛋白偶聯(lián)受體(G protein coupled receptors,GPCRs)激活途徑和組蛋白脫乙?;福╤istone deacetylases,HDACs)抑制途徑兩條信號通路調節(jié)腸道、神經(jīng)、內分泌、血液等不同系統(tǒng)功能,是調節(jié)代謝紊亂、調控機體免疫、維持腸道黏膜屏障穩(wěn)態(tài)的關鍵因素[14]。
2.1 GPCRs激活途徑 GPCRs也稱游離脂肪酸受體(free fatty acid receptors,F(xiàn)FARs),在結構上為單體蛋白,氨基端位于細胞膜外表面,羧基端位于細胞內側,其肽鏈反復跨膜7次,在膜外側和膜內側形成幾個環(huán)狀結構,構成細胞外環(huán)和細胞內環(huán),分別接受細胞外刺激和調控細胞內信號傳導。已發(fā)現(xiàn)的GPCRs有GPR41(FFAR3)、GPR43(FFAR2)、GPR109受體,在多種細胞上均有表達[15]。SCFAs通過激活GPCRs進一步激活異源三聚體的Gα亞基(主要負責與GPCRs受體結合)從Gβγ亞基分離,通過Gα亞基(主要包括Gαi/o和Gαq/11)調節(jié)細胞內多種信號傳導[16]。通過激活Gαi/o抑制腺苷酸環(huán)化酶(adenyl cyclase,AC)活性,從而導致環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)生成減少;通過激活Gαq/11激活磷脂酶C(phospholipase,PLC)促進內質網(wǎng)上的肌醇三磷酸(inositol triphosphate-3,IP3)受體激活,并導致內質網(wǎng)釋放Ca2+;Gβγ亞基 也可觸發(fā)各種下游信號通路(如AC、IP3)及激活ERK/Atf2、Stat3、Stat5和mTOR等關鍵信號分子[17-18]。β-arrestin2(β-Arr2)作為一種支架蛋白,是G蛋白信號的負調控因子,通過G蛋白脫敏GPCR信號誘導GPCRs內吞[19]。
2.2 HDACs抑制途徑 HDACs是一種參與修飾染色體結構和調控基因表達的蛋白,水解蛋白質底物賴氨酸殘基上的N-乙?;绕涫侨旧|核小體復合體組蛋白中乙?;膫孺溬嚢彼?,抑制組蛋白乙酰化,抑制核染色質結構開放,沉默DNA[20]。作為基因激活調控的一部分,組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferases,HATs,HDACs抑制劑)乙?;M蛋白可增強染色質可及性,促進核易位和轉錄因子如STAT3、NF-κB、FoxP3、N-FAT和RUNX1與DNA結合,調控基因表達,而HDACs則逆轉這一過程[21]。正常情況下,二者平衡存在,引起DNA表達多樣性,在細胞和系統(tǒng)水平產生多方面影響;二者失衡可能導致NF-κB和AP-1調控的促炎反應基因持續(xù)轉錄,形成慢性炎癥循環(huán)。研究表明,丁酸(10 mmol/L)、丙酸(10 mmol/L)以及HDACs抑制劑TSA(2 μmol/L)在相同條件下處理HDACs,測定HDACs活性發(fā)現(xiàn),TSA組活性降低至原始活性的1%以下,而丙酸組與丁酸組活性分別為10%和30%,說明SCFAs與TSA一樣對HDAC活性有抑制作用[22]。
SCFAs可通過調節(jié)幾乎所有類型免疫細胞功能調節(jié)腸道黏膜免疫。固有淋巴細胞(intrinsic lymphocytes,ILCs)是分布于黏膜的異質性淋巴細胞,接受局部微環(huán)境細胞因子信號后,通過分泌細胞因子及其他遞質發(fā)揮免疫監(jiān)視和免疫調節(jié)作用[23]。研究發(fā)現(xiàn),SCFAs通過激活GPR43進一步促進ILCs成熟及功能恢復[24]。GPR43在中性粒細胞中高表達,SCFAs通過激活GPR43進而抑制中性粒細胞向炎癥部位募集[25]。SCFAs可通過抑制HDAC活性抑制LPS誘導的巨噬細胞遷移、促炎細胞因子NO、IL-6和IL-12分泌[26]。丁酸鹽通過誘導Zn2+結合HDACs活性位點抑制HDACs,促進Foxp3啟動子和增強子保守非編碼序列(conserved non-coding sequences,CNSs)組蛋白H3乙酰化,促進基因表達和Treg功能成熟,增強抗炎作用[27]。SCFAs還通過抑制HDACs途徑上調Aicda、Xbp-1、Ada、CD69、Prdm1及Irak3基因表達,誘導B細胞分泌IgA[28-29]。
腸道黏液蛋白(mucus proteins,MUC)、抗菌肽(antimicrobial peptides,AMP)和IgA構成腸黏膜化學屏障,由腸壁細胞分泌并稀釋、水解有毒有害物質,防止機體損害[30]。研究發(fā)現(xiàn),SCFAs通過激活GPCRs促進MUC、AMP、IgA分泌,維持腸黏膜化學屏障,抵御病原體入侵[31]。腸上皮細胞中的claudin、occludin、ZO-1、ZO-2等多種連接蛋白形成上皮細胞緊密鏈接,構成上皮細胞機械屏障,其完整性在維持腸道平衡方面具有重要作用[32-33]。SCFAs通過激活AMPK、抑制MLCK/MLC2通路及PKCβ2磷酸化上調ZO-1、occludin、claudin-3和claudin-4表達[34]。低氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor 1α,HIF-1α)是一種協(xié)調屏障保護因子,腸道上皮細胞吸收SCFAs需消耗腸道約70%氧氣,通過激活GPCRs上調Stat3和mTOR,促進和穩(wěn)定HIF-1α表達,進一步誘導Tr1分化,并通過TASK-2通道提高腸黏膜中B細胞對炎癥反應的靈敏性,維持腸黏膜免疫屏障穩(wěn)定性[35-37]。此外,SCFAs還可通過調節(jié)增殖基因(包括細胞周期蛋白家族)和凋亡基因(主要是caspase家族及p53、Bax和Bcl-2)調節(jié)腸上皮細胞(intestinal epithelial cell,IEC)增殖和凋亡[38]。
急性炎癥導致腸道內免疫穩(wěn)態(tài)被打破后,促進多種細胞因子(如IL-6、IL-8、IL-17等)釋放,作用于效應細胞加重腸道炎癥。SCFAs通過抑制HDACs途徑或激活GPCR41/43途徑,抑制巨噬細胞NF-κB介導的促炎因子(如TNF-α、IL-6、IL-12)產生、下調誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)及血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)和細胞內黏附分子-1(intracellular adhesion molecules,ICAM-1)等多種趨化因子基因編碼,促進腸道免疫細胞抗炎因子(如IL-10、IL-4)產生[39-40]。SCFAs通過刺激GPCRs誘導前列腺素E2釋放和抗炎因子IL-10表達,也可激活炎癥小體,促進IL-18產生和分泌[41]。另有研究發(fā)現(xiàn),SCFAs 通過HDACs抑制途徑增強組蛋白修飾,增加HIF-α與IL-22啟動子結合域的可能性,促進IL-22生成[42]。此外,SCFAs明顯上調IL-17A、IL-17F、RORα、RORγt、T-bet和IFN-γ表達[43]。
IEC能量平衡障礙是CD炎癥組織的典型特征。外來因素持續(xù)刺激IEC導致能量過度消耗或腸道本身能量供應減少是IEC維持能量穩(wěn)態(tài)失敗的主要原因。線粒體在維持IEC能量穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用[44]。SCFAs能明顯增加編碼線粒體ATP合成酶亞基和編碼線粒體解偶聯(lián)蛋白基因表達,維護線粒體功能[45]。丙酸可作為琥珀酰輔酶a進入三羧酸循環(huán),乙酸和丁酸可作為乙酰輔酶a進入TCA,明顯提高細胞內ATP/ADP,為細胞供能[16,45]。此外,IBD患者和結腸炎小鼠中,轉運蛋白MCTs表達下調,導致IEC中SCFAs水平下降。研究發(fā)現(xiàn),丁酸可激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPAR-γ)功能,促進MCT-1和MCT-4等體內和體外轉運體表達,促進IEC吸收SCFAs,為IEC供能[46]。
綜上,SCFAs在IBD中發(fā)揮重要作用。隨著國內學者對IBD研究增多,IBD治療藥物除糖皮質激素、氨基水楊酸制劑、免疫制劑、生物制劑外,腸道益生菌、SCFAs也用于臨床輔助治療。研究顯示,SCFAs可促進cAMP生成,或促進神經(jīng)遞質氨基丁酸(GABA)和NO通過腦-腸軸循環(huán),從中樞調控腸道炎癥;SCFAs在機體能量代謝、神經(jīng)、內分泌中發(fā)揮重要作用,隨著IBD臨床治療越來越趨向個體化,這些思路為SCFAs研究提供了新方向。