丁酸鹽在多發(fā)性硬化中的積極作用及其機制研究①

潘 頔 李 瑾 李 苗 郭威麗 楊 丹（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，哈爾濱 150081）

多發(fā)性硬化（multiple sclerosis，MS）是一種慢性免疫介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）疾病，淋巴細胞浸潤導(dǎo)致腦和脊髓脫髓鞘及軸突損傷［1］，學(xué)者通過實驗性自身免疫性腦脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）動物模型實驗得出具有促炎表型的髓鞘反應(yīng)性T 細胞，T細胞根據(jù)其表面抗原識別受體（T cell receptor，TCR）所含肽鏈分為αβT 和γδT 細胞，后者能迅速識別TCR 信號和模式識別信號，被認為是一種固有免疫細胞，是固有免疫與適應(yīng)性免疫應(yīng)答的紐帶［2］。特別是1型（Th1）和17型（Th17）輔助性T細胞，進入CNS 后被重新激活進而引發(fā)組織損傷［3］。相反，調(diào)節(jié)性T 細胞（regulatory T cells，Tregs）如FOXP3+或Tr1細胞會抑制CNS炎癥［4］，這種不平衡的自我反應(yīng)導(dǎo)致組織反復(fù)發(fā)生炎癥變化，致使MS 患者神經(jīng)退行性病變和隨后的神經(jīng)功能缺損［5］。

1 MS中的腸道微生物

既往研究分析60 例復(fù)發(fā)緩解MS（relapsing remitting MS，RRMS）患者和43例健康對照者的腸道微生物群，得出RRMS 患者的腸道微生物群中甲烷諾桿菌（Methanobrevibacter）和阿克曼菌（Akkermansia）增多，以及丁酸的生產(chǎn)者丁酸蓖麻單胞菌（Butyricimonas）減少［6］。此外，在體外T 細胞極化條件下，單獨培養(yǎng)的Akkermansia和醋酸鈣桿菌（Acinetobacter calcoaceticus）提取物促進了Th1 細胞分化，抑制了Tregs 分化［6］。另一項實驗得出，與健康雙胞胎的移植相比，MS雙胞胎的糞便微生物群移植入小鼠體內(nèi)，誘發(fā)EAE 發(fā)病的概率更高，且脾臟CD4+T 細胞中IL-10 生成減少。這些結(jié)論均證實，腸道微生物群促進T細胞依賴性的CNS自身免疫。

2 短鏈脂肪酸參與免疫調(diào)節(jié)

短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）主要由膳食纖維或黏蛋白等糖基化宿主蛋白在結(jié)腸中發(fā)酵生成［7］。其中醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽是其主要成分。SCFAs 有多種方式參與調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)，包括代謝整合、微生物群調(diào)節(jié)、抑制組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）和激活G 蛋白偶聯(lián)受體（G-protein coupled receptors，GPCRs），可激活多個GPCRs，如游離脂肪酸受體2（fatty acid receptor 2，F(xiàn)FAR2）、FFAR3、GPR109A和嗅覺受體-78（Olfr78）［8］。SCFAs 可通過外周免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)腦功能，或直接作用于免疫細胞，間接減少大腦中的神經(jīng)炎癥［9］。例如，SCFAs 可調(diào)節(jié)炎癥細胞因子（如TNF）的產(chǎn)生，直接影響中性粒細胞，并通過調(diào)節(jié)趨化因子（如CXCL1 和CXCL8）的產(chǎn)生作為中性粒細胞趨化劑［10］。乙酸鹽可轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A整合到細胞代謝中，從而促進mTOR 活化。這一過程反過來促進T 細胞分化為Th1、Th17 和IL-10+T 細胞［11］。此外，乙酸鹽或FFAR2-、FFAR3-特異性合成激動劑通過激活FFAR2和FFAR3在體外調(diào)節(jié)人類（而不是小鼠）單核細胞炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致p38 磷酸化增加，促炎細胞因子表達降低。

3 丁酸鹽與MS

3.1 丁酸具有抗炎能力及維護屏障功能 丁酸鹽是由碳水化合物經(jīng)糖酵解產(chǎn)生，人體攝入膳食纖維的含量和組成可調(diào)節(jié)腸道和循環(huán)中的丁酸濃度［12］。SCFAs被腸黏膜有效吸收后，作為能量來源、基因表達調(diào)節(jié)器和被特定受體識別的信號分子對宿主生理產(chǎn)生重要影響［13］。丁酸鹽抑制單核細胞和樹突狀細胞（dendritic cells，DCs）成熟，降低其產(chǎn)生促炎細胞因子（如IL-12和TNF）的能力，將DCs暴露于丁酸鹽環(huán)境中可導(dǎo)致具有免疫抑制特性的吲哚胺2，3-雙加氧酶1（2，3-dioxygenase 1）和乙醛脫氫酶1A2（aldehyde dehydrogenase 1A2）表達增加，并促進原始T 細胞轉(zhuǎn)化為FOXP3+Treg 而不是促炎性IFN-γ細胞。研究表明，在抗炎作用中，丁酸鹽能通過抑制HDAC1，誘導(dǎo)靜止和活化的CD4+和CD8+T細胞凋亡，從而消除一種炎癥源［14］。有研究證實，丁酸是單核細胞衍生的巨噬細胞分化因子，可增強細胞固有的抗菌功能，并證明丁酸鹽通過其抑制HDAC3的功能改變代謝，并誘導(dǎo)產(chǎn)生抗微生物肽，從而增強體內(nèi)和體外的殺菌功能［15］。BACHEM 等［16］得出結(jié)論，丁酸鹽具有獨特的促進CD8+T細胞記憶作用，可通過采用丁酸鹽處理抗原激活的CD8+T 細胞，將其轉(zhuǎn)移到具有完整微生物群的正常飲食小鼠體內(nèi)進行驗證［17］。

丁酸鹽和其他SCFAs 通過上調(diào)和重組緊密連接蛋白增強上皮屏障完整性，這一特征尤其重要，因為除非迷走神經(jīng)受累，否則任何腸-微-腦相互作用都需要通過腸上皮和血腦屏障（blood brain barrier，BBB），現(xiàn)有研究表明微生物群落明顯影響腸上皮和BBB 的通透性［18-19］。已有研究證實，無菌小鼠BBB 通透性增加，SCFAs 產(chǎn)生菌的集落使BBB通透性恢復(fù)，且無菌小鼠腦內(nèi)的小膠質(zhì)細胞呈現(xiàn)不成熟的表型和分枝細胞形態(tài)，口服SCFAs 可恢復(fù)不成熟和畸形的小膠質(zhì)細胞［20-21］。

3.2 丁酸鹽抑制脫髓鞘并促進髓鞘再生 長期以來，MS 一直被認為是由對髓鞘自身抗原（如髓鞘堿性蛋白）反應(yīng)的CD4+T 細胞（主要是Th1 和Th17）介導(dǎo)的自身免疫性疾病［22］。在外周自身髓鞘抗原的作用下異常激活，破壞BBB，在CNS 內(nèi)經(jīng)抗原提呈細胞（antigen presenting cell，APC）進一步激活，分泌大量炎癥細胞因子攻擊髓鞘，進而導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和軸突變性，引起一系列神經(jīng)癥狀［23］。研究證明丁酸鹽可抑制溶血磷脂酰膽堿誘導(dǎo)的脫髓鞘，并促進髓鞘再生，這與成熟少突膠質(zhì)細胞的分化增強有關(guān)，并被認為是由丁酸作為HDACs 抑制劑所介導(dǎo)［24］。然而Tregs 可通過產(chǎn)生CCN3 參與少突膠質(zhì)細胞分化，丁酸鹽抑制HDACs，誘導(dǎo)FOXP3+增強子區(qū)組蛋白H3 乙酰化，從而增強轉(zhuǎn)錄因子FOXP3+表達，F(xiàn)OXP3+是Tregs 的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子［14，25-26］。在髓鞘再形成方面，丁酸鹽促進成熟的少突細胞分化，而不增加少突膠質(zhì)細胞的前體細胞數(shù)量［27］。丁酸和其他HDACs 抑制劑通過多種機制抑制少突膠質(zhì)細胞的缺血性損傷［28］，WANG 等［29］報道，在創(chuàng)傷性腦損傷模型中，HDACs 抑制劑通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞極化防止白質(zhì)損傷。并提示HDACs 抑制劑可減輕少突膠質(zhì)細胞損傷，促進少突膠質(zhì)細胞成熟［30］。

3.3 丁酸鹽改善MS PARK 等［31］發(fā)現(xiàn)長期活動性進行性MS 患者存在明顯的SCFAs 缺陷，活動期患者丁酸鹽含量僅為健康對照組的1/3［32］。髓鞘少突膠質(zhì)細胞糖蛋白免疫誘導(dǎo)的EAE 是一種廣泛應(yīng)用的MS 動物模型，動物實驗在誘導(dǎo)前分別給予小鼠高纖維（30%果膠）、低纖維（<0.3%）或?qū)φ诊嬍常?%纖維素），得出高纖維飲食小鼠的EAE 疾病嚴重程度最低［33］。對小鼠盲腸樣本進行GC-MS 分析，得出高纖維飲食組中乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽水平均提高。進一步分別用乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽進行誘導(dǎo)，得出丁酸鹽處理后降低疾病嚴重程度最高。同時測得丁酸鹽可抑制IFN-γ 產(chǎn)生，小鼠IL-17的產(chǎn)生也略有增強。小鼠脾臟和淋巴結(jié)中FOXP3+Treg 數(shù)量增加。DUSCHA 等［34］也提出補充丁酸鹽可導(dǎo)致MS 患者免疫細胞平衡的正性改變（Th1/Th17 減少，外周Treg 細胞增加，Treg 細胞恢復(fù)抑制功能）。這些結(jié)果表明，口服短鏈脂肪酸，尤其是丁酸可改善MS 程度［35］。SCFAs 受體的激活可誘發(fā)對跨越屏障微生物的有效急性反應(yīng)［36］。研究表明，F(xiàn)FAR2 和FFAR3 缺陷型EAE 小鼠病程進展緩慢，F(xiàn)FAR2和FFAR3缺乏小鼠在抗腸道細菌感染的急性反應(yīng)方面存在缺陷，這與EAE 反應(yīng)減弱有相似之處［37］。

4 研究局限性及前景

綜上，以上研究的共同點是通過觀察糞便SCFAs 的定量進而進行實驗研究。然而，糞便中的SCFAs 提供了未被吸收的SCFAs 信息，不能反映原位生產(chǎn)速率、吸收以及與其他生物相關(guān)分子或細胞類型的相互作用［38］。這種缺乏理解的現(xiàn)象阻礙了對SCFAs 生物學(xué)功能的深入研究。我們的知識差距源于無法量化發(fā)酵期間的SCFAs，SCFAs 在內(nèi)臟區(qū)域的廣泛吸收和代謝導(dǎo)致低血漿SCFAs 濃度，了解SCFAs 的全身可用性對于理解其生物學(xué)相關(guān)性及解讀全身SCFAs 在腸-腦交流的程度至關(guān)重要?？傊?，目前對腸道微生物群和SCFAs 的功能及其在自身免疫中作用的了解有限，需要更多臨床設(shè)計研究或?qū)嶒瀯游镅芯窟M一步探究腸道菌群及SCFAs對MS的影響機制。