短链脂肪酸在脓毒症中的研究进展

Research Progress of Short-Chain Fatty Acids in Sepsis

摘要: 脓毒症死亡率居高不下，并且会导致机体器官不同程度的损伤，因此其治疗尤为重要，大量研究发现短链脂肪酸可通过抗炎抗氧化在脓毒症机体的发生发展中起着重要作用。本文通过阐述短链脂肪酸的产生及在各个系统中的作用，为短链脂肪酸在脓毒症防治中的进一步研究提供参考。

Abstract: Sepsis has a high mortality rate and can lead to different degrees of organ damage, so its treatment is particularly important. A large number of studies have found that short-chain fatty acids can play an important role in the occurrence and development of sepsis through anti-inflammatory and antioxidant. In this paper, the production of short-chain fatty acids and their functions in various systems are described, so as to provide reference for further research on the prevention and treatment of sepsis.

1. 引言

脓毒症(sepsis)是由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍。脓毒症及脓毒性休克每年影响世界各地数百万人，并且六分之一至三分之一的脓毒症患者死亡 [1] 。2000多年前，被誉为现代医学之父的希腊医生希波克拉底(Hippocrates)说过“所有疾病始于肠道” [2] 。脓毒症也与肠道息息相关，肠道菌群移位可谓是脓毒症发生发展及转归的发动机 [3] 。肠道菌群的代谢产物也通过多种方式去影响疾病。短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)是肠道菌群分解膳食纤维或淀粉而产生的代谢产物。它可作为结肠内能量的来源，除此之外，还影响着心血管系统、呼吸系统、泌尿系统等。因此SCFA越来越受到重视，相关研究层出不穷。但SCFA对患者具体是有益还是有害，仍有争论。现就SCFA对机体的影响研究进展进行综述。

2. 短链脂肪酸的代谢

短链脂肪酸是一类挥发性有机酸，其碳原子数目小于7，由1~6个碳的羧酸加脂肪组成，包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸、异戊酸和己酸等，其中最丰富的为乙酸、丙酸和丁酸，约占肠道中总SCFA的95%左右，摩尔比值为3:1:1 [4] 。SCFA的产生主要是在肠道菌群分解不易消化的碳水化合物，其中产生部位主要是在结肠和盲肠中，SCFAs浓度最高处位于盲肠和近端结肠，在远端结肠中SCFAs浓度有所下降 [5] [6] 。其中乙酸盐由双歧杆菌属、乳酸杆菌属、嗜粘蛋白阿尔曼氏菌、普氏菌属、瘤胃球菌属等生成，主要通过丙酮酸通过乙酰辅酶A、伍德-永达宁途径(Wood-Ljungdahl)通路合成。

乙酰辅酶A途径是糖酵解产生丙酮酸，丙酮酸通过丙酮酸脱氢酶、铁氧化还原蛋白氧化还原酶或甲酸裂解酶的催化形成乙酰辅酶A，乙酰辅酶A通过磷酸转乙酰酶生成乙酰磷酸，乙酰磷酸通过乙酸激酶生成乙酸。伍德-永达宁途径(Wood-Ljungdahl)通过两个分支合成乙酸，1) 将二氧化碳还原为甲酸盐；2) 将二氧化碳还原一氧化碳，一氧化碳与甲酸盐合成生成乙酰辅酶A，最终生成的乙酰辅酶A通过磷酸转乙酰酶和乙酸激酶生成乙酸。丙酸盐通过拟杆菌门、厚壁菌门、毛罗菌克等生成，丙酸可由琥珀酸经琥珀酸途径生成甲基丙二酰辅酶A生成，也可丙二醇途径、丙烯酸酯途径合成。琥珀酸途径中经三羧酸循环所产生的琥珀酸经琥珀酰辅酶Ａ合成酶生成琥珀酰辅酶Ａ，琥珀酰辅酶Ａ经甲基丙二酰辅酶Ａ变位酶生成甲基丙二酰辅酶Ａ，经丙酰辅酶A羧化酶生成丙酰辅酶A。丙烯酸酯途径是先将丙酸转化为乳酸，乳酸经过丙酰辅酶Ａ转移酶生成乳酰辅酶A，再经乳酰辅酶A脱水酶生成丙烯酰辅酶A，丙烯酰辅酶A经丁酰辅酶A脱氢酶和脂酰辅酶A氧化酶形成丙酰辅酶A。丙二醇途径是由葡萄糖、果糖等己糖生成1,2-丙二醇，通过交叉喂养利用经丙二醇脱水酶生成丙醛，丙醇经丙醇脱氢酶生成丙酰辅酶A。上述生成的丙酰辅酶A均丙酸。丁酸盐由普氏栖粪杆菌、直肠真杆菌、罗斯氏菌属生成，由三羧酸循环所产生的乙酰辅酶A合成为乙酰乙酰辅酶A，经缩合后生成巴豆酰辅酶A，巴豆酰辅酶A也可由氨基酸生成(如丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等)。巴豆酰辅酶A在烯酰还原酶的作用下生成丁酰辅酶A，丁酰辅酶A可通过两种途径生成丁酸：1) 经乙酰辅酶A转移酶生成；2) 经磷酸转丁酰酶生成丁酰磷酸，再由丁酸激酶生成丁酸 [6] [7] 。相关研究发现，乙酸主要在外周循环中含量最为丰富，丙酸在肝脏中代谢，因此外周中含量较低，丁酸盐是结肠细胞的能量来源的至关重要物质，往往结肠中便被消耗 [8] 。

3. 短链脂肪酸与消化系统

肠道作为脓毒症累积的器官，常常引起黏膜上皮的病变及坏死，导致肠道功能的受损；在另一方面，肠道的受损也极易引起细菌、内毒素的移位，可加重或诱导脓毒症的发生，因此肠道即使脓毒症的发动机也是其受害者 [9] 。肠上皮的受损和屏障功能的破坏在疾病发生发展中起着至关重要的作用，肠粘膜屏障包括生物屏障、化学屏障、机械屏障和免疫屏障。

生物屏障主要由寄生于肠道中正常的菌群，在肠道中相互作用，构成一种平衡状态，因此也成菌群屏障。生物屏障中，SCFAs起着调控肠道菌群的作用，SCFAs可促进双歧杆菌及乳酸菌等有益菌的增长，同时粪便中乙酸盐的含量与小鼠对大肠杆菌感染的抵抗力成正相关 [10] [11] 。Yu Anne Yap的研究中发现，高乙酸饮食可抑制柠檬酸杆菌的生长 [12] 。乙酸盐可通过抑制蛋氨酸的合成组织大肠杆菌的生长，丙酸盐可通过翻译后修饰基因HilD抑制沙门氏菌的繁殖 [13] 。乙酸盐通过抑制UvrY依赖性1型菌毛的表达，使粘附–侵袭性大肠埃希菌侵袭效率降低和肠道定植减弱 [14] 。

化学屏障是由粘液层构成(其中包括肠道分泌的消化酶、黏多糖、胆汁、抗菌肽、溶菌酶、防御素及细胞因子等)，其主要作用是保证食物的消化与吸收，同时抵抗毒素。肠道黏液体蛋白(mucus proteins, MUC)是一种分泌型黏蛋白，由肠道杯状细胞分泌，分为跨膜型和分泌型两类，其中MUC2是肠道共生菌的黏附位点，也是sIgA和抗菌肽的储存场所。在Nanda BURGER-VAN PAASSEN [15] 的研究中发现，低浓度的丁酸盐会刺激MUC2的表达，从而使肠上皮屏障功能增强，而中高浓度丁酸盐抑制MUC2黏蛋白，可能会削弱肠屏障功能。也有文献提出，SCFAs可激活GPCRs促进IgA的释放，维持肠道化学屏障的稳定性，并且诱导肠上皮细胞分泌粘液 [16] 。虽有争议，但SCFAs在低浓度下，对肠道化学屏障仍然起到保护作用。

机械屏障由完整的肠上皮细胞和相邻肠上皮细胞之间的连接构成。SCFAs中的丁酸盐可为结肠上皮细胞提供能量。除此之外，丁酸盐具有上调非免疫防御的所有组分的表达，包括回肠中的粘蛋白、宿主防御肽和紧密连接蛋白，同时还改善肠通透性，加强肠道屏障防御 [17] 。

免疫屏障由免疫细胞及肠黏膜相关淋巴组织构成，通过分泌淋巴因子和SIgA、IgE、IgM，阻断病原体粘附于肠粘膜，起到清除病菌的作用。SCFA在调控炎症反应中也起着重要作用，一方面丁酸盐和丙酸盐通过抑制树突状细胞分泌IL-12，在调节CD8 T细胞活化中发挥关键作用 [18] ；另一方面，SCFAs可以直接促进T细胞分化为产生白细胞介素17 (IL-17)、干扰素-γ和/或IL-10的T细胞 [19] 。

在脓毒症中，SCFAs可以调节厚壁菌门、变形菌门、大肠杆菌志贺菌和乳酸杆菌等细菌的丰度，使其恢复到与健康相当的水平，同时增加结肠中Occludin蛋白的表达，下调了NLRP3和GSDMD-N蛋白质的表达，并减少了炎症因子IL-1β和IL-18的释放 [20] 。

除肠道之外，SCFAs对其他消化器官也会产生影响，SCFAs通过肝–肠轴诱导肝脏细胞脂肪合成酶(SCD1)的表达，SCD1能够为肝脏细胞的再生提供足够的膜磷脂,促进肝脏的再生 [21] 。喂食高纤维饮食的小鼠的SCFAs浓度增加，并且免受炎症和癌症的影响，但也有不同的观点，过量的丁酸盐可促进肝脏肿瘤生产的微环境形成，这可能取决于SCFAs是否超过宿主的阈值 [22] 。但总体来说SCFAs在一定浓度下对肝脏起到了促进肝细胞增殖和肝再生能力。在Fons F van den Berg [23] 等人的研究中发现，与健康者相比，急性胰腺炎患者的丁酸盐生成物减少，在口服和全身补充丁酸盐的情况下，降低了坏死性胰腺炎的死亡率、细菌传播，并逆转了肠道微生物群的改变。胰岛的β细胞可产生组织蛋白酶相关的抗菌肽(cathelicidin related antimicrobial peptide, CRAMP)，CRAMP可诱导胰岛中的调节性免疫细胞，SCFAs可调控β细胞产生CRAMP，从而减轻胰腺局部炎症 [24] 。

脓毒症因缺血缺氧可导致肠粘膜坏死，肠上皮细胞损伤，损伤肠道粘膜屏障，同时由于体内炎症较重也会损伤肝脏及胰腺，而SCFAs可在一定程度上帮助患者修复损伤的肠道屏障，同时促进肠上皮细胞的再生与增殖，促进肝细胞的再生，降低胰腺的炎症，促进患者消化系统的恢复，从而促进患者痊愈。

4. SCFAs与循环系统

脓毒症时机体在内毒素的刺激下产生炎症因子，引起全身炎症反应，会导致心血管系统稳态遭到破坏，还损伤心肌线粒体结构和功能，导致心肌能量代谢障碍，而线粒体的损伤会产生活性氧，除此之外内皮细胞、中性粒细胞的激活也会产生，活性氧会使脂质过氧化、蛋白质、DNA的破坏及细胞器的损伤，导致心肌细胞收缩功能受限。乙酸盐可被心脏摄取，作为能量来源，心肌碳摄取的2%，还可通过组蛋白乙酰化用作为表观遗传修饰剂 [25] 。SCFA还可以通过诱导CX3CR1+单核细胞对心脏具有修复作用 [26] 。Olfr78是一种在肾脏肾小球旁循环中表达的嗅觉受体，丙酸盐可与Olfr78诱导肾素分泌，从而增加血压，同时丙酸盐通过调控GPR41 (G-protein-coupled receptors 41, GPR41)来降低血压 [27] 。血管紧张素II (Angiotensin II, Ang II)可加重心肌缺血再灌注的损伤，并且与再灌注过程中心肌损伤水平呈正相关，而丙酸通过GPR41抑制Ang II水平的增加，从而减少小鼠的心肌损伤 [28] 。

5. SCFAs与呼吸系统

脓毒症肺损伤中引起损伤的因素较多，其中炎症因子风暴的产生主要是由于病原体产物或细胞损伤相关的分子模式(damage associated molecular patterns, DAMP)与肺上皮细胞和肺泡巨噬细胞上的模式识别受体结合激活先天免疫反应，从而引发炎症因子风暴。中性粒细胞死亡会释放中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular trap, NET)、细胞外组蛋白和颗粒蛋白，这些蛋白可扮演者DAMP的作用，从而使气管上皮及内皮细胞死亡，同时组蛋白进入血液时促进中性粒细胞聚集，加重炎症风暴，炎症风暴持续及加重使患者病情加重，出现多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome, MODS) [29] 。研究发现 [30] 在机体炎症时SCFAs水平会明显降低，并且SCFA 水平降低，并进一步引发肺损伤和呼吸道中的几种免疫级联反应。短链脂肪酸可通过GPR43 (G-protein-coupled receptors 43, GPR43)调节肺对肺部炎症的先天免疫，同时SCFAs可通过增强巨噬细胞的吞噬作用来促进宿主免疫反应。在相关研究中报道，在直接补充SCFAs或间接补充(通过补充高纤维饮食，肠道菌群分解后产生)，调节肠道及肺部菌群结构后，可降低气道高反应性及炎症反应 [31] 。在脓毒症时，大量的炎症因子损伤肺组织，而SCFAs可通过促进免疫反应，同时降低炎症反应缓解肺部损伤。

6. SCFA与泌尿系统

在脓毒症导致肾损伤中炎症反应和氧化应激起着不可缺少的作用，脓毒症导致大量的炎症因子及炎性递质的释放作用于肾血管内皮细胞，导致内皮细胞的损伤甚至是坏死，损伤及坏死的内皮细胞激活机体防御反应，诱导炎性细胞因子释放增加，促进趋化因子表达进一步增强，使炎症反应加重，同时机体自由基的生成与清除的失衡状态，也导致活性氧生成增多，导致线粒体的损伤 [32] 。SCFAs可结合GPR43使NF-κB的p65亚基表达下降，抑制NF-κB的活化，降低炎症因子的表达 [33] 。除此之外，SCFAs还可通过抑制细胞内丝裂原活化蛋白激酶(Mitogenactivated protein kinase, MAPK)信号通路发挥抗炎抗氧化作用，抑制抑制组蛋白脱乙酰基酶(Histone Deacety-lases, HDACs)途径，使MAPK信号逆向传导，降低肾小管的损伤 [34] 。综上所述，短链脂肪酸可通过降低炎症反应及氧化应激，保护肾血管内皮细胞及线粒体从而保护肾脏。

7. 总结与展望

SCFAs作为肠道菌群产物具有多种生物学效应，不仅仅在脓毒症疾病中受到重视，在其他相关疾病如慢性肾脏疾病、心血管疾病、呼吸疾病中均引起反响并得到证实。同时外源性的补充SCFAs在脓毒症治疗中起着作用，可为未来脓毒症治疗提供新的方向及靶点，但目前大多数研究仍停留在细胞及动物实验，需完善相关临床试验，完善其机制作用并进一步深入研究。

NOTES

^*通讯作者。