2021-08-26 18:26:16, 陈明娇,王彦利 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司
1. 短链脂肪酸(short-chain fattyacids, SCFAs)
提到肠道细菌或膳食纤维时,我们经常会听到“短链脂肪酸”。那么短链脂肪酸到底是什么东西呢?根据碳链中碳原子的多少,通常把碳原子数小于6的脂肪酸称为短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs),6 到12个碳原子的脂肪酸称为中链脂肪酸,12个或更多碳原子的脂肪酸为长链脂肪酸。长链、中链脂肪酸通常来源于一些动物脂肪和植物油的膳食甘油三酯,而SCFAs则是特定的结肠厌氧菌在发酵膳食纤维和抗性淀粉后产生的主要代谢产物,包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸。其中,乙酸、丙酸、丁酸和乳酸(异戊酸)是最常见的SCFAs。由于其分子量小,沸点低,常温下易挥发,故又称挥发性脂肪酸。
2. SCFAs的来源和代谢
SCFAs的来源
人体内SCFAs主要生成部位是结肠,且近端结肠浓度最高。SCFAs主要来源于结肠中厌氧细菌对肠道内纤维和不可消化糖(不可消化多糖和抗性淀粉)的发酵。此外,支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的分解代谢过程中会产生异丁酸、异戊酸等SCFAs。此外,微生物发酵的中间产物如乳酸或乙醇也可以代谢成SCFAs[2]。除了肠道发酵外,细胞代谢,特别是脂肪酸氧化也可以产生SCFAs[3]。正常机体结肠中乙酸、丙酸和丁酸总量约占SCFAs的90%~95%,三者的摩尔比为60:20:20[1]。在机体健康状况和营养水平变化时,此比例也会随之发生变化。
肠道中产生SCFAs的优势菌门即拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)均可以产生丁酸,分别占肠道菌群总量的20%和60%左右,而变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)产生的SCFAs含量相对较少,分别为5%~10%和3%[4]。韦荣球菌科(Veillonellaceae)可以将乳酸转化成丙酸,硫酸还原性细菌可以利用乳酸产生乙酸和硫化氢。拟杆菌门可将琥珀酸转化成丙酸,其种群密度和肠道中丙酸浓度呈正比。
SCFAs在机体内的代谢
结肠中的共生肠道细菌也可发酵膳食纤维产生SCFAs。产生的SCFAs部分通过单羧酸转运蛋白被结肠细胞快速吸收,经过一系列的氧化反应,最终以ATP的形式为细胞提供能量[7]。而在结肠细胞中未被代谢的SCFAs通过基底外侧膜进入肝脏的门静脉循环,为肝细胞能量代谢提供底物。SCFAs也参与肝细胞中葡萄糖、胆固醇和脂肪酸的生物合成。经过以上代谢,仅剩一小部分的SCFAs通过血液循环到达全身[7]。
3. SCFAs的信号传导
SCFAs主要通过两种信号途径调节宿主的生物反应能力。一是通过直接抑制组蛋白去乙酰化酶(HDACs)来调控下游基因表达。已有文献报道丙酸和丁酸可以显著抑制HDACs活性,且丁酸的抑制活性最强。二是SCFAs通过激活G蛋白偶联受体(如GPR41、GPR43和GPR109A)信号通路,进一步激活下游信号传导级联反应,包括磷脂酶C(PLC),丝裂原活化蛋白激酶(MAPK),磷脂酶A2(PLA2)和核因子-κB(NF-κB)途径。
4. SCFAs的生理功能
SCFAs通过肠-脑轴调节大脑功能
SCFAs可通过免疫、内分泌、迷走神经和其他体液途径直接或间接影响肠-脑通讯来影响脑功能。在免疫途径中,SCFAs通过激活游离脂肪酸受体或抑制组蛋白脱乙酰酶的活性,从而在肠上皮细胞和免疫细胞之间发挥作用。在内分泌途径中,SCFAs通过诱导肠道激素的分泌来促进全身循环或迷走神经通路向大脑间接信号传导。最后,SCFAs可通过单羧酸转运蛋白穿过血脑屏障,抑制炎症反应相关蛋白,最终影响血脑屏障完整性。SCFAs与这些肠-脑通路的相互作用可以直接或间接地调节与神经功能、学习、记忆和情绪相关的过程[7]。
SCFAs参与调解食欲与能量稳态
现在有越来越多的证据表明,SCFAs在能量稳态中有重要作用,它可以通过刺激肠道黏膜L细胞分泌激素(如胰高糖素样肽-1和酪酪肽)而发挥作用。这两种肠道激素可通过作用于下丘脑的阿片促黑素皮质素原和神经肽Y来降低食欲并激活棕色脂肪组织,诱导肠道的糖异生,并抑制胃内容物排空和胃酸分泌,从而降低饥饿感,抑制摄食活动[9]。
5. SCFAs与疾病
食用SCFAs可预防Ⅰ型糖尿病,改善Ⅱ型糖尿病
有研究发现用乙酰化和丁酰化的高直链玉米淀粉喂养非肥胖型糖尿病小鼠可显著改善其糖尿病症状。此外,丁酸盐的饮食可增加调节性T细胞的数量并增强其功能,而醋酸盐和丁酸盐饮食则提高了肠道完整性和降低血清浓度的致畸细胞因子(如IL-2),从而预防或治疗自身免疫性糖尿病[10]。临床研究中还发现增加膳食纤维的摄入可增加SCFAs的合成,继而改善肠道生态紊乱,促进胰岛素的分泌,缓解Ⅱ型糖尿病病症[11]。
SCFAs在免疫、炎症中的作用
肠道内的微生物群衍生的SCFAs可以通过G蛋白受体偶联受体41(GPR41)进入CD4+ T细胞和淋巴ILCs细胞,促进芳香烃受体和缺氧诱导因子1 (HIF1)的表达来上调白介素22(IL-22)的生成,从而保护肠道免受炎症的影响[12]。也有研究报道LPS刺激的IL-8的释放以及IL-8的mRNA表达也受SCFAs调节。SCFA即通过以上通路发挥抗炎和抗癌作用[13]。
SCFAs在改善心血管疾病中的作用
SCFAs在保护心血管疾病中也起到重要作用。丙酸盐能通过调节性T细胞显著减轻动脉粥样硬化和高血压引起的不良重构。因此在饮食中增加丙酸盐或通过改变生活方式来促使SCFA的含量升高,对高血压心血管疾病患者来说可能是一种不错的非药物预防策略[14]。
SCFAs改善肥胖
全球肥胖症的流行程度日益递增,在大多数西方国家的发病率尤其高,SCFAs可通过神经-内分泌-免疫途径直接或间接地介导微生物肠脑轴来改善肥胖,对宿主的生理功能产生了重要影响。例如,SCFAs与GPCRs结合产生的GLP-1、PYY、瘦素等内分泌激素,可增加饱腹感来改善肥胖。膳食中补充丁酸钠还可以显著缓解体重增加和肝脏脂肪变性 [15]。
6. 丁酸悖论
过量丁酸盐对肝癌患者有害
目前的研究很多都是强调SCFAs的益处,很少有提到SCFAs的害处,所以就容易造成大家对SCFAs的迷恋,认为SCFAs补充越多越好。其实不然,有研究发现非酒精性脂肪肝相关的肝癌患者的肠道微生物组可以促进丁酸的产生,而过量的丁酸盐会阻断免疫系统正常功能,对肝癌患者是有害的 [16]。而对于正在接受免疫治疗的癌症患者来说,过高的SCFAs水平会限制免疫治疗的效果,例如血液中高水平的丁酸可以抑制伊匹单抗(Iipilimumab)所诱导的记忆T细胞及ICOS+、CD4+T细胞的积累和IL-2的浸润,导致CTLA-4抗体药效降低[17]。
肠道菌群产生的SCFA促进前列腺癌生长
已有研究表明IGF-1在肥胖患者的前列腺组织中高表达。肠道菌群产生的SCFAs能够刺激IGF-1产生,继而激活局部前列腺MAPK和PI3K信号来促进前列腺癌细胞的增殖[18]。
过度摄入膳食纤维导致肝癌的发生
据报道,大约有一半的美国成年人盲目迷恋膳食纤维的益处,摄入过多膳食补充剂。而该类消费者被诊断出患黄疸和胆汁淤积疾病。此外,研究也证明小鼠摄入过多可溶性纤维会罹患胆汁淤积甚至肝癌[19]。
7. 小结
综上所述,SCFAs是肠道菌群的重要效应因子,对人体健康非常重要。它不仅参与调节能量代谢,而且在肥胖以及糖尿病预防和治疗中具有潜在的应用价值。根据世界卫生组织建议:每人每天膳食纤维摄入量在25g-35g之间对健康大有裨益。最后,给大家的建议:“适可而止,无贪心也”。
参考文献
精彩推荐
麦特绘谱拥有自建的1500+功能性小分子代谢物数据库JiaLib™、国际领先的代谢组学分析技术平台和全自动化数据处理软件、代谢组学数据在线分析平台以及自主知识产权的体外诊断试剂盒、智能辅助软件及功能食品等,目前已取得 55 项自主研发专利及软件著作权,获批临床注册证产品 21 个。成立至今,麦特绘谱已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供高端、定制化的代谢组学一站式整体解决方案,协助客户与合作伙伴发表SCI文章百余篇,累积影响因子700+,包括Cell Metabolism、Immunity、Gut、Hepatology, Microbiome、Nature Communications等顶级期刊。
04-08
赛默飞气相以“锂”相邀,护航锂电产业发展04-08 飞飞
多渠道及时响应,全力保障用户设备平稳运行 —— 大连理工大学工程学院副院长董旭峰教授评价牛津仪器客户服务04-08 牛津仪器客户服务
Ekspla高功率密度激光器系统系列介绍(十)ANL HP 高功率二极管泵浦纳秒放大器系统04-08 Ekspla
免疫肽组学“闪电来袭”,免疫肽专属质谱采集方法免费送04-08 质谱成像先锋队
会议通知 | 2024空间多维组学创新转化研讨会04-08 4D-组学老虎队
哈希旗舰店店庆盛典|特价回馈 感恩有你04-08
哈希高品质供水水质分析与检测技术论坛04-08
二向色滤光片产品介绍04-08
应用专家服务周丨福建站04-08
相约厦门丨2024年度华东地区(电子)显微学学术交流会04-08
限时优惠 | 警惕"两虫"危害!守护饮用水安全04-07
喜讯 | 广电计量成为亚马逊SPN服务商 助力跨境企业出海!04-07
走进实验室 | 3分钟,带您了解测绘计量!04-07
走进实验室 | 天津广电计量服务能力介绍,看完就知道!04-07
聚焦新材料,新材料(磁性材料)分析测试解决方案技术研讨会暨“全国分析测试技术联盟”成立会议圆满落幕04-07
征稿即将截止|安捷伦微影赛 Agilent WePhoto|第9期:春04-07
新锐产品 │ 海光原子吸收E50荣获“仪器设备新锐产品”殊荣04-07
2024青岛分析测试学会盛会即将开幕04-07
致力创新 │ 海光荣获“北京市企业技术中心”称号04-07