（本文来源于肝脏 华夏肝脏病学联盟） 

引证本文:屠晓婷,卜淑蕊.短链脂肪酸在非酒精性脂肪性肝病和胰岛素抵抗中的作用及进展[J].肝脏,2023,28(12):1521-1524. 

作者单位：201508 上海 复旦大学附属金山医院

【摘要】肠道微生物发酵产生的短链脂肪酸不仅在肠道健康中发挥重要作用,并且能够进入体循环直接影响宿主的代谢与功能。非酒精性脂肪性肝病与2型糖尿病密切相关,胰岛素抵抗为二者的共同发病机制。本文以短链脂肪酸对胰岛素抵抗的影响为着重点,探讨短链脂肪酸作为代谢靶点在非酒精性脂肪性肝病和胰岛素抵抗预防和治疗中的潜在临床价值。

【关键词】非酒精性脂肪性肝病;短链脂肪酸;胰岛素抵抗;肠道菌群;糖尿病

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)是一种表现为肝细胞内脂肪大量沉积的慢性肝脏疾病,包括单纯性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎、肝硬化和肝癌。NAFLD已成为全球慢性肝病的最常见原因,影响高达40%的普通人群和高达90%的超重和肥胖人群^[1，2]。NAFLD与2型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)在临床上密切相关,胰岛素抵抗作为T2DM发生和发展的首要环节,与NAFLD的发生也存在一定关联,可视为两种疾病之间的桥梁。研究表明,短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)能够通过调节宿主的能量摄入、底物代谢等影响宿主的整体代谢,在NAFLD及相关疾病中发挥关键作用^[3],其机制与胰岛素抵抗密切相关,但尚未明晰。本文拟对此做一阐述。

一、非酒精性脂肪性肝病与2型糖尿病的相互作用

2020年Gastroenterology杂志上发表的国际专家共识表示,在肝脏脂肪变性的基础上,合并超声、肥胖、T2DM、代谢异常中任一项,即可判定为代谢相关脂肪性肝病^[4]。NAFLD患者从糖尿病前期发展为糖尿病的风险是非NAFLD者的两倍。全球范围内,70%以上的糖尿病患者也同时伴有NAFLD^[5]。两种疾病具有接近的病理生理机制,如NAFLD与T2DM患者的组织中均伴有不同程度的炎症反应,同时存在肠源性内毒素增加、氧化应激增加、线粒体功能失衡等现象。胰岛素抵抗在两者的相互作用中起到关键作用。胰岛素可影响肝糖原合成,肝脏功能出现损害时,会造成胰岛素代谢紊乱,进而出现高胰岛素血症、血糖浓度升高等症状,引发胰岛素抵抗,并促进糖脂代谢障碍,进一步加重肝脏脂肪的堆积,形成恶性循环。

二、SCFA的产生、受体及其对NAFLD的作用机制

(一)肠道中微生物来源SCFA的产生及其受体 短链脂肪酸是肠道微生物将不易消化的食物发酵后产生的最终产物,其主要底物是复合碳水化合物中的抗性淀粉、膳食纤维等。乙酸、丙酸和丁酸占短链脂肪酸含量的95%以上,是肠道内含量最多的短链脂肪酸,甲酸、戊酸和己酸含量相对较低,占5%以下。在肠道环境和微生物群的作用下,乙酸主要通过两种代谢途径产生:产醋酸途径和固碳途径。前者是由存在于人和反刍动物消化道的同型产乙酸菌介导,利用H₂和二氧化碳(CO₂)产生乙酸。后者又叫做Wood-Ljungdahl途径,是另一种以CO₂为前体产生乙酸的方法。

理论上,假设10g膳食纤维发酵可产生约100mmol的SCFA,那么在高纤维饮食的情况下,每天可产生400～800mmol的SCFA。除了日常饮食中复合碳水化合物的种类和数量会影响SCFA的产生外,宿主肠道菌群的多样性和绝对数量以及特定类型菌群的数量在这一过程中也起着重要作用。Rau等^[6]研究发现,与健康个体相比,NAFLD和NASH患者粪便中特定细菌群的丰度增加。

短链脂肪酸不仅可以作为营养物质被人体吸收,还可以通过某些受体影响机体的各种生理功能。G蛋白偶联受体41 (GPR41)和G蛋白偶联受体43(GPR43)是目前发现的两种特异性SCFA受体。该基因敲除小鼠表现出能量消耗增加,体质量减轻,肠道SCFA吸收减少。除了在人类的结肠组织中发现GPR41和GPR43的蛋白及mRNA外,在人类白色脂肪组织、肝脏、骨骼肌和胰腺β细胞中也发现存在上述两种受体的表达^[7,8],这表明SCFA也可能直接影响外周组织的底物和能量代谢。组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)是一类在基因表达调控和染色体结构修饰中起重要作用的蛋白酶。SCFA是HDAC的天然抑制剂,这也是其产生作用的重要途径,目前具体机制尚不清晰^[9]。

(二)SCFA对NAFLD的作用机制 肠道微生物群将植物多糖发酵成丙酸和丁酸等短链脂肪酸^[10],SCFA在NAFLD发病机制中的作用已被广泛证明^[11,12]。

1.SCFA保护肠道屏障功能:人体研究表明,与健康对照组相比,NAFLD患者的肠道通透性增加^[13]。饲喂高脂饮食(HFD) 1周后,小鼠肠道通透性增加,表现为肠道紧密连接蛋白(ZO-1)表达降低,细菌向固有层易位增加^[14]。SCFA不仅有助于肠道屏障的形成,并可减少肠道屏障的损伤^[15]。如丁酸盐可抑制MLCK/MLC2通路,激活AMPK通路,促进肠上皮内紧密连接蛋白的重组,上调紧密连接蛋白-1和occludin(ZO)的表达^[16]。作为HDAC的抑制剂,SCFAs还能够激活信号转导和转录激活因子3 (STAT3)通路,下调cludin-2的表达^[17],增加跨膜电阻,促进肠道屏障的形成。此外,研究发现,丁酸盐可影响肠上皮细胞的耗氧,影响协同屏障保护的缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor, HIF)的稳定性^[18]。

2.SCFA调节能量吸收:与非肥胖者相比,肥胖患者的肠道菌群结构失调。研究表明,脂肪变性和NASH患者的变形菌群丰度升高^[19],而将肥胖患者的肠道菌群移植到健康志愿者体内可以促进能量吸收。例如,SCFA可以刺激肠道激素如胰高血糖素样肽(GLP-1)和YY肽(PYY)的分泌,这些激素被称为影响饱腹感的调节因子,从而抑制胃肠蠕动,延长胃肠运输时间,增加从饮食中吸收的能量。几项针对啮齿动物和人类肠道细胞系的体外研究表明,SCFA可以通过激活SCFA受体GPR41和GPR43来刺激l细胞分泌PYY和GLP-1^[20]。GPR43基因敲除小鼠GLP-1基础水平较野生型下降约43% (P<0.01),葡萄糖灌胃后GLP-1水平下降约47% (P<0.01),将丙酸(180 mmol/L)注入GPR43缺失小鼠的结肠时,门静脉中PYY和GLP-1水平也降低^[21]。这些发现强调了GPR43在GLP-1和PYY分泌中的重要性。

3.SCFA促进脂质代谢:SCFA不仅可以作为脂质代谢的底物,也可以作为调节因子来调节脂质代谢,其具体机制尚不明晰。研究人员发现,SCFA可以在不影响体质量的情况下减少成脂基因的表达,改变肝脏脂质代谢^[22]。在db/db小鼠中激活AMPK信号通路能够增加肝脏中PPARα和p-ACC的表达,降低甘油三酯和游离脂肪酸的水平;也有研究表明,乙酸可以通过激活法尼醇受体(FXR)来降低血脂,改善肝脏炎症程度,延缓肝纤维化^[23]。此外,丁酸盐能通过非pge2介导和pge2介导途径减轻脂肪细胞和巨噬细胞相互作用诱导产生的炎症和脂肪分解作用^[24]。

4.SCFA影响胆汁酸代谢:肠道菌群及SCFA通过FXR及G蛋白偶联胆汁酸受体(G protein-coupled bile acid receptor, Gpbar1,即TGR5)在胆汁酸合成、脂类代谢和葡萄糖调节方面发挥重要的作用。胆碱是肝脏合成极低密度脂蛋白所必需的磷脂酰胆碱的甲基供体之一,在肝脏脂质转运中起着关键作用。胆碱缺乏会阻碍低密度脂蛋白(LDL)的合成和分泌,导致甘油三酯(TG)在肝脏积累,从而促进NAFLD的发展。NAFLD严重程度增加的患者通常表现为甜菜碱与胆碱的比例降低^[25]。食物中的胆碱被肠道菌群代谢为三甲胺(TMA), TMA进一步被肝脏中的FMO3酶代谢,产生TMAO。这些有毒化合物可诱导肝脏炎症,促进NAFLD的发生。

5.SCFA调节免疫应答和炎症反应:研究表明,微生物及其产物能够从门静脉转移到肝脏中,进一步通过toll样受体(TLR)激活肝脏中不同种类的细胞(包括肝细胞、库普弗细胞和星状细胞),进而诱导包括TNFα、IL-1和IL-6等在内的多种炎症细胞因子的产生。脂多糖(LPS)可以通过TLR4/MyD88途径促进肠道通透性,这种作用在TLR4-敲除小鼠中则不明显^[26]。SCFA可以影响免疫反应。一项研究表明,SCFA激活GPR43可减少促炎反应的产生和免疫T细胞的浸润^[27]。丙酸处理小鼠树突状细胞(DC)可降低CD40、PD-L2和CD86的表达,抑制辅助性T (T helper,Th) 2细胞参与的免疫应答,从而抑制Th2介导的反应。戊酸酯可以通过AKT/mTOR通路促进IL-10表达,减少IL-17A的产生,改善炎症反应^[28]。SCFA可参与炎性细胞因子的调节。研究表明,在丁酸钠干预后,肝脏或附睾脂肪中内毒素相关基因TLR4、Myd88、促炎基因MCP-1、TNFα、IL-1、IL-2、IL-6、IFN-γ均明显下调^[29]。在一项小鼠实验中,丁酸钠可降低HMGB1、TLR4、NF-κB、IL-1β、IL-6、IL-8、TNFα的肠道表达^[30]。上述结果表明,SCFA在体内和体外都可以调节炎症因子的产生,在免疫应答和炎症反应中发挥重要作用。

三、胰岛素抵抗与NAFLD

(一)胰岛素抵抗和NAFLD及糖脂代谢 已有研究表明,胰岛素抵抗是代谢综合征的病理生理基础,与脂质代谢及糖代谢均有密切联系。NAFLD与胰岛素抵抗密切相关,被认为是代谢综合征的肝脏表现^[31]。胰岛素抵抗与血液循环、肝细胞游离脂肪酸积累、脂肪细胞TNF-α过表达、铁积累、瘦素等因素有关,促进脂肪性肝病和非酒精性脂肪性肝炎的发生、发展。高胰岛素血症与胰岛素抵抗相关,可诱导甾醇调节元件结合蛋1(SREBP1)上调,抑制β氧化并导致肝脏脂肪沉积。同时,NAFLD相关分子能够反过来干扰胰岛素信号通路的级联并加重胰岛素抵抗,过程涉及非酯化脂肪酸、TNF、NF-κB和细胞因子信号抑制剂等。因此,NAFLD和胰岛素抵抗之间存在一种相互加强的关系。

(二)目前针对胰岛素抵抗的NAFLD治疗方法 包括饮食和运动在内的生活方式干预,可以通过降低饮食中极低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的水平来预防和延缓NAFLD的发生和进展。一些抗氧化剂可能有助于改善NAFLD患者的肝脏状况和胰岛素抵抗情况。减少脂肪和碳水化合物的摄入或增加多不饱和脂肪酸(PUFA)和单不饱和脂肪酸(MUFA)的摄入,可以预防普通人群中胰岛素抵抗的发生,改善NAFLD患者的胰岛素敏感性。这些方法都有助于NAFLD的治疗。

四、SCFA与胰岛素抵抗的相关研究

胰岛素由胰岛β细胞产生,以复杂的方式调节葡萄糖的动态平衡,对胰岛素分泌(GSIS)的调节可以影响血糖的稳态。从机制上看,上述SCFA特异性受体GPR41和GPR43在小鼠和人β细胞中均有表达。醋酸盐可以通过GPR调节胰岛素的分泌,如GPR43缺陷小鼠在实验中表现出糖耐量异常,并进一步导致其β细胞质量和功能受损^[32]。这些发现支持了G蛋白介导的信号转导假说。不同G蛋白介导的GPR43信号通路能够选择性地增强(Gαq/11)或抑制(Gαi/o)胰岛素分泌,进而表现出不同的作用。研究表明,丁酸盐可通过诱导胸腺外抗炎Treg细胞的产生及增加白色脂肪组织中Treg细胞的数量来减少巨噬细胞的浸润,这个过程可能与改善胰岛素抵抗有关^[33]。

胰岛素除了对血糖平衡有影响外,还与脂肪组织、骨骼肌以及肝脏的脂肪、蛋白质代谢密切相关。脂肪组织是人体储存甘油三酯的主要器官,可视为能量稳态的主动调节者,其功能性代谢紊乱可导致全身胰岛素敏感性的异常。研究发现,SCFA不仅可以抑制细胞内脂肪分解,还可以通过增加甘油三酯的提取,促进成脂分化,提高脂肪组织对脂质的缓冲能力,从而减少脂质外溢和脂肪在其他组织中的积累,进而改善胰岛素敏感性^[3]。此外,GPR41和GPR43在骨骼肌中均有表达,SCFA对骨骼肌底物氧化的部分影响可能是由这些受体介导的。动物研究表明,乙酸和丁酸盐可以改善骨骼肌的葡萄糖氧化代谢,增加肌肉脂质代谢,从而改善胰岛素敏感性。并且SCFA还可能通过增加肠道源性PYY和GLP-1的全身水平间接影响肌肉的胰岛素敏感性^[34]。综上所述,SCFA对脂肪组织、骨骼肌和肝脏的特异性作用可以协同减少脂质的异位沉积,并改善胰岛素敏感性。

五、从SCFA的角度改善NAFLD及胰岛素抵抗

(一)抗性淀粉 已知食物中的抗性淀粉和膳食纤维可被结肠内的微生物群落发酵产生SCFA,因此增加抗性淀粉的摄入量可以增加SCFA的产生。使用抗性淀粉喂养的动物实验已证明了对机体多方面起到益处,包括增加发酵以改善肠道健康,从而改善肥胖和胰岛素敏感性等。一项相关的人体研究表明,抗性淀粉干预(30g/d)可以减少循环中的脂质,如非酯化脂肪酸(NEFA)和甘油,增加空腹胃饥饿素,并在一定程度上改善胰岛素敏感性^[35]。

(二)益生元、益生菌和合生元 利用益生菌、益生元和合生元靶向肠道微生物群作为治疗NAFLD及其合并症以及改善胰岛素抵抗的治疗方法也得到越来越多的关注。在一项随机对照试验中,脂肪变性患者被随机分为实验组和对照组。实验组接受六种细菌的混合物治疗12周,然后评估肝内脂肪含量的变化,结果显示实验组肝脏脂肪含量下降,而安慰剂组略有增加^[36]。同样的方法对改善胰岛素抵抗的作用也得到了验证,并且使用合生元可能会有更好的治疗效果。一项随机双盲安慰剂对照试验显示,在T2DM受试者中,与单独使用益生菌组相比,使用合生元8周可更为显著地改善胰岛素抵抗和血脂代谢^[37]。

(三)粪菌移植(fecal microbiota transfer,FMT) 粪菌移植可以调节肠道菌群的组成和功能,为NAFLD提供了新的治疗选择。同种异体FMT能引起粪便醋酸盐水平的变化^{[38, 39]},并降低炎症基因的表达^[40]。FMT还可以增加粪便丁酸盐浓度,部分纠正HFD引起的肠道菌群紊乱^[41]。并且供体代谢特征还能够影响受体胆汁酸代谢及胰岛素敏感性等环节,这些都与NAFLD的发生和发展相关。然而,目前仅报道了FMT在动物模型中的研究,后续需要在NAFLD/NASH患者中进一步证实。

六、总结与展望

越来越多的研究证实了SCFA作为靶向工具在预防和治疗代谢性疾病及胰岛素抵抗等危险因素中的潜在应用价值,为常见慢性疾病的预防和治疗提供了新的方向,而从胰岛素抵抗角度开展NAFLD的多学科治疗具有重要意义。然而,目前可获得的关于SCFA的研究数据大多来自动物和体外研究,其临床相关性和对人体代谢的特异性作用有待深入研究。需要进行随机双盲且较长时间的研究,以进一步阐明SCFA的具体作用机制及可行性。关键的问题包括准确的组成及比例,如抗性淀粉与正常饮食的比例以及合生元的组成等。此外,还应特别注意不同人群肠道菌群的差异及其对相关治疗的不同反应。

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