楊立娜，李 麗，王勝男，朱力杰，蔚彥平，宋 虹，何余堂，劉 賀*

（1 渤海大學食品科學與工程學院 遼寧錦州 121013 2 遼寧省糧谷類食品生物高效轉(zhuǎn)化工程研究中心 遼寧錦州 121013 3 阜新和潤生物技術(shù)有限公司 遼寧阜新 123000）

腸道是人體重要的消化器官，更是微生物聚集數(shù)量、種類最多的區(qū)域[1]，擁有超過100 萬億個細胞和500 萬個編碼酶的獨特基因，從先天免疫到食欲、能量代謝，對人體健康的許多方面都有重要影響[2]。近年來，越來越多的研究證明腸道菌群與人體健康有著密切的聯(lián)系，如果兩者之間的平衡被打破，就可能導(dǎo)致腸道炎癥、代謝紊亂和癌癥的發(fā)生[1-2]。

短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFAs）是由未消化的碳水化合物在腸道內(nèi)通過腸道菌群發(fā)酵而產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物[3]。它能夠有效改善腸道功能，緩解體內(nèi)炎癥，調(diào)節(jié)細胞增殖分化，同時為結(jié)腸細胞提供優(yōu)先能量來源[2，4]。SCFAs 在人體腸道內(nèi)多以離子的形式存在[4-5]，在吸收和轉(zhuǎn)運過程中以轉(zhuǎn)運體為媒介[6]，其主要吸收途徑為：①穿過細胞間隙直接擴散；②通過SCFA-2HCO3-進行交換；③脂溶性被動吸收：SCFA-和H+結(jié)合后經(jīng)細胞膜直接吸收，Na+-H+在近端結(jié)腸交換耦聯(lián)，K+-H+在遠端結(jié)腸交換耦聯(lián)[7]。本文主要總結(jié)SCFAs的來源、種類、檢測方法及生理功能，闡述SCFAs在腸道轉(zhuǎn)運的分子機制，為今后更好地解決器官、組織和細胞在平衡吸收SCFAs 與維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)需求時所面臨的問題提供參考。

1 短鏈脂肪酸的概況

1.1 短鏈脂肪酸的來源及種類

SCFAs 是碳原子數(shù)小于等于6 的飽和脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸[8]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。8 種SCFAs主要以相應(yīng)的鹽類形式存在，在維持結(jié)腸穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用[9]。腸道中SCFAs 的來源主要有2個途徑，一是外源性物質(zhì)直接對SCFAs 進行補充，另一個是通過宿主腸道微生物酵解腸道中的碳水化合物產(chǎn)生SCFAs[10-11]。腸道菌群發(fā)酵生成的SCFAs 大多是乙酸、丙酸和丁酸，占人體腸道內(nèi)SCFAs 的86%左右，三者比例相對固定，為3∶1∶1[12]，而異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸和異己酸含量較低[13]。

圖1 SCFAs 化學結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of SCFAs with the formula

乙酸鹽由擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、真桿菌屬等通過乙酰-CoA 或Wood-Ljungdahl 途徑由丙酮酸產(chǎn)生[14]，也是蛋白質(zhì)、氨基酸降解發(fā)酵的主要產(chǎn)物[15]；同時還參與大腦、心臟、脾臟和肌肉的新陳代謝[13，16]（表1）。

丙酸鹽是由擬桿菌屬、梭菌屬發(fā)酵的產(chǎn)物。它通過琥珀酸途徑或丙二醇途徑以乳酸為前體從琥珀酸轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰-CoA[17]，與腸道脂肪酸受體作用可抑制膽固醇合成，調(diào)節(jié)糖質(zhì)新生和飽足信號[18]，通過結(jié)腸吸收后主要由肝臟代謝能量（表1）。

丁酸鹽是擬桿菌屬、真桿菌屬、厚壁菌門等發(fā)酵產(chǎn)生的重要代謝物，由丁酰-CoA 通過磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶和丁酸激酶或乙酸-CoA 轉(zhuǎn)移酶途徑產(chǎn)生[19]，或由乳酸、乙酸鹽或蛋白質(zhì)通過賴氨酸途徑合成[19-20]。丁酸鹽主要參與糖異生、酮體生成及三酰甘油合成等，對糖類和脂類代謝有一定影響，被結(jié)腸上皮細胞吸收利用的同時也為其提供能量[17]，還能夠維持腸道平衡，抑制腫瘤細胞增殖分化，調(diào)節(jié)基因表達[13]（表1）。

表1 SCFA 的產(chǎn)生、途徑、分布Table 1 SCFAs production，pathway，distribution

1.2 短鏈脂肪酸的檢測方法

1.2.1 樣品的預(yù)處理方法 SCFAs 廣泛存在于生物體內(nèi)，然而由于生物樣品含量較少，易揮發(fā)，組成成分復(fù)雜，因此預(yù)處理的方法也不盡相同。常通過糞便、血液、唾液、腦脊液、呼出氣、瘤胃液、腸內(nèi)容物等作為生物樣品提取SCFAs。目前可通過離心、蒸餾、萃取和超濾的方式對糞便內(nèi)的固體多相混合物進行分離預(yù)處理；而血液中蛋白含量較高，去蛋白是血液樣品預(yù)處理過程中重要的一部分；盡管尿液中β-羥丁酸、2-羥異戊酸、乙酰乙酸等短鏈有機酸含量較高，但SCFAs 含量較低。

1.2.2 SCFAs 的檢測方法 分析檢測生物樣品中SCFAs 有不同的方法，包括氣相色譜、高效液相色譜、質(zhì)譜分析[26]、電化學檢測[27]或氣相色譜-質(zhì)譜檢測[28]，如表2所示。此外，毛細管電泳也被用于SCFAs 的定量檢測中[28]。在這些方法中，氣相色譜-質(zhì)譜是生物樣品中最常用的測量方法，它具有較高的靈敏度。然而，直接進行氣相色譜-質(zhì)譜分析具有較低的回收率[29]，有可能污染氣相色譜柱，Zhang 等[30]建立了一種改進的低溫衍生化氣相色譜-質(zhì)譜方法分析小鼠糞便和血清樣品中的SCFAs，該方法克服了以往衍生化方法的缺點，具有高靈敏度、高回收率、高重復(fù)性和低檢出限等優(yōu)點，適用于分析復(fù)雜、小批量的生物樣品（如小鼠糞便和血清樣品）中的SCFAs 和其它揮發(fā)性化合物。Wang 等[31]成功建立了一種簡單、快速的定量氣相色譜法，用于準確、有效地測定大鼠血漿樣品中短鏈脂肪酸的濃度。譚力等[32]建立了一種靈敏度較高，適用于C1-C10 的脂肪酸，用熒光劑9-（2-羥乙基）咔唑進行預(yù)處理后，無需再次提取，直接通過乙腈稀釋后，直接進入液相色譜進行分離檢測的方法。

表2 短鏈脂肪酸檢測方法[5，24，33]Table 2 Short chain fatty acid detection methods[5，24，33]

2 短鏈脂肪酸在腸道轉(zhuǎn)運的分子機制

2.1 分子機制

SCFAs 具有較小的相對分子質(zhì)量和較高的水溶性、水解率，相比于其它脂肪酸更容易在腸道消化、吸收。SCFAs 主要通過分布在結(jié)腸細胞和小腸細胞上的羧酸轉(zhuǎn)運體和鈉偶聯(lián)羧酸轉(zhuǎn)運體被吸收[34]，在人體內(nèi)的吸收與代謝如圖2所示，其中乙酸鹽進入門靜脈后參與大腦、心臟、脾臟及肌肉的新陳代謝；丙酸鹽到達后可被肝臟吸收利用；少部分丁酸鹽通過門靜脈參與體循環(huán)，大部分被結(jié)腸上皮細胞吸收[11，15]。

圖2 SCFAs 的吸收與代謝[35]Fig.2 Short chain fatty acid absorption and metabolism[35]

結(jié)腸腸腔內(nèi)游離陰離子（SCFA-）大部分通過腸黏膜直接在結(jié)腸吸收[36]。在正常的生理條件下，SCFAs 以離子和非離子的形式被吸收，并以非離子的形式擴散通過上皮細胞[37]。

在沒有轉(zhuǎn)運蛋白的純脂雙分子層頂端攝取未解離的酸 （Undissociated acid，HSCFA） 內(nèi)流后，HCO3-和其它緩沖溶液發(fā)生質(zhì)子化迅速解離[38]。在一個沒有CO2損失的封閉體系中，緩沖液釋放質(zhì)子并與H2CO3相互轉(zhuǎn)化提供基底外側(cè)射流所需的質(zhì)子。流出必須與流入相等，在具有相同滲透性膜的轉(zhuǎn)運模型中，HSCFA 在細胞根尖膜上擴散的濃度梯度必須與在基底外側(cè)膜上擴散的濃度梯度相同[38-39]。因此，為了維持細胞內(nèi)滲透性，基底外側(cè)膜對SCFAs 的滲透性必須比根尖膜強得多[40]。就酸堿平衡而言，HSCFA 的擴散流出（圖3a①）、SCFA-交換HCO3-（圖3b②）和SCFA-與H+的共輸運（圖3b③） 都導(dǎo)致了相同的pH 值變化和HCO3-的減少，因此細胞質(zhì)酸堿穩(wěn)態(tài)是相同的。只有渠道介導(dǎo)的流出（圖3b④）是根本不同的[41]。在封閉和開放緩沖系統(tǒng)中，只有當HSCFA 的濃度梯度在根尖和基底外側(cè)膜上相等時，才能達到流入等于流出的平衡條件。這導(dǎo)致細胞質(zhì)中SCFAs 的大量積累，這與細胞生存不相容。SCFAs 的基底外側(cè)外排必須通過轉(zhuǎn)運蛋白來促進[38-41]。

圖3 SCFAs 轉(zhuǎn)運吸收模型（無轉(zhuǎn)運蛋白純脂雙分子層）[38-41]Fig.3 SCFAs transport uptake model （transporter free pure lipid bilayer）[38-41]

在結(jié)腸和盲腸中，主要的陰離子是SCFA-而不是Cl-。SCFA 的根尖可能以未解離酸HSCFA（圖4③）的形式；通過頂端陰離子交換劑DRA（圖4①）或單羧酸轉(zhuǎn)運體MCT1（圖4④）吸收轉(zhuǎn)運[42-43]，這3 種途徑均會導(dǎo)致細胞質(zhì)的酸化。當丁酸被廣泛代謝時，有效的外排機制，如基底外側(cè)表達的主要陰離子交換劑AE1 和AE2 （圖4⑨）或MCT4（圖4②），需要調(diào)解乙酸和丙酸的外排[40]。底側(cè)轉(zhuǎn)運蛋白NHE1（圖4⑩）和NBCe1（圖4⑦）在結(jié)腸細胞的pH 穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[43]。由于這些蛋白質(zhì)攝取的Na+通過電解質(zhì)消耗（圖4⑧，圖4⑤），SCFA-陰離子的流出也必然與電解質(zhì)有關(guān)，可能與基底外側(cè)膜中的VRAC 的表達有關(guān) （圖4⑥）[40，43-44]。

圖4 介導(dǎo)Cl-運輸?shù)霓D(zhuǎn)運蛋白在體內(nèi)吸收SCFAs[16，40，42-44]Fig.4 Transporters mediating Cl- transport take up SCFAs in vivo[16，40，42-44]

大多數(shù)SCFAs 被Na+吸收作為反向陽離子，從而促進SCFAs 的運輸[40]。根據(jù)經(jīng)典模型，SCFAs被脂膜吸收，脂膜被微絨毛放大[45]。HSCFA 在細胞質(zhì)內(nèi)解離后，通過NHE3 頂端擠壓質(zhì)子（圖5②），恢復(fù)細胞質(zhì)內(nèi)的pH 穩(wěn)態(tài)，創(chuàng)造出一個酸性環(huán)境，進一步供SCFAs 質(zhì)子化吸收[46-47]。Na+通過Na+/K+-ATPase（圖5⑧）消耗并對K+（圖5⑤）進行循環(huán)利用。為了保持電荷平衡，SCFA-陰離子也必須在電解質(zhì)過程中離開。由于膜電位是一種驅(qū)動力，且不發(fā)生飽和效應(yīng)，因此通過VRAC 射流是最有效的選擇（圖5⑥）。由于SCFA-的基底外側(cè)射流是由Na+的電荷耦合驅(qū)動的[37]，因此整個過程是電中性的，不會產(chǎn)生電流。SCFA-通過DRA （圖5①）和MCT1（圖5④）刺激NHE3（圖5②）。在遠端結(jié)腸，結(jié)腸K+/H+ATPase 可能會介入NHE（圖5⑩），屏障形成緊密連接蛋白，如claudin-1 可防止Cl-從細胞旁流入和SCFA-陰離子的流出（圖5⑦）[40，45-47]。

圖5 Na+與SCFA-的吸收[40，45-47]Fig.5 Na+ uptake with SCFA-[40，45-47]

2.2 體外模型

體外模型可以有效幫助識別腸道微生物和腸道轉(zhuǎn)運機制，盡管哺乳動物結(jié)腸SCFAs 的吸收機制仍有爭議，如使用頂膜囊泡研究腸道運輸可能不足以反映腸道吸收過程，在一定生理條件下，各種驅(qū)動力如pH 值、無機離子和膜電位對載體功能的激活作用很難通過體外研究來評估[48]。Caco-2細胞是一種人結(jié)直腸腺癌細胞，在適宜的培養(yǎng)條件下，可以分化為腸上皮細胞并形成連續(xù)的單層，與小腸細胞吸收的生理功能相似，能夠更好的體現(xiàn)研究結(jié)果[49]，該細胞系在腸道吸收研究中能形成分化良好的上皮細胞，并表現(xiàn)出多種功能特性，如載體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、受體和頂膜酶活性[50]。雖然體外細胞模型不能完全模擬生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運、吸收和代謝過程，但可以通過控制培養(yǎng)條件在細胞和分子水平上研究營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)運及代謝機制，為機理研究提供便利和保障。

陳婷婷[51]采用體外建立的Caco-2 上皮腸屏障功能模型，發(fā)現(xiàn)抗性淀粉、低聚果糖、高粱和玉米阿拉伯木聚糖4 種不同支鏈結(jié)構(gòu)的膳食纖維發(fā)酵產(chǎn)物對屏障功能的影響與其SCFAs 濃度呈正相關(guān)，適當濃度的SCFAs 傳遞給含有高丁酸鹽比例的上皮細胞緩慢發(fā)酵可能會改善腸道的屏障功能[52]。Yufeng 等[21]通過Caco-2 細胞模型初步論證了7，8-二羥基黃酮的跨皮轉(zhuǎn)運機制，在不同環(huán)境因素，如時間、濃度、pH 值和代謝抑制劑等的雙向滲透環(huán)境下，均會對7，8-二羥基黃酮運輸過程產(chǎn)生影響。Li 等[53]也通過Caco-2 細胞模型研究生物黏附性輔料對總黃酮吸收的影響。

3 短鏈脂肪酸的生理功能

3.1 維持腸道微生態(tài)平衡

SCFAs 是腸道微生物的重要代謝產(chǎn)物，可為腸上皮細胞提供營養(yǎng)及能量，改善腸道功能[54]。據(jù)報道，乙酸或丁酸的發(fā)酵產(chǎn)物可為腸黏膜上皮細胞提供60%～70%的能量，乙酸是通過血液進入肝臟，并代謝能量給周圍組織；丁酸可被上皮細胞吸收和利用，這是人類結(jié)腸和盲腸最重要的能源[13]。李可洲等[55]通過觀察小腸黏膜形態(tài)學變化，發(fā)現(xiàn)SCFAs 對腸黏膜有較強的促生長作用。Moen 等[56]通過對服用大麥及燕麥成長期豬仔的腸道微生物及SCFAs 進行分析發(fā)現(xiàn)，服用經(jīng)過處理過的大麥谷物可顯著降低糞便中腸道菌群的種類及數(shù)量，而丁酸鹽可以顯著提高乳酸桿菌及雙歧桿菌的數(shù)量。

3.2 緩解機體內(nèi)炎癥

SCFAs 對機體內(nèi)炎癥反應(yīng)也有一定的調(diào)控作用，包括預(yù)防腸道炎癥，降低結(jié)腸癌風險[57]。Tedelind 等[58]研究發(fā)現(xiàn)，丙酸和丁酸可通過IL-6蛋白調(diào)節(jié)腸道微生物治療腸道炎癥，也可以抑制TNF-α 因子釋放，因此SCFAs 能夠調(diào)控機體內(nèi)的腸道炎癥[57-58]。Chander 等[59]采用SCFAs 誘導(dǎo)巨噬T 細胞及病原菌，研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 可顯著降低巨噬細胞及病原菌的數(shù)目，誘導(dǎo)機體內(nèi)巨噬細胞發(fā)生凋亡，破壞病原菌，抑制傷寒的發(fā)生。Zuriguel等[60]也發(fā)現(xiàn)SCFAs 能夠有效改善潰瘍性結(jié)腸炎癥狀。

3.3 調(diào)節(jié)細胞增殖、分化及衰亡

腸道腫瘤可以通過SCFAs 抑制腫瘤細胞的增殖，誘導(dǎo)其凋亡分化，其中丁酸是最主要的抗腫瘤物質(zhì)[61]；SCFAs 不僅能夠保護腸黏膜，還對結(jié)腸上皮細胞增殖和黏膜生長有促進作用[52]。陳宗元等[62]研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 類藥物可以抑制腫瘤細胞周期，誘導(dǎo)細胞凋亡并減少腫瘤細胞增殖。丁酸鹽也可以減少IL-6 和TNF-α 分泌刺激原代小鼠膠質(zhì)細胞[63]；SCFAs 通過LPS 刺激原代單核細胞，減少單核細胞趨化蛋白（MCP）-1 的分泌[64]。Tong等[38]發(fā)現(xiàn)丙酸和丁酸等可通過增加AMP 活化蛋白激酶的活性，來增加腸上皮細胞中緊密連接蛋白ZO-1，或增強腸黏膜機械屏障功能從而抑制腸道通透性[65]。由于SCFAs 特有的多種生理功能，近年來SCFAs 的開發(fā)利用已成為研究熱點，以期將SCFAs 用于臨床。

SCFAs 在調(diào)節(jié)能量代謝以及胰島素敏感性中起著重要作用[66]。膳食中的SCFAs 似乎是“間接營養(yǎng)素”，可以調(diào)節(jié)脂肪代謝和免疫。徐俊科[67]采用Caco-2 細胞培養(yǎng)體系，研究了不同膳食長鏈脂肪酸對腸道上皮細胞脂肪酸轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的影響，發(fā)現(xiàn)隨著長鏈脂肪酸濃度升高，脂肪酸轉(zhuǎn)運相關(guān)基因 （PPARα，L-FABP，DGAT，MTP）mRNA 的表達量顯著上調(diào)。

4 展望

人們逐漸認識到SCFAs 在人體健康和疾病預(yù)防中的重要作用，發(fā)現(xiàn)飲食與腸道微生物群的多樣性和功能之間的關(guān)系，及其對人類健康的重要性是目前的研究重點。SCFAs 作為腸道菌群的代謝產(chǎn)物，具有許多重要的功能，如維持腸道平衡和宿主健康，預(yù)防多種疾病等。許多科學報告都證實了SCFAs 與炎癥性腸病、腸易激綜合征、2 型糖尿病、肥胖、自身免疫性疾病或癌癥等疾病有一定聯(lián)系，而使用益生菌來預(yù)防和緩解腸道生態(tài)失調(diào)，使得結(jié)腸中SCFAs 的增加，似乎是進一步研究的重要方向。因此，研究SCFAs 在腸道中的轉(zhuǎn)運吸收機制，并提出新的治療思路及方法，對相關(guān)食品的開發(fā)及臨床研究具有借鑒意義。