合西生物丨益生菌及后生元成分中短链脂肪酸的免疫调节性         

机体肠道内的好氧菌是非常重要的存在，这些细菌在发酵难以消化的复杂碳水化合物方面发挥着重要作用，进而产生大量的短链脂肪酸（SCFAs）。SCFAs是具有六个或更少碳原子的饱和脂肪酸，包括：甲酸（C1）、乙酸（C2）、丙酸（C3）、丁酸（C4）、戊酸（C5）和己酸（C6）。结肠中最丰富的SCFAs是乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs以不同浓度纵向释放到肠道中，其中近端结肠（100 mM）含量最高。在人类粪便中检测到乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、2-甲基丁酸、异戊酸和戊酸等各种脂肪酸，按照丰度递减的顺序排列。支链SCFAs异戊酸和异丁酸在肠道中生成的量较少，并与衰老有关。厚壁菌门的成员主要合成丁酸，而拟杆菌门的成员主要合成乙酸和丙酸。产生于结肠的SCFAs会传播到血液中，目的是被输送到远端组织中，从而发挥其有益作用。

SCFAs表现出具有抗炎和免疫调节的不同特性，并在肠道稳态中发挥着基本作用。作为肠道微生物群和免疫之间的接口，肠上皮细胞（IECs）通过三羧酸循环代谢SCFAs成乙酰辅酶A（乙酰-辅酶A），从而促进细胞代谢并获得细胞功能，包括免疫细胞增殖和激活所需的必要能量。丁酸作为能量生产的主要底物，约占IECs总能量消耗的60-70%。此外，SCFAs促进黏液分泌的杯状细胞分化，从而在维护粘膜屏障完整性方面发挥重要作用。总的来说，SCFAs具有广泛的功能，包括保护和恢复肠道上皮屏障，通过抑制有害病原体来预防肠道失调，调节肠道免疫，维持肠道微生物群与外部组织间平衡的相互作用，并通过减少免疫细胞产生的促炎细胞因子来抑制肠道炎症。

短链脂肪酸（SCFAs）在调节特异性和非特异性免疫反应中发挥着重要作用（图2）。它们主要通过宿主IECs表面上发现的三种不同的G蛋白偶联受体（GPR41、GPR43和GPR109a）被识别。在激活GPRs后，SCFAs可以调节各种信号级联，包括MAPK、STAT3和mTOR通路。

因此，它们引起：

（1）未经过激活的CD4+T细胞朝向Th1、Th17和产生IL-10的肠道维稳关节介质（Treg）的分化，

（2）DCs的激活，进而引发产生IL-10的Treg分化，

（3）肠道杯状细胞分泌粘液，

（4）M2巨噬细胞极化，随后产生IL-10，

（5）通过激活NLRP3炎症小体，分泌IL-18，

（6）中性粒细胞趋化至炎症部位，

此外，SCFAs还参与细胞增殖和细胞凋亡过程，通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的作用，并参与初始免疫反应中关键的炎症小体激活。通过丁酸或醋酸的GPR43介导信号传导，促进IECs中启动NOD样对受体家族含蛋白3（NLRP3）炎症小体，进而产生与肠道上皮屏障维护相关的IL-18。最近的一项研究表明，在化学治疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）之前处理的Caco-2细胞和小鼠IECs中，三种SCFAs的重要性在于恢复粘液水平的下降。据推测，SCFAs激活NLRP6炎症小体以增强肠道杯状细胞分泌粘液，类似于其他微生物代谢产物。此外，据报道，SCFAs通过抑制IECs中NF-kB通路，抑制产生包括干扰素-γ（IFN-y）、TNF-IL-6、IL-1B和IL-8在内的促炎性细胞因子的产生，并倾向于促进抗炎性细胞因子如IL-10和TGF-P的产生。丁酸诱导核过氧化物体增殖物激活受体γ（PPARγ）的激活，从而增强SCFAs的β-氧化和氧化磷酸化，并有助于维持IECs微环境的缺氧状态。在这些条件下，共生厌氧生成SCFA的细菌繁荣，而致病性兼性厌氧菌则被消除。

在GPR43缺陷小鼠中增强炎症的发展证实了GPR43介导的信号通路导致p38 MAPK的激活直接与中性粒细胞趋化有关。有趣的是，暴露于LPS刺激的中性粒细胞接触SCFAs后，NO、TNF-α和细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子2αβ( CINC-2αβ)的水平降低，导致HDAC活性抑制。用E. coli KUB-36分泌的SCFAs处理LPS诱导的THP-1巨噬细胞可导致抗炎细胞因子IL-10产生，同时减少促炎性细胞因子的产生。最近的一项研究还强调了丁酸在促进M2巨噬细胞极化方面的作用，包括在DSS诱导的结肠炎小鼠体内外。从骨髓衍生的巨噬细胞中减少的促炎基因转录被归因于丁酸诱导的表观遗传调节，因此表明丁酸对免疫耐受性增强具有重要影响。日积月累的证据强调SCFAs在调节DCs的成熟和刺激中所起的作用，DCs主要在表面表达GPR41和GPR109受体。丁酸在结肠DCs中激活GPR109A，从而诱导产生IL-10的Tregs和小鼠肠道上皮细胞中IL-18的分泌，提供保护作用，防止炎症和肿瘤发生。此外，丁酸促进幼稚T细胞分化为Tregs或Th1和Th17细胞，确保它们的平衡，这是消除肠道炎症的重要前提。丁酸和丙酸均具有通过DCs基因表达调节实现免疫调节的作用。在大鼠中，SCFAs的补充已被证明可以增强NK细胞的细胞毒性能力，同时促进作为对炎症信号的主要应答的细胞因子IFN-γ的分泌。肠道相关的NK细胞可以检测侵入的病原体以及癌细胞，并引导各种免疫细胞的招募，以引发非特异性和/或特异性免疫反应。

在骨髓源性巨噬细胞中，促炎基因的转录降低归因于丁酸诱导的表观遗传改变，这表明丁酸对免疫耐受性增强的显著影响。越来越多的证据强调了SCFAs在调节DCs的成熟和刺激方面的作用，DCs主要在其表面表达GPR41和GPR109受体。丁酸在结肠DCs中激活GPR109A，这进一步诱导产生IL-10的Treg，以及小鼠肠上皮中的IL-18分泌，提供了抗炎和抗肿瘤的保护。此外，丁酸促进原始T细胞向Treg或Th1和Th17细胞分化，确保它们的平衡，这是消除肠道炎症的重要先决条件。丁酸和丙酸发现通过调节DCs基因表达具有免疫调节作用。在大鼠中，添加SCFAs已被证明可以增强NK细胞的细胞毒性能力，同时增强针对炎症信号产生的主导细胞因子IFN-γ的分泌。肠道相关NK细胞探测入侵的病原体以及癌细胞，并诱导招募各种免疫细胞以引起先天性和/或适应性免疫反应。SCFAs牵涉到初始CD4+T细胞向在中表达蛋白3（Foxp3）的Treg分化，通过激活GPR43或GPR41。在GF小鼠中，口服SCFAs以单独或联合的形式也观察到了类似的Treg增加。体外研究还证实，丁酸和丙酸有利于将初始CD4+T细胞极化成IL-10+Treg，从而促进肠道微生物菌落的韧性。与GPR43相互作用后，SCFAs激活Th1细胞并诱导mTOR和STAT3通路，上调B淋巴细胞诱导的成熟蛋白1（Blimp-1）表达和IL-10分泌。丁酸和丙酸促进IFN-γ分泌，从而增强CD8+T细胞的细胞毒性活性，这是肿瘤微环境中发现的优势效应细胞。有趣的是，通过扩大CD8+T细胞反应，丁酸的体内和体外给予增强了化疗药物奥沙利铂（结、直肠癌晚期一、二线治疗与早期患者术后辅助化疗药物）的疗效。此外，SCFAs的存在与小鼠肠道IgA水平的上升有关。已经确认，在肠道DCs中，乙酸激活GPR43，从而通过B细胞触发IgA分泌。或者，SCFA附着到GPRs上，激活DCs产生1A乙醛脱氢酶（ALDH1a）。ALDH1a催化维生素A转化为视黄酸，因此导致IgA亚型向分泌性IgA产生的转换。B细胞由于其多方面的细胞过程而导致的能量需求增加，SCFAs诱导的氧化磷酸化和脂肪酸合成增强满足这些需求。此外，SCFAs通过激活mTOR通路增强了和潘氏斑中B细胞向浆细胞的分化。SCFAs利用多种机制促进B细胞向浆细胞和抗体产生的分化，包括特定基因的表观遗传调节，如Aicda、Xbp1和Irf4，IL-6的产生以及Tfh细胞的激活。