短链脂肪酸对动物肠道健康和肠脑信号传递的影响研究进展

摘要：动物体内存在诸多微生物代谢产生的短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、胆酸等生物活性物质。SCFAs主要由膳食纤维细菌发酵产生，既可以作为肠黏膜细胞的能量来源，也可以作为信号传递物质。SCFAs不仅可以调节肠道菌群、增强肠道屏障功能，而且可以通过多种途径参与神经系统的调节。因此，SCFAs被认为是影响宿主健康的重要因素。在全面禁抗背景下，寻找合适的抗生素替代品成为了研究的热点。外源添加适量SCFAs可以提高动物肠道有益菌的富集，增加紧密连接蛋白的表达，增强机体的免疫功能。此外，SCFAs在自闭症、抑郁症等疾病方面具有一定的治疗潜力。肠道微生物代谢产生的SCFAs大部分是乙酸，丙酸和丁酸，目前针对SCFAs的研究以丁酸居多，而对SCFAs混合物联合作用的研究相对较少，且应用领域还有待拓展。作者总结了SCFAs对动物肠道健康和肠脑信号传递的潜在影响以及可能的调控机制，为将SCFAs开发为一种外源添加剂或药物在调控动物健康和疾病治疗等方面推广应用提供理论依据。

关键词：短链脂肪酸；肠道菌群；肠道屏障；肠脑信号传递

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是肠道微生物衍生的代谢物，一般是指含有1～6个碳原子的有机酸，且与日常饮食密切相关。肠道中产生的SCFAs主要是乙酸、丙酸和丁酸，它们具有降低结肠pH以抑制破坏性细菌的生长，维持黏膜免疫细胞活性和肠上皮的完整性以保护肠道屏障，以及调节炎症、神经内分泌系统和能量代谢等多种生物学功能。因此，SCFAs被认为是影响宿主健康的重要因素。肠道是营养消化和吸收器官，同时也是身体最大的免疫器官，健康的肠道对动物机体是至关重要的。近年来，SCFAs在肠道健康、疾病和宿主-微生物相互作用研究领域越来越受关注。研究表明，在饲粮中补充丁酸可以通过调节肠道菌群来改善断奶前犊牛的肠道健康。此外，SCFAs还与炎症性肠病、糖尿病、自闭症、抑郁症等多种疾病相关。在畜牧生产中，由断奶应激所导致的肠道炎症会极大地阻碍动物的健康生长，严重时会导致动物死亡。通过营养干预调节动物肠道健康、预防或治疗动物疾病，不失为一种简单有效的策略。研究发现，在犊牛饮食中添加丁酸可以降低腹泻率，促进胃肠道代谢和身体发育，减轻断奶应激。乳腺炎的产生会严重影响反刍动物产奶量，降低乳品质。值得注意的是，将乙酸和丁酸输注到泌乳山羊乳腺中可以增加乳腺中抗菌成分的产生，治疗乳腺炎。SCFAs对于神经系统的调节则是通过剌激肠道激素分泌或直接激活迷走神经等方式调节宿主健康。总的来说，SCFAs作为代表性有机酸，能够改善动物肠道健康，且对多种疾病具有治疗潜力，是因为它们能够维持肠道屏障完整性，调节肠道菌群，并能参与肠脑信号传递过程，对中枢神经系统有一定的调节作用。因此，笔者总结了SCFAs对动物肠道健康和肠脑信号传递的影响，并详细阐明其中的潜在机制，为SCFAs开发为外源添加剂或药物在动物生产和疾病治疗中推广应用提供理论依据。

1 SCFAs和肠道菌群

在动物肠道中有着丰富多样的细菌菌群，按各类细菌在肠道中的作用不同可分为有益菌、有害菌和兼性菌，且有益菌为优势菌群。正常情况下，肠道内的菌群是相互依存、相互制约的，处于相对平衡的状态，与肠黏膜一起作为维持动物健康的天然屏障。然而产生疾病时，动物的肠道菌群稳态就会遭到破坏，有害菌就会趁机在肠道内定植。研究表明，与传统断奶相比，早期断奶会导致羔羊瘤胃微生物群丰度和多样性在短期内显著降低，显然这对于动物的健康是不利的。近年来，SCFAs与肠道菌群的相互作用备受关注。SCFAs由宿主体内的厌氧微生物发酵产生，而它们在胃肠道中的浓度水平又会反过来对宿主产生影响。研究表明，当动物摄取大量的高精饲料后，瘤胃内乳酸等SCFAs就会过度聚集，导致瘤胃内pH降低，引发奶牛亚急性瘤胃酸中毒，危害动物健康。此外，一项对于荷斯坦公犊牛的研究显示，在断奶过渡期间，一些在瘤胃上皮附着的细菌与对SCFAs有反应的基因共同影响宿主的瘤胃功能。SCFAs可以调控动物肠道菌群的丰度和多样性。倪萌柯研究表明，在饲粮中添加乙酸钠和丁酸钠可以显著提高新西兰白兔盲肠微生物区系的多样性，维持肠道健康。左丽君通过包膜丁酸钠饲喂断奶羔羊研究发现，丁酸钠对断奶羔羊肠道微生物门水平层次组成影响不大，但对属水平层次的菌群组成差异度有较大影响，且不同用量的包膜丁酸钠会对羔羊肠道内微生物结构和组成造成不同的影响。因此，对于SCFAs定量调控的研究仍需进一步深入探索。此外，Yan 等在大鼠上的研究证明，口服或直肠丙酸给药可以重塑大鼠肠道微生物群，且都提高了有益菌Akkermansia muciniphila的富集，改善了尼古丁诱导的大鼠血管钙化。由此可见，SCFAs可以通过改变肠道菌群结构，维持动物肠道健康，改善各种不利因素对宿主的影响。

2 SCFAs和肠道屏障

肠道屏障是保护机体肠道健康的重要屏障，包括机械屏障、化学屏障、微生物屏障和免疫屏障。一旦这些屏障受到损伤，将导致机体代谢稳态失调并影响肠道的正常状态，进而降低动物的生产性能。肠道屏障对于维持机体正常功能至关重要，SCFAs(特别是丁酸)是维持肠屏障完整性最重要的成分。

2.1 机械屏障

肠道机械屏障由上皮细胞间的紧密连接和肠黏膜上皮细胞表面的黏液层组成。紧密连接是位于上皮细胞顶端的主要细胞间连接，它可以使上皮细胞紧密聚集在一起，减少细胞间的空隙，防止有毒物质和微生物的通过，从而保护肠道机械屏障。紧密连接蛋白是紧密连接的一部分，主要包括闭合蛋白(Occludin)、封闭蛋白(Claudin)和闭合小环蛋白(zonula occludens，ZOs)。细菌毒素暴露、促炎细胞因子暴露、肠道自身免疫性疾病等损伤事件的发生均会导致肠道紧密连接蛋白的失调，进而破坏肠道机械屏障的稳态。

SCFAs对肠道机械屏障的调节主要是通过加强肠道上皮细胞间的紧密连接，进而维持肠道机械屏障的完整性，其主要调节机制包括作为信号分子激活AMPK信号通路，以及作为组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂抑制炎症小体活化等。目前，对肠道机械屏障损伤的机制已经有了清楚的认识，且越来越多的证据表明.SCFAs在增强动物的肠道机械屏障和抑制病原体侵入生物体中起着至关重要的作用(表1)。Feng 等在断奶仔猪和人结肠腺癌(Caco-2)细胞上研究发现，丁酸钠在体内和体外显著增加了结肠中紧密连接蛋白Claudin-3，Occludin和ZO-1的表达，有助于缓解断奶仔猪腹泻。王可鑫研究表明，饲粮中添丁酸钠可缓解脂多糖(LPS)诱导的肠道通透性的改变，LPS刺激导致羔羊回肠紧密连接蛋白的表达量下降，添加丁酸钠能显著增加断奶羔羊回肠Claudin-3、ZO-1 和Occludin的蛋白表达量，缓解LPS诱导的肠道损伤，增强肠道上皮屏障功能。Chen等在炎症性肠病小鼠模型中发现，丁酸钠显著降低了2，4，6-三硝基苯磺酸(2，4，6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS)诱导的肠道通透性改变，显著增加了紧密连接蛋白ZO-1、Occludin、Claudin-1的mRNA表达量。Feng等研究表明，Caco-2细胞在LPS诱导24h并用0.5mmol/L.乙酸、0.01mmol/L丙酸和0.01 mmol/L.丁酸的混合物处理后，显著增加了ZO-1 和 Occludin蛋白的表达量，缓解了LPS诱导的肠道屏障功能障碍，降低了肠道通透性，维持肠上皮细胞正常生理功能。此外，在饲粮中补充丁酸钠可以改善断奶仔猪的肠道形态，增加跨上皮电阻，降低葡聚糖(4ku)细胞旁通量，缓解断奶应激引起的肠道损伤[28]。综上所述，SCFAs可增加紧密连接相关蛋白Claudin， Occludin和ZOs的mRNA表达量，对于维持肠道机械屏障完整性、缓解肠道炎症、保护动物肠道健康具有关键作用。   

2.2 化学屏障

肠道化学屏障主要由肠黏膜上皮细胞(IECs)分泌的黏液、消化液、黏蛋白(MUC)及肠腔内寄生菌产生的抑菌物质构成，这道屏障可防止管腔内的细菌与肠黏膜上皮细胞直接接触。而黏蛋白是黏液厚基质的主要成分，由杯状细胞产生和分泌，在黏液层的完整性和功能中起着重要作用。杯状细胞能不断产生黏蛋白，而SCFAs可以通过影响黏蛋白基因的表达来调控这一过程，且SCFAs调控黏蛋白基因表达的途径有很多。研究表明，丁酸可以通过增加MUC2(在肠黏膜表面上表达的最突出的黏蛋白)的表达来增强黏膜层对抗管腔病原体，提高结肠屏障完整性。在实验性结肠炎小鼠模型中，当丁酸作为唯一的碳源时，结肠中MUC2的产生大大增加，MUC2可能依赖于杯状细胞中的GPR109A受体。研究发现，胃输注SCFAs，特别是高浓度的SCFAs，可以降低凋亡细胞百分比，改善断奶仔猪肠道形态，并通过MAPK信号通路刺激肠道MUC2基因的表达，改善断奶仔猪肠道化学屏障功能。此外，丁酸还可以诱导来自小肠的潘氏细胞分泌α-防御素来维持化学屏障的稳定。以上研究表明，SCFAs对于维持肠道化学屏障的稳定至关重要。

2.3 微生物屏障

微生物屏障是指附着在肠道表面的各种微生物，其对外来菌群的定植有一定的抵抗作用，动物肠道内正常寄生的菌群与宿主相互作用达到稳态，最终形成一种相互依赖的关系。在受断奶过渡期影响的生理和消化道因素中，肠道微生物群紊乱是导致断奶后腹泻的关键因素之一。其原因是动物遭受断奶应激时，肠道环境容易受到产肠毒素大肠杆菌(ETEC)等病原微生物的侵袭，微生物屏障功能遭到破坏。研究表明，SCFAs可以在正常菌群和肠道病原微生物之间的竞争过程中发挥重要作用。一方面，SCFAs进入动物肠道后，一部分降低肠道内的pH；另一部分通过自由扩散的方式到达宿主和细菌的细胞内部。LPS是革兰阴性菌外膜的一部分，能有效抑制大分子或抗菌活性物质侵入细菌细胞，发挥细菌的防御功能。研究发现，乳酸具有透化作用，可透过细菌外膜孔蛋白通道渗入周质间隙，与LPS的羧基和磷酸基团发生质子化反应，增强其他成分对革兰阴性菌的抗菌活性，进而抑制细菌生长。另一方面，SCFAs可以通过主动转运的方式进出细菌细胞。当SCFAs在细菌细胞内大量积累，导致细胞pH下降，由于细菌迫切需要恢复到原来的稳态才能正常运作，因此它们需要消耗大量的ATP，并通过主动转运的方式从细胞内排出H+，形成了一种能量竞争，进一步阻碍细菌正常生长和代谢。SCFAs可以通过增强有益菌的抗菌活性，降低产生肠毒素细菌的致病作用，维持肠道的健康；还可以改变细菌消化代谢方式，降低细菌对葡萄糖的利用，达到抑制有害细菌繁殖的目的。值得注意的是，SCFAs也可以通过抑制一些关键酶的合成来抑制细菌生长。经过乙酸处理后的大肠杆菌中，同型半胱氨酸含量显著增加，蛋氨酸含量显著降低，表明乙酸的加入阻碍了同型半胱氨酸合成甲硫氨酸，进而抑制了细菌的生长。综上所述，SCFAs主要通过释放H+、降低肠道pH、能量竞争、阻断有害细菌的生物合成等方式抑制有害细菌的生长，以达到肠道微生态平衡。

2.4 免疫屏障

免疫屏障是防御异物进入机体、发挥非特异性免疫的一道屏障，维持免疫屏障的完整性有助于机体抵抗外部因素对机体产生的影响。当动物产生疾病后，机体会暴露于复杂的微生物群，肠道免疫系统需要快速识别有害微生物，并触发正确的黏膜免疫反应，保护宿主健康。Liu等指出，SCFAs可以调节NLRP3炎症小体、Toll样受体(TLR)家族成员及中性粒细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、先天性淋巴细胞亚群等多种发挥免疫作用的细胞。许多研究也证明了SCFAs在调节宿主免疫中的关键作用(表2)。首先，SCFAs可以通过调控相关炎症因子的表达影响肠上皮屏障和防御功能。在人单核巨噬细胞(THP-1)和Caco-2细胞中研究发现，在5-氟尿嘧啶诱导下，乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠均能抑制炎症因子IL-1β、IL-6、IL-18 和NLRP3的表达，减轻5-氟尿嘧啶诱导的炎症反应。其次，SCFAs可以调节固有免疫细胞参与免疫系统的功能，如巨噬细胞和中性粒细胞。在巨噬细胞分化过程中丁酸的存在可诱导持久的抗菌活性，而不会影响吞噬作用、炎性细胞因子的产生或细胞凋亡。研究表明，丁酸是通过抑制组蛋白去乙酰化酶3(HDAC3)增强巨噬细胞的抗菌程序，降低金黄色葡萄球菌引起的小鼠乳腺炎。在小鼠结肠炎模型中发现，丁酸钠可显著抑制DSS诱导的结肠炎小鼠中性粒细胞分泌的促炎细胞因子和趋化因子的产生，以减轻肠道炎症。最后，SCFAs还可以调节T细胞和B细胞及其介导的抗原特异性免疫发挥防御作用。SCFAs的直接和间接作用可以协调支持各种宿主条件下的效应T细胞和调节性T细胞。Sun等研究表明，丁酸可以促进Thl细胞产生IL-10，改善DSS诱导的小鼠结肠炎。总的来说，SCFAs对免疫系统的调节是复杂多样的，通过抑制炎症因子的产生以及调节固有免疫细胞、T细胞和B细胞影响免疫系统的功能。此外，SCFAs还可通过两种主要途径(GPCRs和HDAC)调节宿主肠道免疫(图1)。

表2 SCFAs对免疫系统的影响

2.4.1 GPCRs途径

G蛋白偶联受体(GPCRs)是SCFAs的受体，GPCRs在多种细胞类型中表达，包括免疫细胞和肠黏膜上皮细胞。SCFAs主要通过与细胞表面GPR41(FFAR3)和GPR43(FFAR2)，以及GPR109A受体结合来调节免疫应答，其中乙酸、丙酸和丁酸可以与GPR43和GPR41受体结合，丁酸可以与GPR109A受体结合。SCFAs在肠黏膜中发挥抗炎作用是通过与小肠上皮细胞(IECs)和免疫细胞表面的GPCRs受体结合，调控下游信号通路，减少炎症因子的产生。研究显示，丁酸钠调控可以降低GPR43和GPR41受体mRNA和蛋白的表达量，缓解长期饲喂高精料饲粮对盲肠炎症的影响。SCFAs也可通过调节先天免疫系统的识别影响肠道炎症的发生。总的来说，GPCRs是细胞特异性的，并与SCFAs一起调节宿主免疫力，通过GPCRs途径调节肠道免疫屏障，进而抑制肠道炎症。

2.4.2 HDAC途径

HDAC在基因表达调控中普遍存在，可以使组蛋白去乙酰化。HDAC在染色体的结构修饰和基因表达的调节中发挥基本功能；而HDAC过度表达将会导致组蛋白乙酰化的减少，进而抑制基因表达。SCFAs不仅可以作为信号分子发挥抗炎作用，还可以通过被动扩散或通道蛋白直接进入细胞内调节炎症反应；SCFAs进入细胞后，一方面用于能量合成，另一方面通过抑制组蛋白去乙酰化参与炎症调节。Feng 等研究显示，SCFAs作为HDAC的抑制剂，可通过抑制NLRP3炎性体来缓解肠道应激。一项对人类的研究揭示了丁酸通过抑制HDAC3和增强抗微生物功能来分化单核细胞衍生的巨噬细胞，发挥免疫特性。然而，由于SCFAs对HDAC的广谱抑制性作用，尚不清楚哪些特异性HDACs介导SCFAs在免疫细胞中炎症反应的调节。

3 SCFAs对肠脑信号传递的影响

肠脑轴是肠道和大脑信号传递的关键。SCFAs调节肠脑轴的关键发现激发了这一快速发展领域的创新研究。研究表明，SCFAs在维持血脑屏障完整性、小胶质细胞成熟，以及调节神经递质和神经营养因子水平方面发挥重要作用，同时在多种中枢神经系统疾病的实验模型中应用也已显示出治疗潜力。SCFAs在神经系统中表现出特殊的神经活性，是肠道和大脑之间信号传递的重要通讯器，可以通过多种方式调节肠脑之间的信号传递。

3.1 内分泌途径

SCFAs可以通过调节肠道激素的分泌来影响肠脑信号传递。结肠中SCFAs可以激活G蛋白偶联受体，进而对L型肠内分泌结肠细胞产生影响，剌激其分泌肠道激素，如肽YY(PYY)和胰高血糖素样肽-1(GLP-1)。这一过程可能反过来激活信号级联，通过体循环或迷走神经传入，影响与食欲和食物摄入调节有关的脑回路。这些肠道激素在调节食物摄入和胰岛素分泌中发挥重要作用。PYY是一种含36个氨基酸的肽激素，来源于肠道的PYY不仅对肠道蠕动和胰腺外分泌功能有调节作用，还能作为饱腹感信号发挥中介作用。研究表明，在小鼠模型中，乙酸介导的嗅觉受体78(Olfr78)激活可通过直接刺激肠道内分泌细胞促进肠道激素PYY的分泌。胰高血糖素样肽1(GLP1)是一种内源性肠促胰岛素激素，在小肠肠内分泌系统的L型细胞中产生，以响应食物摄入，增加胰岛素分泌，同时抑制胰高血糖素分泌。一项结肠内分泌模型的研究显示，向结肠腔内(特别是向血管内)注入乙酸和丁酸可显著增加结肠GLP-1的分泌，在较小程度上也可增加PYY的分泌，但只有在细胞内环磷酸腺苷(cAMP)增强后才能增加；丙酸不管是通过结肠腔还是血管给药都不会影响GLP-1或PYY 的分泌。由此推测不同的短链脂肪酸可能对肠脑信号传递的调节效果有所差异，有必要开展进一步的研究。

3.2 迷走神经途径

肠道微生物群与大脑之间最快、最直接的沟通途径是通过迷走神经发出信号。迷走神经是一种起源于脑干的脑神经，支配身体的许多器官，包括胃肠道，且有大量证据表明它介导肠道微生物群和大脑相互作用。为了探讨迷走神经传入在SCFAs厌食作用中的可能作用，通过腹腔注射3种SCFAs分子(丁酸、丙酸、乙酸)可抑制空腹小鼠的食物摄入量，其顺序为丁酸>丙酸>乙酸；丁酸、丙酸和乙酸对摄食的抑制作用会因肝支迷走神经切断术而减弱，并会因辣椒素的全身治疗而减弱，辣椒素可使对辣椒素敏感的感觉神经(包括迷走神经传入神经)失去神经支配能力。由此推测迷走神经传入是外源性SCFAs远程控制摄食行为和其他大脑功能的新途径。此外，SCFAs还可以刺激胆囊收缩素(CCK)激素的释放，从而激活迷走神经，增加饭后的饱腹感。在大鼠上研究显示，结肠注入或静脉注射丁酸通过肠道迷走神经信号传导可以降低动脉血压。这些研究都证明了SCFAs可以作为一种信号分子，参与肠道和大脑之间的信号传递。此外，在小鼠上研究发现，在饮用水中补充丙酸对摄食的抑制作用，在迷走神经游离脂肪酸受体3(FFAR3)敲除小鼠中丧失。推测SCFAs可以直接激活迷走神经。

3.3 其他途径

SCFAs可能通过血脑屏障(BBB)影响肠脑信号传递。BBB是血液和大脑之间的主要结构屏障，具有高度选择性和极低的细胞旁通透性，可防止毒素和病原体进入大脑，有助于维持大脑稳态。BBB是内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞和基底膜的紧密连接，通过紧密连接蛋白Claudin-5、Occludin和ZO-1相互连接。SCFAs可能通过与BBB细胞成分的相互作用影响BBB的完整性。体外BBB模型数据显示，丙酸可以通过对内皮细胞的直接作用以及激活抗炎和抗氧化细胞通路来实现对BBB完整性的保护作用。屏障的完整性通过屏障的功能通透性和紧密连接蛋白的表达来衡量。用丙酸钠或丁酸钠灌胃无菌小鼠可通过降低BBB通透性和增加紧密连接蛋白表达显著改善BBB的完整性。此外，在BBB之间的脑脊液中有相当高浓度的SCFAs存在。表明SCFAs可以到达大脑，但对其机制的了解还有待深入研究。SCFAs还可能通过神经免疫来影响肠脑信号传递。在正常生理条件下，免疫细胞的激活和细胞因子的产生对中枢神经系统的影响甚微，但在神经炎症中会产生相当大的影响。SCFAs对神经免疫的调节除了上述免疫途径外，还有对小胶质细胞和神经营养因子的调节。小胶质细胞控制先天免疫功能，对于大脑发育至关重要。小鼠慢性收缩损伤模型数据显示，SCFAs通过调节小胶质细胞活化和随后的促炎表型极化，在神经病理性疼痛的发病机制中发挥着关键作用。脑源性神经营养因子(BDNF)是一种分泌性生长因子，可促进神经元增殖和存活、突触可塑性和中枢神经系统的长期增强，是健康和患病大脑中研究最多的神经营养因子之一。SCFAs被认为会通过增加神经剌激因子的产生来影响神经免疫信号传递和大脑功能。研究表明，SCFAs可介导小鼠海马体中的神经炎症和 BDNF 的产生。Wu 等研究发现，乙酰乙酸通过促进BDNF的表达和抑制神经炎症改善阿尔茨海默氏症小鼠的记忆力。总的来说，SCFAs对肠脑信号传递的影响是一个复杂的过程，可以为治疗神经性疾病提供新的策略，但还需更进一步的研究。

4 小结

SCFAs是一类在动物肠道中产生的代谢产物，是监测动物肠道健康的重要生物标志物。了解SCFAs对动物机体的调节作用，可以将SCFAs作为外源添加剂，通过营养干预的方法调控动物健康。在动物营养学中，SCFAs及其盐类是具有成本效益、可提高生产性能的选择，具有抗菌、降低pH和提供能量的作用。但除丁酸外，其他SCFAs的研究还不够充分。值得注意的是，关于SCFAs在相同浓度下作为混合物或单体对动物肠道健康和肠脑信号传递影响的研究也很缺乏。SCFAs混合物是否具有更大的作用尚无定论。因此，有必要研究通过不同的营养策略或给药方式调节动物机体健康，并确定SCFAs的水平和比例，为预防和治疗动物和人类疾病提供可靠的解决方法。

参考文献：略。

作者：刘淼，任文义等发表于《中国畜牧兽医》2024年第8期