哺乳动物肠道内栖息着一个庞大且复杂的群体——微生物群，宿主可以通过与微生物相互依赖、相互协调、相互制约、参与免疫应答等途径与微生物维持一个稳定的共生环境。宿主肠道与微生物群间的相互作用对维持和实现机体稳态是至关重要的，当肠道内动态平衡紊乱时，宿主就会发生炎症反应，进而引发疾病。抗生素的使用、低纤维或高脂肪的饮食、长期的压力、不利的环境因素影响等都可使肠道微生物群失衡，影响宿主的新陈代谢，进而导致慢性炎症^[1]。因此，肠道健康发育是保障动物生长及发挥潜在生产性能的关键。然而，微生物代谢产物短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)不仅是宿主肠上皮细胞(intestinal epithelial cells，ECs)的首选能量代谢原料和细胞增殖分化的主要调控因子，而且还具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤以及调控基因表达、调节肠道菌群平衡、改善肠道功能等重要作用^[2-3]。SCFAs被认为是肠道微生物群和免疫系统之间信息传递的介质，在动物疾病的发生和发展过程中起着重要的作用。近年来有大量研究表明，SCFAs可以调节宿主肠道免疫力并降低肠道炎症反应，其可能通过多种不同的下游调控机制来发挥其功能^[4-6]。Shen等^[6]采用转录组学测序和16S rRNA基因测序相结合研究山羊模型，发现瘤胃微生物源性SCFAs对上皮细胞生长和代谢的影响由G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors，GPCRs)和组蛋白脱乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)调控网络介导。本文将SCFAs如何影响肠道免疫及其机制作简要阐述，以期为SCFAs作为哺乳动物营养的研究与实践提供理论依据。

1 SCFAs概述

SCFAs又称为挥发性脂肪酸，是由1~6个碳原子组成的有机脂肪酸，在低pH环境下能抑制某些细菌的增殖来维持微生物群稳态^[7]。SCFAs包括乙酸、丙酸和丁酸等，主要由肠道中乳酸菌、双歧杆菌等厌氧菌对未被消化吸收的膳食纤维、抗性淀粉、低聚糖等发酵产生。SCFAs浓度受共生肠道细菌比例的影响，微生态失调可导致产生的SCFAs比例发生变化。由于参与丁酸合成的酶(如丁酰辅酶A脱氢酶、丁酰辅酶A转移酶和丁酸激酶)在肠道微生物群中广泛存在，所以能够产生丁酸的细菌有很多，如放线菌、拟杆菌、梭杆菌、变形杆菌、螺旋体和嗜热菌等均是丁酸的生产者^[8]。除了丁酸以外，其他SCFAs主要由双歧杆菌等细菌产生^[9]。微生物发酵所产生的SCFAs是维持肠道平衡的重要代谢产物，在动物体内能够参与不同器官的代谢，并发挥不同的作用。SCFAs通过简单扩散和主动运输被输送到IECs，乙酸和丙酸经过血液吸收后在其他组织和器官进行分解代谢，而丁酸是影响IECs能量代谢的主要来源^[10]。乙酸是宿主重要的能量来源，为机体提供10%的能量；丙酸可在肝脏中进行分解代谢参与丙酮酸逆转化为葡萄糖的过程，且能抑制脂肪合成；丁酸能够为IECs提供60%的能量^[11]。SCFAs浓度随肠道长度变化而变化，人盲肠和近端结肠中SCFAs浓度最高(约为120 mmol/L)，远端结肠中SCFAs浓度有所下降(约为90 mmol/L)，猪近端结肠中SCFAs浓度(70~140 mmol/L)高于远端结肠(20~70 mmol/L)，但这取决于饲粮中纤维的摄入量^[12]。肠道内SCFAs浓度主要取决于肠道微生物群组成、饲粮的纤维含量、饲粮在肠道内的消化时间以及宿主与微生物的代谢通量^[13]。

2 SCFAs增强肠上皮屏障功能

肠道屏障是一个将肠腔与宿主分离的功能实体，由紧密连接和单层柱状IECs构成。IECs主要以吸收细胞、分泌黏液的杯状细胞、分泌激素的内分泌细胞和分泌抗菌肽的潘氏细胞为主^[14]。IECs可以通过分泌黏液、抗菌蛋白、SCFAs增加黏蛋白和抗菌肽的表达^[15]。SCFAs能够促进IECs炎性小体激活并促进抗炎因子的产生^{[5, 16]}。此外，SCFAs能够抑制肠道干细胞增殖、促进隐窝肠上皮细胞分化并调节紧密连接蛋白的表达，促进肠道屏障功能^[17-18]。因此，即使在炎症条件下，SCFAs仍能维持或增加人结肠上皮细胞(Caco-2)和猪小肠上皮细胞(IPEC-J2)的跨上皮电阻(TEER)^[19-21]。刁慧^[22]试验表明，在猪回肠末端灌注不同浓度和比例的SCFAs，肠道食糜中SCFAs浓度增加并抑制IECs凋亡，有助于促进肠道发育和改善肠黏膜屏障，且以高浓度SCFAs灌注效果更好。SCFAs能改变IECs的紧密连接通透性。张亚南等^[23]以IPEC-J2细胞为模型，发现丙酸钠降低了IPEC-J2细胞的通透性，选择性上调紧密连接蛋白家族相关基因的表达，促进肠道屏障功能的完整性并降低炎症反应。

肠黏膜具有识别微生物抗原的功能，所以肠道也是机体免疫细胞最多的器官，IECs不仅能识别病原微生物表面的病原体，也可识别一些微生物代谢产物。SCFAs被识别后，可通过调节肠道黏膜免疫应答增强IECs屏障功能。SCFAs能通过肠杯状细胞上调黏液基因的转录增加黏液的产生，将产SCFAs的拟杆菌接种于无菌小鼠，发现其能够诱导杯状细胞的分化并促进黏液的生成^[24]。赵冬冬等^[4]研究发现，当肠道内容物SCFAs浓度下降时，腹水综合征肉鸡肠道黏膜屏障进一步受损，导致脂多糖和有害菌发生易位，进一步加速肝脏和肺脏器官损伤，使腹水更加严重。总之，SCFAs可增强IECs完整性，且在维持肠道黏膜内环境稳定方面发挥重要作用。

3 SCFAs参与宿主肠道免疫的调控机制

SCFAs具有多种调控功能，对调控宿主免疫具有重要影响。SCFAs主要通过2种不同的机制对细胞产生影响进而促进肠道内稳态。其中最重要的是激活细胞受体，导致细胞增殖或分化，其次就是SCFAs作为HDAC抑制剂发挥作用。

3.1 GPCRs途径

GPCRs在免疫细胞和IECs等多种类型细胞中均有表达，SCFAs可通过与细胞表面的GPCRs[如G蛋白偶联受体43(GPR43)、G蛋白偶联受体41(GPR41)和G蛋白偶联受体109A(GPR109A)]结合，激活调控免疫反应的信号转导途径，其中GPR43和GPR41可被乙酸、丙酸和丁酸激活，GPR109A可被丁酸激活。GPCRs作为SCFAs的受体，GPR43的配体亲和力为乙酸=丙酸>丁酸，GPR41的配体亲和力大小为丙酸>丁酸>乙酸^[25]。GPR43表达的主要部位是IECs、免疫细胞、脂肪细胞；GPR41在平滑肌细胞、IECs、肠内分泌细胞、神经细胞等多种细胞中表达；GPR109A主要在大肠上皮细胞、结肠细胞、肝细胞、脂肪细胞和免疫细胞中表达，参与脂肪细胞分化和脂质储存调节机体能量稳态，并参与SCFAs在肠道介导的炎症反应和免疫应答激活^{[16, 26-27]}。

SCFAs可通过激活IECs和免疫细胞中的GPCRs，在肠黏膜中发挥抗炎作用。在这些细胞中，炎症反应可诱导SCFAs激活GPCRs表达。单核细胞和中性粒细胞作为天然免疫细胞可以通过穿过上皮屏障、识别和消除细胞因子/趋化因子分泌的抗原，从而激活适应性免疫反应，阻止病原体入侵。SCFAs可以通过与GPR43结合诱导中性粒细胞趋化和调节性T细胞(regulatory T cells，Treg细胞)的增殖^[28]。在葡聚糖硫酸钠结肠炎模型和T细胞转移性肠炎模型中，GPR43介导的SCFAs通过增强叉头样转录因子3(forkhead box P3，FOXP3)Treg细胞的频率和功能，降低了炎症反应，而基因敲除GPR43小鼠肠黏膜组织学评分升高、中性粒细胞浸润、促炎性细胞因子表达水平升高，表明SCFAs/GPCRs途径参与促进炎症的发生^[28-29]。GPR41/43的激活可介导乙酸影响白细胞介素(interleukin, IL)-6和IL-8的产生，丁酸和丙酸影响IL-6的产生^[30]。SCFAs也可通过GPR41调节其他部位的炎症反应维护机体健康。SCFAs抑制树突细胞(dendritic cells, DC)增殖并改善野生型小鼠过敏性呼吸道炎症，而在基因敲除GPR41小鼠中没有出现此现象^[31]。SCFAs可通过介导GPR109A的活化诱导Treg细胞分化和炎性细胞因子IL-10的产生，从而降低结肠炎和结肠癌的患病率^[16]。在IECs模型中，丁酸通过诱导小鼠结肠细胞GPR109A，进而抑制脂多糖诱导的核转录因子-κB(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)激活^[32]。SCFAs也可以与IECs上的GPR109A和GPR43结合，促进IECs的钾离子(K⁺)流出并超极化，增加IL-18的产生，从而维持肠道稳态^[5]。

然而，SCFAs对宿主生理不仅有积极影响，也可使疾病发生恶化。在肾脏疾病的试验模型中，过量的SCFAs已被证明可促进T细胞介导的肾组织炎症，并伴有输尿管炎和肾积水^[33]。总之，这些研究表明GPCRs具有细胞特异性，能够与SCFAs结合调控宿主免疫，为通过SCFAs/GPCRs途径(特别是GPR43和GPR109A)抑制炎症维持肠道完整性提供了强有力的证据。

3.2 HDAC调控途径

组蛋白去乙酰化是基因表达调控的一种普遍方式，HDAC是催化这类反应的一类蛋白酶，对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要作用。SCFAs作为HDAC抑制剂的配体，可以通过诱导HDAC抑制作用刺激单核细胞和中性粒细胞，导致NF-κB失活，减少促炎细胞因子的产生^[13]。SCFAs可以通过抑制NF-κB途径，下调IL-2、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)等促炎细胞因子的表达^[34]。Wen等^[35]研究发现，在仔猪饲粮中添加丁酸钠，血清中TNF-α和IL-6含量下降，肠道NF-κB的核内功能降低，并抑制有害菌生长。此外，有研究表明SCFAs作为HDAC抑制剂可以调节巨噬细胞和DC的功能，发挥抗炎作用^{[31, 36]}。总之，这些结果表明SCFAs诱导的HDAC抑制是激活NF-κB通路进而调控宿主免疫反应的一个关键途径。

SCFAs也可以通过HDAC抑制作用增强FOXP3位点的组蛋白乙酰化，促进T细胞分化为效应性T细胞和Treg细胞。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路对T细胞的分化至关重要，SCFAs可通过抑制HDAC途径调节mTOR通路减少T细胞产生IL-10，抑制辅助性T细胞(Th)1和Th17生成并抑制炎症反应^[10]。HDAC抑制剂可以调节Treg细胞的数量和功能，保持肠道内稳态，其中丁酸和丙酸能够抑制HDAC增强Treg细胞的生成，而乙酸缺乏HDAC抑制活性^[37]。SCFAs能够调节Treg细胞的数量和功能，并以HDAC依赖性方式诱导FOXP3表达，抑制炎症反应^{[28, 37]}。小鼠摄入高纤维的饲粮或补充SCFAs，不但可以使肠道炎症得到缓解，还可以增强FOXP3 Treg细胞的抑制活性，降低过敏性呼吸道疾病的严重程度^[38]。母体补充含SCFAs的饲粮，能够将SCFAs介导的HDAC抑制作用遗传给后代，表明SCFAs在维护机体免疫功能、预防和治疗疾病方面具有表观遗传潜力^[38]。

由于SCFAs是一种挥发性化合物，其半衰期短、在机体内代谢速度快，因此SCFAs浓度影响其对HDAC的抑制作用。只有高浓度SCFAs才能够使HDAC发挥作用^[39]。然而，SCFAs是否直接或间接通过GPCRs等途径抑制HDAC作用受浓度、受体、转运载体、作用的细胞或组织类型等多种因素影响。这些研究结果为寻找疾病治疗的方案提供了一定的理论支持，并且可以确定SCFAs作为HDAC抑制剂的重要性。

3.3 其他作用机制 3.3.1 通过B细胞增加免疫球蛋白A(IgA)的分泌

当与特定细菌结合时，IECs能通过调节IgA胞吞转运作用将细菌凝集并黏附到黏液上，阻止细菌与肠上皮细胞表面直接接触，防止细菌侵入宿主组织^[14]。研究表明，补充SCFAs可增加小鼠肠黏膜中IgA的分泌^[40]。丁酸能够诱导IECs中的转化生长因子-β(TGF-β)表达，TGF-β能够间接诱导B细胞发生免疫球蛋白类别转换并产生IgA^[41]。此外，Wu等^[42]研究发现，乙酸可通过GPR43诱导DC表达醛脱氢酶1家族成员A2(aldehyde dehydrogenase 1 family subfamily A2，ALDH1A2)，进而促进B细胞分泌IgA。然而，SCFAs也能直接调节B细胞的代谢和基因表达并促进IgA的分泌，并且其诱导分泌型IgA是一种T细胞的非依赖性激活机制(直接激活)，可维持对肠道免疫平衡^[43]。

3.3.2 Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)

IECs不仅是肠黏膜物理屏障，同时是内外环境的信号转导枢纽，通过细胞之间的接触、趋化因子和细胞因子信号传导来介导固有层微生物群和免疫细胞之间的相互作用^[44]。IECs在受到微生物抗原的刺激时会激活TLRs，调控机体免疫水平，维持肠道菌群的平衡并阻止微生物以及毒素对肠道的侵袭^[45]。TLRs在肠道多种细胞中大量表达，肠内存在的TLRs主要有识别细菌脂蛋白和脂磷壁酸的TLR2、识别革兰氏阴性菌细胞壁脂多糖成分的TLR4和在结肠中可识别大多数运动细菌鞭毛蛋白的TLR5，其被激活后可产生炎性细胞因子和趋化因子，诱导免疫反应^[10]。然而，在细菌的刺激下，TLRs能够介导IECs先天性免疫反应和炎症反应。研究表明，丁酸能够降低IECs中TLR4的表达和炎性细胞因子的产生^[46]。Xiao等^[47]用丁酸处理人结肠癌细胞和小鼠结肠癌细胞发现丁酸可以通过上调TLR4的表达来维持肠道内环境的稳定。此外，有研究表明SCFAs也可通过维持小肠的完整性抑制弗氏完全佐剂诱导的自身免疫性肝炎。Wu等^[48]发现丁酸钠通过抑制TLR4信号通路减少IL-6和TNF-α的产生，对肝脏和小肠损伤起到保护作用。因此，SCFAs对肠道免疫屏障的保护作用在减少机体炎症反应及维护机体免疫平衡中起着重要作用。

4 小结与展望

宿主和SCFAs相互作用形成稳定的肠道环境，由于其作用机制复杂且受肠道内环境因素影响，它们之间既存在直接作用，也有间接作用。SCFAs既可直接为IECs提供能量、维护肠道屏障的完整性，也可以通过激活GPCRs受体和表观遗传等途径参与调节机体的免疫反应，从而发挥抗炎作用。作为一种具有多种生理功能的微生物代谢产物，SCFAs对肠道健康及机体免疫功能具有重要的调节作用。然而，外源性添加SCFAs能否抑制动物肠道有害菌生长，适宜作用浓度是多少，能否影响IECs发育进而增强宿主抗炎能力尚不清楚。因此，进一步研究SCFAs是否通过与微生物群相互作用影响宿主免疫细胞发挥作用、在疾病发生发展转化过程中的作用机制如何，对维护宿主肠道健康及机体生长发育具有重要意义，为疾病的预防和治疗提供崭新的思路。