《Journal of Functional Foods》：Short-chain fatty acids attenuate obesity-induced oxidative stress by regulating the MUFA/PUFA ratio in phospholipids
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为解决肥胖诱导的氧化应激及其相关代谢紊乱的防治问题，研究人员开展了短链脂肪酸（SCFAs）调节脂质代谢与氧化应激关系的主题研究。研究发现，SCFAs通过激活AMPKα和PPARγ，并与SCD1相互作用，调控磷脂MUFA/PUFA比值，从而减轻体内外模型的脂质过氧化，为基于SCFAs的饮食干预肥胖相关疾病提供了理论依据。
在当今全球范围内，肥胖已成为一种普遍的代谢紊乱，它显著增加了2型糖尿病、脂肪肝、高血压和心肌梗死等多种并发症的风险。肥胖引发的氧化应激是代谢功能障碍的关键驱动因素，与多种肥胖相关疾病的发病机制密切相关。肠道微生物群衍生的短链脂肪酸（Short-chain fatty acids, SCFAs，包含乙酸、丙酸、丁酸等）是膳食纤维发酵的主要产物，近年来因其广泛的生理益处而备受关注，包括抗炎、免疫调节、抗肥胖等作用。尽管已知SCFAs能够调节脂质代谢，但它们如何影响肥胖中的氧化应激，其分子机制仍不清晰。这构成了当前研究的一个重要缺口。为了解决这个问题，并探索基于SCFAs的潜在干预策略，研究人员开展了一项深入研究，成果发表在《Journal of Functional Foods》上。
为了揭示SCFAs如何发挥作用，研究人员采用了多学科技术手段。在体外，他们使用了两种细胞模型：人肝癌细胞系HepG2和小鼠前脂肪细胞系3T3-L1，通过油酸钠诱导或标准分化混合物建立脂质负载模型。在体内，他们使用了C57BL/6J小鼠，通过高脂饮食（HFD）喂养诱导肥胖模型。关键技术方法包括：1) 非靶向脂质组学分析，以全面评估细胞和组织中的脂质成分变化；2) 蛋白免疫印迹（Western blotting）和实时定量PCR，用于检测关键蛋白和基因的表达水平；3) 免疫共沉淀，用于验证蛋白质间的相互作用；4) 16S rDNA测序，用于分析肠道微生物群的组成和多样性；5) 多种生化检测和荧光探针成像，用于评估脂质积累（如油红O染色、甘油三酯和胆固醇测定）以及氧化应激指标（如活性氧、脂质过氧化、超氧化物歧化酶活性和丙二醛水平）。
3.1. 脂质积累和氧化应激损伤在肥胖中的作用
研究人员首先成功建立了脂质负载的细胞模型。在HepG2和3T3-L1细胞中，诱导后细胞内脂滴、甘油三酯和总胆固醇水平均显著增加。同时，氧化应激参数也发生了不利变化：活性氧、脂质过氧化和丙二醛水平升高，而超氧化物歧化酶活性降低。这表明模型成功复制了肥胖的特征——脂质积累加剧和氧化应激增强。
3.2. SCFAs改善脂质积累和氧化应激
在脂质负载的细胞中加入SCFAs（乙酸、丙酸、丁酸）后，研究人员发现，所有三种SCFAs都能显著减少细胞内的脂滴积累，并降低甘油三酯和总胆固醇水平。更重要的是，SCFAs干预有效减轻了氧化损伤，表现为活性氧生成、脂质过氧化和丙二醛含量减少，同时超氧化物歧化酶活性得到增强。这表明SCFAs在体外能有效缓解脂质负载引起的代谢紊乱和氧化应激。
3.3. SCFAs通过抑制脂肪合成、增加脂肪氧化和脂肪分解来减少脂肪积累
机制探索发现，SCFAs通过多方面的调节来减轻脂质积累。它们下调了与脂肪酸合成相关的乙酰辅酶A羧化酶1和脂肪酸合酶的表达，同时上调了促进脂肪分解的脂肪甘油三酯脂肪酶表达和总脂肪酶活性。此外，SCFAs还上调了调控线粒体脂肪酸β-氧化的关键蛋白肉碱棕榈酰转移酶1A的表达。而胆固醇合成的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的表达未受影响。
3.4. SCFAs通过PPARγ-和AMPKα依赖性途径改善脂质积累和氧化损伤
研究进一步揭示了SCFAs作用的信号通路具有细胞类型特异性。在HepG2肝细胞中，SCFAs上调了AMP激活蛋白激酶α及其磷酸化形式的表达；而在3T3-L1脂肪细胞中，SCFAs下调了过氧化物酶体增殖物激活受体γ的表达。使用抑制剂或激动剂的实验证实，在肝细胞中，SCFAs的保护作用主要通过激活AMPKα实现；在脂肪细胞中，则主要通过抑制PPARγ实现。
3.5. SCFAs通过磷脂重塑调节MUFA/PUFA比值
脂质组学分析显示，SCFAs处理显著改变了细胞中甘油磷脂的组成。重要的是，SCFAs提高了甘油磷脂中单不饱和脂肪酸与多不饱和脂肪酸的比例。SCFAs还上调了MUFA合成的关键限速酶——硬脂酰辅酶A去饱和酶1的表达。免疫共沉淀实验表明，在肝细胞中SCD1与AMPKα存在相互作用，在脂肪细胞中SCD1与PPARγ存在相互作用。过表达SCD1的细胞实验证实，SCD1本身能够减轻氧化应激损伤。
3.6. SCFAs在体内改善肥胖相关的代谢改变
在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，口服丙酸或丁酸处理显著减轻了高脂饮食引起的体重增加、肝脏脂滴积累和脂肪细胞肥大。同时，SCFAs处理逆转了高脂饮食导致的肝脏和脂肪组织中氧化应激标志物的不利变化（丙二醛和8-羟基脱氧鸟苷水平升高，超氧化物歧化酶活性降低）。免疫组化分析显示，SCFAs恢复了肝脏中下调的SCD1和AMPKα表达，并正常化了脂肪组织中失调的SCD1和PPARγ表达。
3.7. SCFAs在体内通过磷脂重塑调节MUFA/PUFA比值
对小鼠肝脏和脂肪组织的脂质组学分析进一步证实了体内的磷脂重塑。与高脂饮食组相比，丙酸和丁酸处理组显示出更高的MUFA-甘油磷脂相对丰度以及更高的MUFA-GP/PUFA-GP比值。这种变化体现在甘油磷脂的sn-1和sn-2位点上。两种SCFAs均特异性上调了两种MUFA-GP分子：PHDdiA-Pe和PKOHA-PS。
3.8. SCFAs恢复肥胖诱导的肠道微生物群失调
由于SCFAs是口服给予，研究人员还分析了其对肠道菌群的影响。16S rRNA测序显示，高脂饮食破坏了肠道微生物的组成和多样性，而丙酸和丁酸处理部分恢复了菌群多样性，使其组成更接近正常对照组。分析发现，丁酸和丙酸处理组中具有抗氧化能力的细菌（如Dubosiella和Lactobacillus gasseri）相对丰度增加。功能预测分析表明，SCFAs补充丰富了与异生物质降解、代谢和碳水化合物代谢相关的微生物功能。
综上所述，本研究系统地阐明了短链脂肪酸改善肥胖相关氧化应激的新机制。核心结论是：SCFAs（丙酸和丁酸）通过细胞类型特异性的方式，在肝细胞中激活AMPKα，在脂肪细胞中抑制PPARγ，进而与SCD1相互作用，上调SCD1的表达。SCD1是合成单不饱和脂肪酸的关键酶，其表达增加促进了细胞膜磷脂中MUFA的生成，从而提高了磷脂中MUFA与PUFA的比例。由于MUFA比PUFA更不易发生脂质过氧化，这种磷脂组成的重塑有效降低了细胞的氧化应激损伤。同时，SCFAs还通过调节下游脂质代谢相关蛋白（如ACC1、FAS、ATGL、CPT1A）来抑制脂肪合成、促进脂肪分解和氧化，共同减轻脂质积累。在动物模型中，SCFAs处理有效改善了高脂饮食诱导的肥胖、脂肪组织病变和氧化应激，并部分逆转了肥胖相关的肠道菌群失调。
这项研究的意义重大。首先，它从磷脂饱和度平衡这一新颖视角，揭示了SCFAs调控氧化应激的深层分子机制，连接了脂质代谢与氧化应激这两个关键病理过程。其次，研究明确了AMPKα/PPARγ-SCD1-MUFA/PUFA轴是SCFAs发挥保护作用的核心通路，为理解SCFAs的细胞和组织特异性效应提供了新见解。此外，该研究不仅证实了外源性补充SCFAs的益处，也为通过膳食纤维（SCFAs的内源性来源）或益生菌干预来管理肥胖及相关代谢疾病提供了坚实的理论依据。虽然研究存在如体外SCFAs浓度高于生理水平、缺乏剂量效应研究和直接的因果验证（如粪菌移植）等局限性，但其发现无疑为开发低成本、基于SCFAs的饮食或微生态干预策略，以预防和治疗肥胖及其并发症（如非酒精性脂肪肝、代谢综合征等）开辟了新的思路和潜在靶点。
