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摘要
背景丁酸盐，一种由细菌发酵产生的短链脂肪酸，是结肠细胞的主要燃料来源。体外研究表明，溃疡性结肠炎的特征可能是结肠母细胞丁酸盐氧化代谢缺陷。
目标目的探讨静息性结肠炎患者直肠给药丁酸盐的代谢情况。
方法(1 -13C]对11例长期静止性溃疡性结肠炎患者和10例对照组进行了丁酸灌肠。生产的速度13有限公司2采用同位素比质谱法结合间接量热法测定了4小时以上呼气中CO含量2生产。这可以计算患者的静息能量消耗和呼吸商。
结果在4小时内，325 (SEM 21) μmol13有限公司2与对照组(NS) 322 (17) μmol相比，结肠炎组的呼吸样本中有明显的差异。结肠炎组的呼吸商明显低于对照组。
结论两组间丁酸盐代谢率无明显差异。静止性溃疡性结肠炎患者不太可能存在丁酸盐代谢的原发性代谢缺陷。
- 溃疡性结肠炎
- 体内丁酸代谢
数据来自Altmetric.com
短链脂肪酸(SCFAs)是由结肠细菌发酵非淀粉多糖(膳食纤维)在人类大肠中产生的。1醋酸、丙酸和丁酸是这一过程中产生的主要SCFAs，丁酸在细胞代谢中的重要性引起了人们的极大兴趣。丁酸盐是结肠上皮细胞的主要燃料来源。2是结肠粘膜吸收盐和水所必需的。3.缺乏丁酸盐会导致炎症，如转移性结肠炎。在一项研究中，通过灌肠增加腔内丁酸盐水平已经令人满意地得到了治疗。4
溃疡性结肠炎是一种主要影响左结肠的大肠粘膜疾病。大肠的这部分比右结肠更依赖丁酸盐作为燃料来源。5从暴发性溃疡性结肠炎患者身上采集的结肠菌细胞显示丁酸盐氧化能力受损6这就提出了结肠炎的特征是能量缺乏，导致细胞死亡和慢性炎症的假设。通过阻断线粒体β氧化丁酸盐，已经产生了类似结肠炎炎症的动物模型。7查普曼等利用静止性结肠炎患者的粘膜活检标本证实了这一发现。8此外，在结肠炎患者的回肠末端发现了代谢异常，这表明丁酸盐代谢失败可能是一种全身性缺陷。9炎症只发生在大肠粘膜，因为它是丁酸盐是主要燃料来源的唯一部位。然而，尽管使用了类似的技术，其他人却无法再现这些结果。1011
尽管这些发现相互矛盾，但研究小组还是对结肠炎患者使用了SCFA灌肠剂，12 - 14希望外源性SCFA溶液可以减轻炎症和症状。早期的结果是有希望的，通过内镜、组织学和临床标准评估粘膜炎症的减少，尽管尚未进行大型双盲试验。15
有人认为丁酸灌肠可以通过恢复腔内丁酸盐水平到正常来缓解结肠炎的症状;超生理浓度也可能通过质量作用克服丁酸盐代谢的部分代谢阻塞。然而，到目前为止，没有证据表明静止性结肠炎患者的结肠腔内SCFAs浓度低于正常人。
本研究的目的是调查静息性结肠炎患者的丁酸盐代谢是否受损。[1-]的代谢速率13C]-丁酸灌肠，给予静止性结肠炎患者，通过测量的生产速率确定13有限公司2在四小时的呼气样本中，并与没有粘膜疾病的对照组进行比较。为了比较生产的速度13有限公司2在两组中，必须同时测量患者的静息能量消耗(REE)。受试者之间稀土元素的差异可能对[1-]的代谢率产生重大影响13C]-丁酸和是任何组间比较的重要分母。
材料与方法
病人
根据症状和直肠活检评估，11名患有静止性结肠炎的成年患者(平均年龄48.8(3.5)岁)和10名无炎症性肠病史的对照组患者(平均年龄59.8(4.1)岁)从胃肠病学诊所招募。
所有参与者都获得了书面同意，该研究得到了大学医院伦理委员会的批准。
协议
在调查前三小时进行磷酸盐灌肠以排出直肠粪便。一份标准轻餐(约1674 kJ;能量百分比:蛋白质20%，脂肪25%，碳水化合物55%)在代谢测量开始前一小时消耗。
受试者在温度控制的环境(23°C)中仰卧休息15分钟，然后测量基线休息能量消耗(REE)、呼吸商(RQ)和二氧化碳产量(VCO)2)使用通风罩间接量热系统，该系统已得到广泛验证。16
在最初的8分钟里，受试者被允许习惯兜帽，然后在接下来的12分钟里确定基线值。在这20分钟结束时，使用封闭系统收集呼气基线样本，并分析背景13有限公司2浓缩。过期气体的收集是通过被试在正常吸气结束时呼出，并将其放入之前已被抽出的导尿管袋中。袋上的止回阀防止了随后的过期气体与大气空气的稀释。将真空针插入重新密封的取样口，轻轻按摩取样袋，将收集到的气体混合后，将三份样本收集到带有橡胶隔垫的12毫升玻璃抽真空管中(Exetainers, Europa Scientific Ltd)。然后打开导管袋，排出内容物。在抽气和重新密封之前，用室内空气冲洗了两次，为下一次样品收集做好准备。
一旦获得基线值，100ml [1-13C]-丁酸灌肠剂，含1.25 mmol [1-13C]-丁酸钠(Cambrian gas, Croydon, UK)和3.75 mmol未标记的丁酸钠加入10 mmol氯化钠溶液(pH 7.4)。REE RQ和VCO2在第一个小时连续测量，然后在接下来的三个小时中每30分钟测量20分钟。第一个小时每隔15分钟收集一次过期空气，之后每隔30分钟收集一次。在进行20分钟的间接量热测量记录时，患者被要求保持不动，不允许入睡。
13有限公司2使用同位素比质谱仪(20-20分析仪，Europa科学有限公司，克鲁，柴郡，英国)分析了呼气样本中的富集。13有限公司2浓缩(原子百分比)和VCO2测量是用来计算的13有限公司2标签生成速率(μmol/min)。
统计数据
数据分析采用重复测量方差分析(ANOVA)，未配对的学生t检验，回归系数比较。主要终点被预先定义为[1-]的总量13C]-丁酸盐氧化成13有限公司2四小时后吐气。结果以平均值(SEM)表示。
结果
病人的特点
表格1总结患者特征。结肠炎组往往比对照组年轻，尽管他们的体重和身体质量指数(BMI)相似。结肠炎组所有直肠活检标本的组织病理学评估证实了静止性结肠炎，没有人出现局部或全身急性疾病症状。然而，这些患者服用了5-氨基水杨酸类药物，而对照组患者没有服用任何药物。
代谢率
在对照组中，平均REE在测量的4小时内保持稳定(基线4.94(0.28)，结束5.13 (0.44)kJ/min)。相比之下，结肠炎组的REE在基线时较高(5.78 (0.4)kJ/min)，但在接下来的4小时内下降。REE以每公斤体重表示，以便在受试者之间进行比较(图2)1)，在基线和第一个小时，结肠炎组比对照组高出约20%，在其余实验中下降至约10%。差异有统计学意义(p<0.05，组方差分析)。
结肠炎患者和对照受试者在研究期间的静息能量消耗(REE)。* p < 0.05。
众所周知，稀土元素随着年龄的增长而减少;因为结肠炎组比对照组年轻，这可能解释了结肠炎组的REE较高。17事实上，两组的年龄和稀土元素之间存在显著的关系(r=0.69)，但当使用重复测量分析将年龄视为协变时，这种情况消失了。
呼吸商
平均RQ的计算方法是将每个给定时间点的二氧化碳产量除以氧气消耗量。对照组各时间点的RQ均显著大于结肠炎组(p=0.002, ANOVA;无花果2)．
结肠炎患者和对照组的平均呼吸商(RQ)随时间的变化。组×时间，p<0.001(组方差分析)。
13有限公司2生产
在给予[1-13C . -丁酸灌肠剂的丰度13有限公司2结肠炎组为1.0836(0.00033)个原子的百分比，对照组为1.0842(0.00025)个原子的百分比。的数量13有限公司2在实验期间过期的两组之间相似(p=0.92;表格2)，在240分钟内，两组呼吸样本中约有1.25 mmol丁酸盐的四分之一被回收。
两组间比较差异无统计学意义13有限公司2生产按照体重和代谢率进行标准化(p=0.78和p=0.88)。然而，有一个时间×群体的相互作用13有限公司2似乎对照组最初氧化丁酸盐的速度比结肠炎组快。两组都达到了相似的峰值13有限公司2虽然对照组的氧化率比结肠炎组下降更快(p<0.05, ANOVA)。两组之间也出现了类似的模式13有限公司2对体重、BMI和REE进行标准化(p分别<0.05和p=0.01;无花果3.)．
13有限公司2在实验的时间过程中，每千焦的能量消耗产量。组数×时间，p<0.05 (ANOVA)。
讨论
本研究表明，静息性结肠炎患者在蛋白的分泌量和峰值速率上均无缺陷13有限公司2由a[1-]氧化而得13C)丁酸灌肠。体外研究表明，与正常患者相比，结肠炎患者的人类结肠上皮细胞和粘膜活检组织对丁酸盐的代谢率降低了50%。8在体内观察到的影响的数量级比在体外小得多，这表明静止性溃疡性结肠炎患者在丁酸β氧化方面存在原发性代谢缺陷是极不可能的。
这些结果与Den Hond及其同事得到的结果相似18引导者14活动性和静止性溃疡性结肠炎患者的c -丁酸灌肠。然而，在他们的研究中，接受调查的患者的REE没有得到控制，因此被认为是相同的。该研究发现，静止性溃疡性结肠炎患者的稀土元素/千克体重明显高于对照组(图2)1)．这种差异可以解释为稀土元素每十年下降约2%19我们的对照组比结肠炎组年龄大。或者，这可能是身体组成不同的结果。患有结肠炎的受试者(其中很大一部分是女性)的BMI指数略低于对照组。由于在相同的BMI指数下，女性的脂肪含量高于男性，因此两组之间的脂肪含量(占体重的百分比)很可能是相似的;因此，将稀土元素标准化为公斤体重或无脂肪质量的差异很小。这种差异不太可能是粘膜炎症的结果，因为根据临床、内窥镜和组织学标准，所研究的患者患有静止性结肠炎。有趣的是，Den Hond小组没有考虑到这一点，尽管他们的患者组的年龄有显著不同。在本研究中，计算丁酸氧化率时控制了患者稀土元素的差异;结果单位为μmol/min13有限公司2每千焦能量消耗的产量。
这项研究显示了一个显著的，尽管很小的差异，在生产速率的轮廓13有限公司2．结肠炎组在达到最大值的时间上有15-30分钟的延迟13有限公司2产量下降的速度比对照组慢。这种差异应该谨慎地解释为群×时间相互作用作为[1-的决定因素13C]丁酸代谢不是一个预先定义的主要终点。然而，这一观察结果可能反映了从结肠壁吸收丁酸盐的速率的差异，细胞内氧化速率的改变，或远处部位(如肝脏)的代谢。我们的实验设计没有区分这些可能性。这种差异不能用能量消耗的改变或呼吸商的差异来解释。
有证据表明，结肠炎患者从透析袋中直肠吸收丁酸盐的速率没有差异。20.然而，从这一数据推断结肠炎细胞对丁酸盐的吸收率是正常的可能是误导性的，特别是当结肠炎患者的结肠粘液屏障更薄且具有不同的一致性时。21结肠炎患者和对照组之间的结构和运动差异可能会影响有效表面积和腔内内容物的混合，从而改变丁酸盐吸收和后续代谢的动力学。丁酸盐可能是通过主动运输机制运输到结肠细胞的;然而，我们对结肠炎细胞的变异还一无所知。22有趣的是，最近的证据表明，结肠渗透性与丁酸盐氧化成二氧化碳之间存在负相关关系18可以推测，随着黏膜炎症和通透性的增加，丁酸活性转运受损。
另一种可能是，给药至左半结肠的丁酸盐整体代谢的时间延迟可能是因为静止性结肠炎患者的结肠菌需要诱导酶系统。然而，最近的研究表明，在结肠炎细胞中β氧化途径的酶系统中没有缺陷，很难想象可以在15-30分钟内克服酶缺陷。23
本研究的另一个主要发现是结肠炎患者的RQ明显低于对照组。显然，这种差异的部分原因可能是研究开始前一小时食用的三明治成分不同。据报道，这顿饭的大小或成分没有明显的差异，但没有进行正式的测量。此外，这顿饭的影响在监测期结束时将逐渐减弱，揭示了之前的饮食对吸收后RQ的可能影响。因此，RQ数据将与结肠炎组前一餐和前一餐的饮食相一致，其脂肪含量高于对照组，碳水化合物含量低于对照组。这可能是由于结肠炎组的受试者选择了低碳水化合物和低纤维饮食，以避免引起腹痛或加重结肠炎。另一种有趣的说法是，低纤维饮食可能使患者容易患结肠炎，并影响复发率。
没有令人信服的数据表明轻度或静止性结肠炎患者与正常患者相比结肠细菌种群发生改变，也没有任何SCFAs腔内浓度的差异。然而，在确定结肠内的细菌种群和确定结肠母细胞水平的SCFA浓度方面存在巨大的方法学问题。口服玉米淀粉可以增加粪便中丁酸盐的浓度24或阿卡波糖。25结肠炎患者食用的低纤维饮食可能导致结肠细菌种群的改变和SCFAs的产生降低，导致细菌和结肠细胞之间的稳态失效，从而导致炎症。
总之，这项研究表明，即使考虑到组间潜在的代谢差异，静止性溃疡性结肠炎患者的丁酸盐氧化也没有重大损伤。然而，丁酸盐负载利用的时间过程存在差异。研究还发现，患有静止性结肠炎的患者与对照组患者的RQ不同，这意味着他们的饮食不同;然而，需要进一步的研究来澄清这一点。
致谢
这项研究的部分资金由特伦特地区卫生局研究与发展基金提供。
参考文献
脚注
- 本文使用的缩略语:
- 身体质量指数
- 身体质量指数
- 稀土元素
- 静息能量消耗
- 中移动
- 呼吸商
- 短链脂肪酸
- 短链脂肪酸
- VCO2
- 二氧化碳的产生