开眼界了——肠道短链脂肪酸通过NLRP3缓解房颤
研究显示不良的肠道菌群（GM）和NLRP3炎症小体是心房颤动（AF）的促心律失常因素。其中，转基因膳食纤维发酵产生的短链脂肪酸（SCFA）是否可作为隐形介质尚不清楚。因此，本研究旨在确定SCFA缓解NLRP3信号介导的心房重构是否保护房颤的发展。作者基于GC-MS代谢组学的横断面研究在48个人中探索粪便SCFA水平和AF性状之间的关系，并最终证实由肠道共生菌发酵的膳食纤维衍生的SCFA可通过GPR43/NLRP3信号缓解房颤的发展。本研究于2022年6月发表在《International Journal of Biological Sciences》IF：10.750期刊上。
技术路线：
主要实验结果：
尽管根据之前的宏基因组分析，已经在AF患者中发现SCFA合成相关基因的中断，其特征是酶基因和隐藏物种的减少，但尚未获得AF患者中SCFA的实际水平。因此，本研究通过GC-MS定量测定了24名AF患者和24名匹配的健康人(CTR)的粪便中SCFA的水平。结果显示与CTR比较，AF患者粪便中SCFA的水平下降（图1B）。有趣的是，在进展型房颤中，从非房颤对照、阵发性房颤(PAF)、<12个月持续性房颤(psAF)和>12个月的psAF中观察到SCFA水平的持续下降趋势（图1C）。随后分析SCFA与左心房前后径（LAD）的相关性，结果显示为负相关（图1D）。以上结果表明SCFA缺失和AF进展紧密相关。
图1 房颤患者粪便中SCFA水平减少
为确定从肠道食物中提取的SCFA对房颤的影响，分别喂给小鼠正常(5%纤维素)、低(1%纤维素)和高(5%纤维素+5%菊粉)纤维素饲料4周，随后16S rRNA测序结果表明，低纤维素组的GM多样性显著高于另外两组（图2A），同时伴随着整体肠道菌群组成分类的改变（图2B-D）。此外，图2E量化了3组中粪便SCFA的水平结果显示在低纤维组中最低。这些结果表明膳食纤维改变了GM组成结构和SCFA的产生。
图2膳食纤维改变转基因结构和短链脂肪酸的生成
3、膳食纤维来源的SCFA的缺乏会改变左心房的生理指标
为检测膳食纤维来源的SCFA对心房电传导及心脏结构和功能的影响，分别对四组大鼠进行体表心电图(ECG)和经胸超声心动图检查。提取II号导联的波形（图3A），反映心房-心室结和左心室传导功能的心率、PR间期和QRS持续时间，结果表明这些指标在四组中相似（图3B）。值得注意的是，P波持续时间延长是无序和混乱心房电传导的有力指标，在低纤维饮食喂养的小鼠中被检测到，这种现象可以通过补充SCFA来逆转（图3B）。此外，P波持续时间与SCFA水平呈负相关（图3C）。超声心动图（图3D）显示低纤维饮食组左心房直径增加，射血分数受损，但在高纤维饮食或补充SCFA的小鼠中没有（图3E）。这些发现为膳食纤维衍生的SCFA可能参与心房重构提供了初步证据。
图3膳食纤维来源的SCFA的缺乏会改变左心房的生理指标
4、缺乏膳食纤维来源的SCFA会增加房颤的易感性
为评价喂养不同类型膳食纤维的小鼠的房颤诱发性和持续时间，采用经食管爆发性起搏实验。因此，在基线时，两组均未观察到房性心律失常发作，burst起搏后的代表性心电图如图4A、4B所示。Burst起搏诱发低纤维小鼠AF发生率为9/30(30.00%)，高纤维小鼠AF发生率为2/30 (6.67%)，SCFA补充小鼠AF发生率为1/30 (3.33%)（图4C）。总之，低纤维饮食小鼠的AF发生率高于对照组，远高于高纤维饮食组和SCFA补充组（图4D）。这些结果缺乏膳食纤维会增加房颤的易感性，而SCFA则发挥了部分保护作用。
5、缺乏膳食纤维来源的SCFA会加剧心房传导紊乱
电重构促进了AF的电生理底物—易再入环境，这是由离子通道功能障碍、间隙连接分布中断，连接素半通道蛋白Cx43和N-cadherin的共定位丢失造成的。在正常和高纤维饲粮组中，Cx43和N-cadherin缝隙连接位于细胞末端，几乎没有左右连接（图5A）。相反，在低纤维组中，Cx43和N-cadherin的分布模式明显改变，而在SCFA补充组则有所改善介于两者之间（图5A）。此外，WB结果表明，补充SCFA可以防止膳食纤维缺乏介导的Ca2+处理中断，其特征是上调心房中磷酸化的CaMKII和CaMKII相关的RyR2的磷酸化表达水平（图5B）。这些结果表明，膳食纤维来源的SCFA对心房Cx43/N-cadherin定位和CaMKII介导的RyR2磷酸化具有保护作用，这可能与心房电底物的稳定性有关。
心房结构重构，主要包括组织纤维化，与传导异常相关，为房颤维持创造基质。Masson和天狼星红染色显示，低纤维饮食小鼠心房组织纤维化紊乱和胶原蛋白表达显著进展，补充SCFA可缓解纤维化和胶原蛋白表达紊乱（图6A）。这一现象与一些纤维化相关标志物的蛋白水平一致，如I型胶原、TGF-β和α-SMA（图6B）。综上所述，这些结果部分解释了膳食纤维来源的SCFA、异源性心房传导和房颤易感性之间的病理生理过程。
图6缺乏膳食纤维来源的SCFA会加重心房纤维化
6、SCFA可减轻低纤维饮食小鼠NLRP3的激活
近年来的研究通过SCFA在不同组织和细胞类型中的传感器GPR43对其抗炎特性进行了深入的研究。因此，作者假设SCFA对NLRP3炎症小体激活具有保护作用。首先，在低纤维组心房中检测到高水平的NLRP3、pro-caspase-1、cleaved caspase-1和IL-1β（图7A），表明低纤维饮食与NLRP3激活之间存在相关性，尽管其潜在机制尚未阐明。接下来，在高纤维组或SCFA补充组小鼠心房组织中发现自噬降解和失活指标K48-和k63-连接的泛素化增加，提示SCFA可能对NLRP3激活有缓解作用（图7B）。此外，在高纤维组和SCFA补充组中，观察到SCFA的天然传感器GPR43蛋白水平上调（图7A），这表明GPR43的调控作用需要进一步研究。总之，这些初步结果描述了膳食纤维衍生的SCFA通过K48和k63连接的泛素化自噬降解阻止通过GPR43激活NLRP3炎症小体的可能作用，从而对AF发挥保护作用。
图7富含膳食纤维衍生的SCFA可通过GPR43信号减弱NLRP3的激活
7、在HL-1细胞中SCFA通过的GPR43信号通路减弱炎症小体激活和相关心房重构
为进一步探讨SCFA对NLRP3激活的抑制作用，在奈革霉素刺激前先用SCFA处理LPS介导的HL-1细胞，随后，测定HL-1细胞中NLRP3、pro-caspase-1、cleaved caspase-1和IL-1β的蛋白水平。结果发现SCFA抑制了LPS/nigicin诱导的IL-1β的产生和caspase-1的激活（图8A）。接下来，分析SCFA介导NLRP3抑制的机制。本研究中，先前发现SCFA促进了HL-1细胞中K48-和k63-连接泛素链的GPR43表达和泛素化。此外，在HL-1细胞中，当GPR43介导的NLRP3失活减弱炎症小体激活时，可以观察到CaMKII磷酸化的缓解（图8A）。然而，在LPS和奈日菌素刺激前，用siGPR43处理的细胞中，SCFA对炎症小体的这些作用减弱（图8B）。综上所述，这些数据表明SCFA通过GPR43和CaMKII调控NLRP3炎症小体的激活，初步揭示了SCFA介导NLRP3炎症小体衰减的潜在机制。
图8在HL-1细胞中SCFA通过GPR43信号通路减弱NLRP3激活
总之，本研究证实肠道共生微生物发酵膳食纤维产生的SCFA通过GPR43/NLRP3信号缓解房颤的发展。目前的研究结果证明，SCFA激活心房GPR43是一种有前途的房颤治疗策略。
参考文献：
Zuo Kun., Fang Chen., Liu Zheng., Fu Yuan., Liu Ye., Liu Lifeng., Wang Yuxing., Yin Xiandong., Liu Xiaoqing., Li Jing., ZhongJiuchang., Chen Mulei., Xu Li., Yang Xinchun.(2022). Commensal microbe-derived SCFA alleviates atrial fibrillation via GPR43/NLRP3 signaling. Int J BiolSci, 18(10), 4219-4232. doi:10.7150/ijbs.70644