研究顯示不良的腸道菌群（GM）和NLRP3炎癥小體是心房顫動（AF）的促心律失常因素。其中，轉基因膳食纖維發酵產生的短鏈脂肪酸（SCFA）是否可作為隱形介質尚不清楚。因此，本研究旨在確定SCFA緩解NLRP3信號介導的心房重構是否保護房顫的發展。作者基于GC-MS代謝組學的橫斷面研究在48個人中探索糞便SCFA水平和AF性狀之間的關系，并最終證實由腸道共生菌發酵的膳食纖維衍生的SCFA可通過GPR43/NLRP3信號緩解房顫的發展。本研究于2022年6月發表在《International Journal of Biological Sciences》IF：10.750期刊上。

技術路線：

主要實驗結果：

1、AF患者糞便中SCFA水平減少

盡管根據之前的宏基因組分析，已經在AF患者中發現SCFA合成相關基因的中斷，其特征是酶基因和隱藏物種的減少，但尚未獲得AF患者中SCFA的實際水平。因此，本研究通過GC-MS定量測定了24名AF患者和24名匹配的健康人(CTR)的糞便中SCFA的水平。結果顯示與CTR比較，AF患者糞便中SCFA的水平下降（圖1B）。有趣的是，在進展型房顫中，從非房顫對照、陣發性房顫(PAF)、<12個月持續性房顫(psAF)和>12個月的psAF中觀察到SCFA水平的持續下降趨勢（圖1C）。隨后分析SCFA與左心房前后徑（LAD）的相關性，結果顯示為負相關（圖1D）。以上結果表明SCFA缺失和AF進展緊密相關。

圖1 房顫患者糞便中SCFA水平減少

2、膳食纖維改變GM結構和SCFA產生

為確定從腸道食物中提取的SCFA對房顫的影響，分別喂給小鼠正常(5%纖維素)、低(1%纖維素)和高(5%纖維素+5%菊粉)纖維素飼料4周，隨后16S rRNA測序結果表明，低纖維素組的GM多樣性顯著高于另外兩組（圖2A），同時伴隨著整體腸道菌群組成分類的改變（圖2B-D）。此外，圖2E量化了3組中糞便SCFA的水平結果顯示在低纖維組中最低。這些結果表明膳食纖維改變了GM組成結構和SCFA的產生。

圖2膳食纖維改變轉基因結構和短鏈脂肪酸的生成

3、膳食纖維來源的SCFA的缺乏會改變左心房的生理指標

為檢測膳食纖維來源的SCFA對心房電傳導及心臟結構和功能的影響，分別對四組大鼠進行體表心電圖(ECG)和經胸超聲心動圖檢查。提取II號導聯的波形（圖3A），反映心房-心室結和左心室傳導功能的心率、PR間期和QRS持續時間，結果表明這些指標在四組中相似（圖3B）。值得注意的是，P波持續時間延長是無序和混亂心房電傳導的有力指標，在低纖維飲食喂養的小鼠中被檢測到，這種現象可以通過補充SCFA來逆轉（圖3B）。此外，P波持續時間與SCFA水平呈負相關（圖3C）。超聲心動圖（圖3D）顯示低纖維飲食組左心房直徑增加，射血分數受損，但在高纖維飲食或補充SCFA的小鼠中沒有（圖3E）。這些發現為膳食纖維衍生的SCFA可能參與心房重構提供了初步證據。

圖3膳食纖維來源的SCFA的缺乏會改變左心房的生理指標

4、缺乏膳食纖維來源的SCFA會增加房顫的易感性

為評價喂養不同類型膳食纖維的小鼠的房顫誘發性和持續時間，采用經食管爆發性起搏實驗。因此，在基線時，兩組均未觀察到房性心律失常發作，burst起搏后的代表性心電圖如圖4A、4B所示。Burst起搏誘發低纖維小鼠AF發生率為9/30(30.00%)，高纖維小鼠AF發生率為2/30 (6.67%)，SCFA補充小鼠AF發生率為1/30 (3.33%)（圖4C）?？傊?，低纖維飲食小鼠的AF發生率高于對照組，遠高于高纖維飲食組和SCFA補充組（圖4D）。這些結果缺乏膳食纖維會增加房顫的易感性，而SCFA則發揮了部分保護作用。

圖4缺乏膳食纖維來源的SCFA會增加房顫的易感性

5、缺乏膳食纖維來源的SCFA會加劇心房傳導紊亂

電重構促進了AF的電生理底物—易再入環境，這是由離子通道功能障礙、間隙連接分布中斷，連接素半通道蛋白Cx43和N-cadherin的共定位丟失造成的。在正常和高纖維飼糧組中，Cx43和N-cadherin縫隙連接位于細胞末端，幾乎沒有左右連接（圖5A）。相反，在低纖維組中，Cx43和N-cadherin的分布模式明顯改變，而在SCFA補充組則有所改善介于兩者之間（圖5A）。此外，WB結果表明，補充SCFA可以防止膳食纖維缺乏介導的Ca2+處理中斷，其特征是上調心房中磷酸化的CaMKII和CaMKII相關的RyR2的磷酸化表達水平（圖5B）。這些結果表明，膳食纖維來源的SCFA對心房Cx43/N-cadherin定位和CaMKII介導的RyR2磷酸化具有保護作用，這可能與心房電底物的穩定性有關。

圖5缺乏膳食纖維來源的SCFA會加劇心房傳導紊亂

心房結構重構，主要包括組織纖維化，與傳導異常相關，為房顫維持創造基質。Masson和天狼星紅染色顯示，低纖維飲食小鼠心房組織纖維化紊亂和膠原蛋白表達顯著進展，補充SCFA可緩解纖維化和膠原蛋白表達紊亂（圖6A）。這一現象與一些纖維化相關標志物的蛋白水平一致，如I型膠原、TGF-β和α-SMA（圖6B）。綜上所述，這些結果部分解釋了膳食纖維來源的SCFA、異源性心房傳導和房顫易感性之間的病理生理過程。

圖6缺乏膳食纖維來源的SCFA會加重心房纖維化

6、SCFA可減輕低纖維飲食小鼠NLRP3的激活

近年來的研究通過SCFA在不同組織和細胞類型中的傳感器GPR43對其抗炎特性進行了深入的研究。因此，作者假設SCFA對NLRP3炎癥小體激活具有保護作用。首先，在低纖維組心房中檢測到高水平的NLRP3、pro-caspase-1、cleaved caspase-1和IL-1β（圖7A），表明低纖維飲食與NLRP3激活之間存在相關性，盡管其潛在機制尚未闡明。接下來，在高纖維組或SCFA補充組小鼠心房組織中發現自噬降解和失活指標K48-和k63-連接的泛素化增加，提示SCFA可能對NLRP3激活有緩解作用（圖7B）。此外，在高纖維組和SCFA補充組中，觀察到SCFA的天然傳感器GPR43蛋白水平上調（圖7A），這表明GPR43的調控作用需要進一步研究?？傊?，這些初步結果描述了膳食纖維衍生的SCFA通過K48和k63連接的泛素化自噬降解阻止通過GPR43激活NLRP3炎癥小體的可能作用，從而對AF發揮保護作用。

圖7富含膳食纖維衍生的SCFA可通過GPR43信號減弱NLRP3的激活

7、在HL-1細胞中SCFA通過的GPR43信號通路減弱炎癥小體激活和相關心房重構

為進一步探討SCFA對NLRP3激活的抑制作用，在奈革霉素刺激前先用SCFA處理LPS介導的HL-1細胞，隨后，測定HL-1細胞中NLRP3、pro-caspase-1、cleaved caspase-1和IL-1β的蛋白水平。結果發現SCFA抑制了LPS/nigicin誘導的IL-1β的產生和caspase-1的激活（圖8A）。接下來，分析SCFA介導NLRP3抑制的機制。本研究中，先前發現SCFA促進了HL-1細胞中K48-和k63-連接泛素鏈的GPR43表達和泛素化。此外，在HL-1細胞中，當GPR43介導的NLRP3失活減弱炎癥小體激活時，可以觀察到CaMKII磷酸化的緩解（圖8A）。然而，在LPS和奈日菌素刺激前，用siGPR43處理的細胞中，SCFA對炎癥小體的這些作用減弱（圖8B）。綜上所述，這些數據表明SCFA通過GPR43和CaMKII調控NLRP3炎癥小體的激活，初步揭示了SCFA介導NLRP3炎癥小體衰減的潛在機制。

圖8在HL-1細胞中SCFA通過GPR43信號通路減弱NLRP3激活

總之，本研究證實腸道共生微生物發酵膳食纖維產生的SCFA通過GPR43/NLRP3信號緩解房顫的發展。目前的研究結果證明，SCFA激活心房GPR43是一種有前途的房顫治療策略。

參考文獻：

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