Abstract
短链 fatty acids (SCFAs)，特别是 butyrate，是核心微生物代谢产物，具有局部上皮作用，并且在 microbiota–gut–brain axis 中日益被公认为具有神经活性信号传导作用 [1–4]。然而，游离 butyrate 盐（如 sodium butyrate）的口服给药面临双重挑战：(i) 在上 gastrointestinal tract 过早溶解和吸收——降低了对 distal intestinal 和 colonic sensing circuits 的利用率 [5–7]，以及 (ii) organoleptic issues（酸败黄油样的气味/味道）破坏了长期 adherence [5–7]。证据表明，pH 响应型 enteric polymer coatings 和 microencapsulation 技术可以保护 butyrate 载荷免受胃部环境影响，延迟 proximal 吸收，并通过隔离挥发性气味物质来提高 acceptability [7–9]。Distal gut 靶向的 SCFA 暴露在机制上与 vagal nerve stimulation (VNS) 相关，包括 SCFA receptor 依赖性 afferent firing、brainstem activation 以及通过 L-cell GLP-1/PYY 和 enterochromaffin serotonin pathways 的间接 endocrine transduction [3, 10–12]。因此，对于 neurogastroenterology 和 gut–brain 治疗，formulation——而不仅仅是分子选择——决定了 butyrate 干预的 efficacy 和 tolerability [7, 9]。
Introduction
SCFAs—acetate、propionate 和 butyrate—是下消化道通过细菌发酵膳食纤维产生的微生物代谢产物 [1, 13]。这些代谢产物构成了 gut–brain axis 的关键通信链路，涉及 neural、endocrine、immune 和 metabolic pathways [14–16]。在人体中，SCFAs 在 colon 中出现的近似摩尔比为 60:20:20 [13, 16]。
Unique role of butyrate
Butyrate 是 colonocytes 的首选燃料，支持 epithelial 完整性和炎症控制 [2, 17, 18]。它作为 FFAR2 (GPR43)、FFAR3 (GPR41) 和 GPR109a/HCAR2 等 GPCRs 的配体，同时还抑制 histone deacetylases (HDACs)，导致 epigenetic 和抗炎效应 [13, 15, 21]。
Formulation challenges
Butyrate 的生物靶点（如 colonic epithelium、distal L-cells、vagal afferents）主要位于远端。然而，游离 butyrate 盐通常较早溶解并迅速出现在外周血中，从而改变了它们的生理影响 [5, 11]。有效的 formulations 必须延迟释放，以结合 distal gut receptors 和 neural circuits [5, 22, 23]。
Pharmacology and Pharmacokinetics
Butyrate metabolism
Butyrate 通过作为 colonocytes 的能量底物、驱动 mitochondrial oxidative metabolism 来支持肠道健康 [18, 26]。暴露于 10 mM butyrate 的 colonocyte 悬浮液将其 70% 以上的 oxygen consumption 用于 butyrate oxidation [17]。细菌产生的大约 80–95% 的 SCFAs 被 colon 吸收，粪便中仅存极低浓度 [17]。
Molecular properties and absorption
Butyrate 的弱酸特性有利于其在 colonic pH (5.0–6.5) 下解离，从而能够通过 MCT1/SLC16A1 和 SMCT1/SLC5A8 等 transporters 进行被动和 carrier-mediated 的摄取 [20, 26, 27]。其他转运机制如 MCT4/MCT5 和 apical efflux pump ABCG2 在 intestinal epithelial 处理中也发挥着作用 [27]。
First-pass utilization
肠-肝轴中发生快速利用，吸收的 butyrate 大部分在 intestinal cells 和 liver 中代谢。一项人体研究发现，摄入的 butyrate 仅有 ~2% 进入 portal circulation，突显了其局部代谢的优先性 [26, 2]。这些发现表明，系统性测量可能会低估 luminal 和 epithelial 的效应，特别是对于 distal-targeted formulations 而言 [2, 26]。
Receptor and epigenetic pharmacology
Butyrate 与 GPCRs 结合并作为 HDAC inhibitor 发挥作用，调节基因表达、炎症和 neural pathways [2, 21]。机制包括上调 μ-opioid receptor 以及通过 FFAR2 和 FFAR3 抑制 cAMP 信号传导，从而影响 HDAC activity 以及 immune/neural 反应 [19, 21]。
Formulation-Dependent Pharmacokinetics
Prodrug strategies
Prodrug 方法，如 tributyrin（一种 butyrate triglyceride），可延迟释放并减少 proximal 吸收。对比研究表明，酯化的 formulations 可以最大限度地减少 gastric 释放，同时优化 distal delivery [26, 21]。然而，并非所有 prodrug 策略都能同等程度地延迟释放，这突显了 formulation chemistry 的作用 [21]。
Challenges of premature absorption
胃部的快速被动吸收限制了 butyrate 向远端位点的递送。Immediate-release formulations 可能无法向 colonic mucosal receptors 或 enteric/vagal circuits 发出信号 [5, 7]。临床研究显示，由于早期吸收和代谢，distal delivery 并不充分 [2, 7]。
Overcoming organoleptic barriers
Butyrate 令人不悦的感官特性（酸败气味/味道）降低了患者在长期给药方案中的 compliance [7]。诸如 enteric coatings 和 microencapsulation 之类的策略有助于掩盖气味和味道，同时实现 controlled release [7, 25]。这些改进使 pharmacokinetic 优化与 adherence 目标保持一致 [24]。
Enteric Coating Technology
Polymer coatings
Enteric polymers 如 Eudragit® S100 (pH threshold 7.2) 被广泛用于保护药物核心免受胃酸影响，同时实现 colonic 释放 [8]。组合包衣（如 Eudragit® L100 和 S100）可以拓宽溶解曲线，解决 GI pH 的个体间差异 [35]。
Challenges and hybrid solutions
GI pH 的变异性可能会限制 pH-triggered coatings 的精确性 [9]。结合 pH- 和 time-dependent polymers 的混合系统可能会增强在各种生理条件下的可靠性 [9, 34]。这类方法改进了 targeted release，同时减轻了由局部 pH 偏移引起的各种不一致性 [35, 36]。
Microencapsulation Approaches
Benefits of microencapsulation
Microencapsulation 解决了 premature 释放和 organoleptic 障碍。它允许在 distal gut 中进行 controlled release，并掩盖令人不悦的味道和气味 [7, 24]。
Innovative delivery systems
- Protected sodium butyrate: 封装在 lipid microbeads 或 gel capsules 中可以实现延迟释放和更好的 palatability [6, 7]。
- Controlled-release beads: 使用 protected beads 的机制研究显示胃部释放减少且肠道吸收延迟 [37, 38]。
Future directions
进一步优化 polymer matrices 和 microcapsule 技术可以改善 distal delivery，同时增强 compliance。结合 controlled 和 pH-responsive 机制代表了靶向 gut–brain 信号通路的 SCFA 治疗的一种有前景的策略 [35, 36]。
Lipid Matrices as Protective Barriers
Lipid matrices 通常被用作保护屏障。一项针对饮食诱导肥胖大鼠的研究指出，开发 lipid matrices 中的 microencapsulation 是为了保护 SCFAs 免受 proximal intestinal 消化，并将其释放靶向至大肠 [22]。这种方法明确地将旨在下 gastrointestinal (GI) tract 缓慢释放 SCFAs 的 microencapsulated 产品与非囊化的 sodium butyrate 进行了对比 [22]。在鸡感染模型中，microencapsulated sodium butyrate——包被有“polymer enteral material”且含有 40% sodium butyrate——被证明可以延迟肠道释放，减少 small intestinal 吸收，并增强 colonic delivery。该研究还报告称，与相同补充量的非囊化 sodium butyrate 相比，其有效性更高 [28]。
Polymeric Prodrug Micelles as an Alternative to Classical Enteric Coatings
一种创新的方法采用了 butyrate-prodrug polymeric micelles。在这种策略中，butyrate 通过酯键连接到形成 micelle 的聚合物链上，从而允许被消化道酯酶水解并在 GI tract 中受控释放 [25]。作者通过在模拟胃液和肠液中测试释放情况验证了这一方法。他们发现，在数小时内，模拟胃液中的 butyrate 释放量微乎其微，但观察到在数周内持续缓慢释放。相比之下，在含有高浓度胰酶酯酶的模拟肠液中，micelles 在几分钟内就释放了大部分 butyrate [25]。据作者称，这些 polymer formulations 在下 GI tract 的特定肠段释放 butyrate，这与主要在胃部吸收的 sodium butyrate 不同 [25]。此外，他们强调，polymer formulations 掩盖了 butyrate 的气味和味道，并在 micelles 穿过 GI tract 时作为时间受控释放的载体 [25]。
Capsule Shell Approaches and Delayed Release Systems
延迟释放也可以使用特定的 capsule-shell 或 capsule-in-capsule 技术实现。一项关于保护胰酶的 targeted-release capsules 的 in vitro 评估强调，由 hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) 和 gellan gum 组成的 DRcaps® 支持在小肠中的延迟释放 [39]。添加 gellan gum 提高了 HPMC 在低 pH 胃部环境中抵御分解的能力，使完整的 capsules 能够到达肠道 [39]。虽然这项研究侧重于胰酶以及作为次要效应的来自 tributyrin 的 butyrate 生成，但它提供了证据表明，选择合适的 capsule-shell 材料可以防止在胃中过早崩解，并确保载荷在递送至所需位点之前的完整性 [39]。
Comparison Table
下表综合了所提供来源中描述的 protected-delivery 策略，重点强调了以下方面：靶向区域、胃抗性证据及其对 acceptability 的影响。
Vagal Nerve Stimulation Mechanisms
证据支持以下假设：short-chain fatty acids (SCFAs) 可以激活 afferent neural pathways 并诱导下游 central neural 激活。一项广泛的综述指出，SCFAs 直接激活 vagus nerve，并概述了相关示例，例如 butyrate 增加 vagal afferent 神经元的放电速率，从而将信号从肠道传递到大脑 [3]。该综述还讨论了 FFAR3 的作用，FFAR3 在起源于肠道的 vagal afferents 上表达。Vagal-FFAR3 knockout 模型表现出进食行为改变以及 propionate 介导的食欲抑制减弱，提供了进一步的机制见解 [3]。与此一致，其他综述将 SCFAs 定位为通过 vagal、endocrine (GLP-1/PYY) 和 immune pathways 进行 microbiota–gut–brain 通信所必需的神经活性代谢产物 [16, 40]。
Direct Receptor-Linked Afferent Activation
高分辨率的化学遗传学和生理学研究为 colonic SCFA receptors 如何驱动 gut–brain 信号传导提供了证据。例如，在 ex vivo 实验中，用 propionate (C3) 灌流结肠组织诱导了神经放电速率的显著增加 [10]。同一研究表明，起源于近端结肠的感觉信号通过 vagus nerve 传递到 nodose ganglia，其中 FFA3-selective 激活剂（如 TUG-1907）增加了 wild-type 组织中的神经活性，但在 FFA3 knockout 组织中则不然 [10]。此外，直肠或结肠暴露于 propionate 会导致更高数量的 c-Fos 阳性神经元，这表明了 central neural 激活 [10]。这些发现强力支持由 colonic FFA2/FFA3 激活介导的 SCFA–gut–brain axis 机制框架 [10]。
Indirect Endocrine Signaling via L-Cells
SCFA 调节 gut–brain 通信的另一个关键机制涉及通过 enteroendocrine L-cells 进行的 endocrine signaling。L-cells 主要位于 distal gastrointestinal tract，在对 SCFAs 的反应中释放 GLP-1 和 PYY [11]。一项研究指出，这些细胞上 FFAR2 的激活介导了这些激素的分泌，而这些激素对于中枢食欲调节至关重要 [11]。此外，已发现 butyrate 通过 FFAR2–Gi 轴促进肠内分泌细胞向 PYY-biased 表型分化，在长期或重复暴露于 butyrate 时，有可能增强内分泌信号传导能力 [42]。
Serotonin-Mediated Vagal Signaling
第三条途径涉及通过 enterochromaffin cells 的 serotonin 信号传导。SCFAs，特别是 butyrate，刺激这些细胞中的 Tph1 表达，从而增加 serotonin (5-HT) 的产生 [12]。释放的 5-HT 可以激活 vagus nerve 传入纤维上的 5-HT3 receptors，导致通过 nodose ganglion 的下游信号传导，并可能影响 central neural pathways [12]。这种机制强调了远端 SCFA 暴露通过介质释放而非直接作用于迷走神经末梢来影响 vagal signaling 的能力 [12]。
Evidence for Necessity of Intact Vagal Pathways
在 in vivo 研究中，SCFAs 对 vagal pathways 的影响已被证明取决于这些神经回路的完整性。例如，一项小鼠研究显示，口服 butyrate 减少了摄食量并降低了脑干核团中的神经活动标志物；这种效应在 subdiaphragmatic vagotomy 之后消失，强调了完整肠-脑神经回路的必要性 [45]。同样，在鼠 myocardial ischemia/reperfusion 模型中，口服 butyrate 的保护作用在 vagotomy 后减弱 [46]。总之，这些研究强调了 distal delivery 策略对于参与 vagus 依赖性生理通路的重要性。
Microbial Metabolite Interoception via Small Intestine
虽然 colonic targeting 至关重要，但小肠递送 SCFAs 也已被证明会影响 vagal activity。例如，在小肠模型中，肠道灌流 SCFAs 诱导了 vagal afferent 神经活动的逐渐增加 [47]。这种效应被 FFAR2 antagonist 抑制 [47]。另一项研究显示，微生物代谢产物在 NTS 中激发的神经元 c-Fos 表达水平与 sucrose 相当 [48]。这些发现强调了小肠 SCFA 递送诱发 vagal signaling 的潜力，尽管与 colonic delivery 相比可能存在潜在延迟 [47, 48]。
Translational and Clinical Evidence
Human Pharmacokinetics and Formulation Effects
人体研究支持 formulation 在控制 SCFA 递送方面的作用。据观察，除非使用 acid-resistant 封装（这会延迟并减弱全身暴露水平），否则口服摄入的 SCFAs 的血清浓度会迅速达到峰值，并在两小时后恢复到基线水平 [5]。另一项比较 sodium butyrate、lysine butyrate 和 tributyrin 的试验强调，酶促释放机制会导致 SCFA 的可用性变慢但更持久，这取决于 formulation [26]。这些结果强调了 formulation 对 SCFA 吸收动力学的影响及其对 targeted delivery 的意义 [5, 26]。
Microencapsulated Sodium Butyrate in GI Disorders
研究还强调了 microencapsulated sodium butyrate 在 ulcerative colitis (UC) 和 inflammatory bowel disease (IBD) 等疾病中的临床潜力。一项针对接受 microencapsulated butyrate 的 UC 缓解期患者的前瞻性研究报告称，与未治疗的对照组相比，其结局有所改善，包括更低的 fecal calprotectin 水平和更高的主观生活质量评分 [38]。在 IBD 中使用 Butyrose® Lsc Microcaps 的一项随机试验显示了微生物群调节和生活质量的改善，尽管对临床终点的影响具有异质性，这说明需要采取针对具体患者的方法 [49]。
Diverticular Disease and Butyrate Derivatives
在对 diverticulosis 患者进行的一项安慰剂对照研究中，接受 300 mg sodium butyrate 的患者在 12 个月内发生的 diverticulitis 发作次数明显少于对照组 [24]。此外，一种 microencapsulated tributyrin formulation (BUTYCAPS) 因其能够提供受控的 butyrate 释放，并由于每日一次的给药和减少的气味而增强了 compliance，从而受到了关注 [24]。
Metabolic and Brain-Related Translational Signals
动物研究表明，长期摄入 sodium butyrate 会改变大脑葡萄糖代谢，增强神经发生，并增加海马细胞体积 [2]。这些发现支持了 enteric-coated 和 distal-targeted formulations 通过结合肠道来源的内分泌和迷走神经通路来产生全身和中枢效应的潜在意义 [2, 11]。
Commercial Formulation Context
商业产品强调了 odor masking 和通过专门包衣进行解剖学靶向的重要性。例如，含有 pectin 和 sodium alginate 的 enteric-coated softgels 旨在确保在胃中存活并在结肠中受控释放 [51]。已实施专门的 microencapsulation 方法来捕获挥发性化合物，以提高 tolerability 和 compliance，同时确保向肠道区域的有效递送 [52, 53]。
Conclusion
学术和商业来源的一致共识强调，butyrate 对 gut–brain axis 调节的有益作用取决于向适当胃肠道位点的精确递送。Enteric coatings、polymeric micelles、microencapsulation 和其他先进策略提供了有前景的工具，以克服 SCFA 的化学不稳定性、气味和味道挑战，同时实现在 distal intestine 中的 targeted release [8, 25, 37, 39]。支持迷走神经和内分泌通路的新兴机制数据进一步证明了通过为科学和消费者应用定制的 formulations 来利用 butyrate 治疗潜力的合理性 [6, 10–12]。
Translational Implications of Enteric-Targeted SCFAs
转化意义在于，“enteric-targeted SCFAs”应被概念化为一个制剂类别，而非单一成分。由所提供来源支持的、最合理的工程目标是设计能够满足以下条件的递送系统：
- 在酸性胃部条件下保持完整，
- 在可变 pH 下抵抗小肠过早释放，
- 在可以发生 receptor-mediated gut–brain signaling 的远端肠段释放 butyrate，
- 提供足以满足长期 adherence 的强大 odor/taste masking [9, 25, 34]。
