Short-chain fatty acids: metabolism, functions and diagnostic capacity in metabolic disorders

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The purpose of this review is to analyze the role of short-chain fatty acids (SCFAs), such as acetate, propionate, and butyrate, in maintaining gastrointestinal health, metabolism, and the development of metabolic diseases, including obesity, type 2 diabetes, and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD).

SCFAs are produced as a result of dietary fibers fermentation by gut microbiota and play a key role in the regulation of numerous processes. Acetate, propionate, and butyrate influence glucose and lipid metabolism, insulin sensitivity, and inflammatory responses. In NAFLD and other metabolic disorders, changes in fecal and circulating SCFA levels are observed, and this fact suggests their potential as diagnostic biomarkers. Conflicting data concerning SCFA concentrations in different stages of diseases make further research necessary to understand their role in pathogenesis. The gut-liver axis and the connection with microbial metabolites, such as SCFAs, play a significant role in the development and progression of NAFLD.

SCFAs may serve as promising diagnostic markers for assessing metabolic disorders, including NAFLD, obesity, and diabetes. Their concentrations in various biological samples provide important insights into the state of gut microbiota and can aid in early diagnosis and monitoring of metabolic disease progression and cardiovascular complications.

About the authors

A. A. Ivanov

Tyumen State Medical University

Author for correspondence.
Email: AleAndrIvanov@yandex.com
ORCID iD: 0000-0002-8029-8825

Assistant of the Department of Hospital Therapy with the Course in Endocrinology

Russian Federation, Tyumen

I. A. Troshina

Tyumen State Medical University

Email: AleAndrIvanov@yandex.com
ORCID iD: 0000-0002-7772-8302

DSc (Medicine), Associate Professor, Head of the Department of Hospital Therapy with the Course in Endocrinology

 

Russian Federation, Tyumen

T. I. Golubeva

Tyumen State Medical University

Email: AleAndrIvanov@yandex.com
ORCID iD: 0000-0002-3909-5364

PhD (Medicine), Associate Professor of the Department of Hospital Therapy with the Course in Endocrinology, Endocrinologist

Russian Federation, Tyumen

M. S. Mikhailov

Tyumen State Medical University

Email: AleAndrIvanov@yandex.com
ORCID iD: 0009-0002-2254-7405

Therapist

Russian Federation, Tyumen

References

  1. Musso G., Gambino R., Cassader M. Gut Microbiota as a Regulator of Energy Homeostasis and Ectopic Fat Deposition: Mechanisms and Implications for Metabolic Disorders. Curr. Opin. Lipidol. 2010; 21: 76–83.
  2. Høverstad T. Studies of Short-Chain Fatty Acid Absorption in Man. Scand. J. Gastroenterol. 1986; 21: 257–260.
  3. Macfarlane S., Macfarlane G.T. Regulation of Short-Chain Fatty Acid Production. Proc. Nutr. Soc. 2003; 62: 67–72.
  4. Siddiqui M.T., Cresci G.A.M. The Immunomodulatory Functions of Butyrate. J. Inflamm. Res. 2021; 14: 6025–6041.
  5. Guilloteau P., Martin L., Eeckhaut V., Ducatelle R., Zabielski R., Van Immerseel F. From the Gut to the Peripheral Tissues: The Multiple Effects of Butyrate. Nutr. Res. Rev. 2010; 23: 366–384.
  6. Hosseini E., Grootaert C., Verstraete W., Van De Wiele T. Propionate as a Health-Promoting Microbial Metabolite in the Human Gut. Nutr. Rev. 2011; 69: 245–258.
  7. Hernández M.A.G., Canfora E.E., Jocken J.W.E., Blaak E.E. The Short-Chain Fatty Acid Acetate in Body Weight Control and Insulin Sensitivity. Nutrients 2019; 11: 1943.
  8. Day E.A., Ford R.J., Steinberg G.R. AMPK as a Therapeutic Target for Treating Metabolic Diseases. Trends Endocrinol. Metab. 2017; 28: 545–560.
  9. Dabke K., Hendrick G., Devkota S. The Gut Microbiome and Metabolic Syndrome. J. Clin. Investig. 2019; 129: 4050–4057.
  10. Rinella M.E., Lazarus J.V., Ratziu V., Francque S.M., Sanyal A.J., Kanwal F., Romero D., Abdelmalek M.F., Anstee Q.M., Arab J.P. et al. A Multisociety Delphi Consensus Statement on New Fatty Liver Disease Nomenclature. J. Hepatol. 2023; 79: 1542–1556.
  11. Fan Y., Pedersen O. Gut Microbiota in Human Metabolic Health and Disease. Nat. Rev. Microbiol. 2021; 19: 55–71.
  12. Park J., Kim M., Kang S.G., Jannasch A.H., Cooper B., Patterson J., Kim C.H. Short-chain fatty acids induce both effector and regulatory T cells by suppression of histone deacetylases and regulation of the mTOR-S6K pathway. Mucosal Immunol. 2015; 8: 80–93.
  13. Sivaprakasam S., Prasad P.D., Singh N. Benefits of short-chain fatty acids and their receptors in inflammation and carcinogenesis. Pharmacol. Ther. 2016; 164: 144–151.
  14. Tolhurst G., Heffron H., Lam Y.S., Parker H.E., Habib A.M., Diakogiannaki E., Cameron J., Grosse J., Reimann F., Gribble F.M. Short-chain fatty acids stimulate glucagon-like peptide-1 secretion via the G-protein-coupled receptor FFAR2. Diabetes 2012; 61: 364–371.
  15. Pan Q., Lin S., Li Y., Liu L., Li X., Gao X., Yan J., Gu B., Chen X., Li W., Tang X., Chen C., Guo L. A novel GLP-1 and FGF21 dual agonist has therapeutic potential for diabetes and non-alcoholic steatohepatitis. EBioMedicine 2021; 63: 103202.
  16. Mio K., Ogawa R., Tadenuma N., Aoe S. Arabinoxylan as well as -glucan in barley promotes GLP-1 secretion by increasing short-chain fatty acids production. Biochem. Biophys. Rep. 2022; 32: 101343.
  17. Li Z., Yi C.X., Katiraei S., Kooijman S., Zhou E., Chung C.K., Gao Y., van den Heuvel J.K., Meijer O.C., Berbée J.F.P., Heijink M., Giera M., Willems van Dijk K., Groen A.K., Rensen P.C.N., Wang Y. Butyrate reduces appetite and activates brown adipose tissue via the gut-brain neural circuit. Gut. 2018; 67: 1269–1279.
  18. Mollica M.P., Mattace Raso G., Cavaliere G., Trinchese G., De Filippo C., Aceto S., Prisco M., Pirozzi C., Di Guida F., Lama A., Crispino M., Tronino D., Di Vaio P., Berni Canani R., Calignano A., Meli R. Butyrate regulates liver mitochondrial function, efficiency, and dynamics in insulin-resistant obese mice. Diabetes 2017; 66: 1405–1418.
  19. Hu J., Lin S., Zheng B., Cheung P.C.K. Short-chain fatty acids in control of energy metabolism. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2018; 58: 1243–1249.
  20. Konturek P.C., Harsch I.A., Konturek K., Schink M., Konturek T., Neurath M.F., Zopf Y. Gut–Liver Axis: how do gut bacteria influence the liver? Med. Sci. 2018; 6: 79.
  21. Albillos A., de Gottardi A., Rescigno M. The gut-liver axis in liver disease: pathophysiological basis for therapy. J. Hepatol. 2020; 72: 558–577.
  22. Ohtani N., Kawada N. Role of the gut–liver axis in liver inflammation, fibrosis, and cancer: a special focus on the gut microbiota relationship. Hepatol. Commun. 2019; 3: 456–470.
  23. Wang P., Li T., Niu C., Sun S., Liu D. ROS-activated MAPK/ERK pathway regulates crosstalk between Nrf2 and Hif-1 to promote IL-17D expression protecting the intestinal epithelial barrier under hyperoxia. Int. Immunopharm. 2023; 116: 109763.
  24. Kelly C.J., Zheng L., Campbell E.L., Saeedi B., Scholz C.C., Bayless A.J., Wilson K.E., Glover L.E., Kominsky D.J., Magnuson A., Weir T.L., Ehrentraut S.F., Pickel C., Kuhn K.A., Lanis J.M., Nguyen V., Taylor C.T., Colgan S.P. Crosstalk between microbiota-derived short-chain fatty acids and intestinal epithelial HIF augments tissue barrier function. Cell Host Microbe 2015; 17: 662–671.
  25. Yan H., Ajuwon K.M. Butyrate modifies intestinal barrier function in IPEC-J2 cells through a selective upregulation of tight junction proteins and activation of the Akt signaling pathway. PLoS One 2017; 12: e0179586.
  26. Macia L., Tan J., Vieira A.T., Leach K., Stanley D., Luong S., Maruya M., McKenzie C.I., Hijikata A., Wong C., Binge L., Thorburn A.N., Chevalier N., Ang C., Marino E., Robert R., Offermanns S., Teixeira M.M., Moore R.J., Flavell R.A., Fagarasan S., Mackay C.R. Metabolite-sensing receptors GPR43 and GPR109A facilitate dietary fibre-induced gut homeostasis through regulation of the inflammasome. Nat. Commun. 2015; 6: 6734.
  27. Waalen J. The Genetics of Human Obesity. Transl. Res. 2014; 164: 293–301.
  28. Murugesan S., Ulloa-Martínez M., Martínez-Rojano H., Galván-Rodríguez F.M., Miranda-Brito C., Romano M.C., Piña-Escobedo A., Pizano-Zárate M.L., Hoyo-Vadillo C., García-Mena J. Study of the Diversity and Short-Chain Fatty Acids Production by the Bacterial Community in Overweight and Obese Mexican Children. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2015; 34: 1337–1346.
  29. Ecklu-Mensah G., Choo-Kang C., Maseng M.G., Donato S., Bovet P., Viswanathan B., Bedu-Addo K., Plange-Rhule J., Oti Boateng P., Forrester T.E. Gut Microbiota and Fecal Short Chain Fatty Acids Differ with Adiposity and Country of Origin: The METS-Microbiome Study. Nat. Commun. 2023; 14: 5160.
  30. Schwiertz A., Taras D., Schäfer K., Beijer S., Bos N.A., Donus C., Hardt P.D. Microbiota and SCFA in Lean and Overweight Healthy Subjects. Obesity 2010; 18: 190–195.
  31. Fernandes J., Su W., Rahat-Rozenbloom S., Wolever T.M.S., Comelli E.M. Adiposity, Gut Microbiota and Faecal Short Chain Fatty Acids Are Linked in Adult Humans. Nutr. Diabetes 2014; 4: e121.
  32. De la Cuesta-Zuluaga J., Mueller N.T., Álvarez-Quintero R., Velásquez-Mejía E.P., Sierra J.A., Corrales-Agudelo V., Carmona J.A., Abad J.M., Escobar J.S. Higher Fecal Short-Chain Fatty Acid Levels Are Associated with Gut Microbiome Dysbiosis, Obesity, Hypertension and Cardiometabolic Disease Risk Factors. Nutrients 2018; 11: 51.
  33. Royall D., Wolever T.M., Jeejeebhoy K.N. Clinical Significance of Colonic Fermentation. Am. J. Gastroenterol. 1990; 85: 1307–1312.
  34. Reshef L., Niv J., Shapiro B. Effect of Propionate on Lipogenesis in Adipose Tissue. J. Lipid Res. 1967; 8: 682–687.
  35. Wolever T.M., Brighenti F., Royall D., Jenkins A.L., Jenkins D.J. Effect of Rectal Infusion of Short Chain Fatty Acids in Human Subjects. Am. J. Gastroenterol. 1989; 84: 1027–1033.
  36. Lin H.V., Frassetto A., Kowalik E.J., Nawrocki A.R., Lu M.M., Kosinski J.R., Hubert J.A., Szeto D., Yao X., Forrest G. et al. Butyrate and Propionate Protect against Diet-Induced Obesity and Regulate Gut Hormones via Free Fatty Acid Receptor 3-Independent Mechanisms. PLoS ONE 2012; 7: e35240.
  37. Forslund K., Hildebrand F., Nielsen T., Falony G., Le Chatelier E., Sunagawa S., Prifti E., Vieira-Silva S., Gudmundsdottir V., Pedersen H.K., et al. Disentangling Type 2 Diabetes and Metformin Treatment Signatures in the Human Gut Microbiota. Nature 2015; 528: 262–266.
  38. Jocken J.W.E., González Hernández M.A., Hoebers N.T.H., van der Beek C.M., Essers Y.P.G., Blaak E.E., Canfora E.E. Short-Chain Fatty Acids Differentially Affect Intracellular Lipolysis in a Human White Adipocyte Model. Front. Endocrinol. 2017; 8: 372.
  39. Christiansen C.B., Gabe M.B.N., Svendsen B., Dragsted L.O., Rosenkilde M.M., Holst J.J. The Impact of Short-Chain Fatty Acids on GLP-1 and PYY Secretion from the Isolated Perfused Rat Colon. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2018; 315: G53–G65.
  40. Veprik A., Laufer D., Weiss S., Rubins N., Walker M.D. GPR41 Modulates Insulin Secretion and Gene Expression in Pancreatic -Cells and Modifies Metabolic Homeostasis in Fed and Fasting States. FASEB J. 2016; 30: 3860–3869.
  41. Priyadarshini M., Villa S.R., Fuller M., Wicksteed B., Mackay C.R., Alquier T., Poitout V., Mancebo H., Mirmira R.G., Gilchrist A. An Acetate-Specific GPCR, FFAR2, Regulates Insulin Secretion. Mol. Endocrinol. 2015; 29: 1055–1066.
  42. Fushimi T., Tayama K., Fukaya M., Kitakoshi K., Nakai N., Tsukamoto Y., Sato Y. Acetic Acid Feeding Enhances Glycogen Repletion in Liver and Skeletal Muscle of Rats. J. Nutr. 2001; 131: 1973–1977.
  43. Li H., Gao Z., Zhang J., Ye X., Xu A., Ye J., Jia W. Sodium Butyrate Stimulates Expression of Fibroblast Growth Factor 21 in Liver by Inhibition of Histone Deacetylase 3. Diabetes 2012; 61: 797–806.
  44. De Vadder F., Kovatcheva-Datchary P., Goncalves D., Vinera J., Zitoun C., Duchampt A., Bäckhed F., Mithieux G. Microbiota-Generated Metabolites Promote Metabolic Benefits via Gut-Brain Neural Circuits. Cell 2014; 156: 84–96.
  45. Zhao L., Lou H., Peng Y., Chen S., Zhang Y., Li X. Comprehensive Relationships between Gut Microbiome and Faecal Metabolome in Individuals with Type 2 Diabetes and Its Complications. Endocrine 2019; 66: 526–537.
  46. Mariño E., Richards J.L., McLeod K.H., Stanley D., Yap Y.A., Knight J., McKenzie C., Kranich J., Oliveira A.C., Rossello F.J., Gut Microbial Metabolites Limit the Frequency of Autoimmune T Cells and Protect against Type 1 Diabetes. Nat. Immunol. 2017; 18: 552–562.
  47. Sanna S., van Zuydam N.R., Mahajan A., Kurilshikov A., Vich Vila A., Võsa U., Mujagic Z., Masclee A.A.M., Jonkers D.M.A.E., Oosting M. et al. Causal Relationships among the Gut Microbiome, Short-Chain Fatty Acids and Metabolic Diseases. Nat. Genet. 2019; 51: 600–605.
  48. Bouter K., Bakker G.J., Levin E., Hartstra A.V., Kootte R.S., Udayappan S.D., Katiraei S., Bahler L., Gilijamse P.W., Tremaroli V. Differential Metabolic Effects of Oral Butyrate Treatment in Lean versus Metabolic Syndrome Subjects. Clin. Transl. Gastroenterol. 2018; 9: 155.
  49. Vrieze A., Van Nood E., Holleman F., Salojärvi J., Kootte R.S., Bartelsman J.F.W.M., Dallinga-Thie G.M. Transfer of Intestinal Microbiota from Lean Donors Increases Insulin Sensitivity in Individuals with Metabolic Syndrome. Gastroenterology 2012; 143: 913–916.e7.
  50. Komaroff A.L. The Microbiome and Risk for Obesity and Diabetes. JAMA 2017; 317: 355–356.
  51. Xu H., Li X., Adams H., Kubena K., Guo S. Etiology of Metabolic Syndrome and Dietary Intervention. Int. J. Mol. Sci. 2018; 20: 128.
  52. Day E.A., Ford R.J., Steinberg G.R. AMPK as a Therapeutic Target for Treating Metabolic Diseases. Trends Endocrinol. Metab. 2017; 28: 545–560.
  53. Mouzaki M., Comelli E.M., Arendt B.M., Bonengel J., Fung S.K., Fischer S.E., McGilvray I.D., Allard J.P. Intestinal Microbiota in Patients with Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Hepatology 2013; 58: 120–127.
  54. Ding Y., Yanagi K., Cheng C., Alaniz R.C., Lee K., Jayaraman A. Interactions between Gut Microbiota and Non-Alcoholic Liver Disease: The Role of Microbiota-Derived Metabolites. Pharmacol. Res. 2019; 141: 521–529.
  55. Rau M., Rehman A., Dittrich M., Groen A.K., Hermanns H.M., Seyfried F., Beyersdorf N., Dandekar T., Rosenstiel P., Geier A. Fecal SCFAs and SCFA-Producing Bacteria in Gut Microbiome of Human NAFLD as a Putative Link to Systemic T-Cell Activation and Advanced Disease. United Eur. Gastroenterol. J. 2018; 6: 1496–1507.
  56. Aragonès G., Colom-Pellicer M., Aguilar C., Guiu-Jurado E., Martínez S., Sabench F., Porras J.A., Riesco D., Del Castillo D., Richart C., Circulating Microbiota-Derived Metabolites: A “liquid Biopsy? ” Int. J. Obes. 2020; 44: 875–885.
  57. Albillos A., de Gottardi A., Rescigno M. The Gut-Liver Axis in Liver Disease: Pathophysiological Basis for Therapy. J. Hepatol. 2020; 72: 558–577.
  58. Nogal A., Louca P., Zhang X., Wells P.M., Steves C.J., Spector T.D., Falchi M., Valdes A.M., Menni C. Circulating Levels of the Short-Chain Fatty Acid Acetate Mediate the Effect of the Gut Microbiome on Visceral Fat. Front. Microbiol. 2021; 12: 711359.
  59. Loomba R., Seguritan V., Li W., Long T., Klitgord N., Bhatt A.; Dulai P.S., Caussy C., Bettencourt R., Highlander S.K. Gut Microbiome-Based Metagenomic Signature for Non-Invasive Detection of Advanced Fibrosis in Human Nonalcoholic Fatty Liver Disease. Cell Metab. 2017; 25: 1054–1062.e5.
  60. Thing M., Werge M.P., Kimer N., Hetland L.E., Rashu E.B., Nabilou P., Junker A.E., Galsgaard E.D., Bendtsen F., Laupsa-Borge J. Targeted Metabolomics Reveals Plasma Short-Chain Fatty Acids Are Associated with Metabolic Dysfunction-Associated Steatotic Liver Disease. BMC Gastroenterol. 2024; 24: 43.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Eco-Vector


 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».