Re: short chain fatty acid 뷰티르산 건강효과!! 2025

[문형철]

Beyond the Gut: Unveiling Butyrate’s Global Health Impact Through Gut Health and Dysbiosis-Related Conditions: A Narrative Review

by 

Arda Erkan Kalkan

 1

Sercan Karav

 1,*

1

Department of Molecular Biology and Genetics, Çanakkale Onsekiz Mart University, Çanakkale 17100, Turkey

2

College of Education, Shaqra University, Shaqra 11911, Saudi Arabia

*

Authors to whom correspondence should be addressed.

Nutrients 2025, 17(8), 1305; https://doi.org/10.3390/nu17081305

Submission received: 25 February 2025 / Revised: 3 April 2025 / Accepted: 7 April 2025 / Published: 9 April 2025

(This article belongs to the Special Issue The Role of Microbiota in Nutrition and Diet: An Ever-Evolving Relationship)

Downloadkeyboard_arrow_down 

Browse Figures

Versions Notes

Abstract

Short-chain fatty acids (SCFAs), mainly produced by gut microbiota through the fermentation process of dietary fibers and proteins, are crucial to human health, with butyrate, a famous four-carbon SCFA, standing out for its inevitably regulatory impact on both gut and immune functions. Within this narrative review, the vital physiological functions of SCFAs were examined, with emphasis on butyrate’s role as an energy source for colonocytes and its ability to enhance the gut barrier while exhibiting anti-inflammatory effects. Knowledge of butyrate synthesis, primarily generated by Firmicutes bacteria, can be influenced by diets with specifically high contents of resistant starches and fiber. Butyrate can inhibit histone deacetylase, modulate gene expression‎, influence immune functionality, and regulate tight junction integrity, supporting the idea of its role in gut barrier preservation. Butyrate possesses systemic anti-inflammatory properties, particularly, its capacity to reduce pro-inflammatory cytokines and maintain immune homeostasis, highlighting its therapeutic potential in managing dysbiosis and inflammatory diseases. Although butyrate absorption into circulation is typically minimal, its broader health implications are substantial, especially regarding obesity and type 2 diabetes through its influence on metabolic regulation and inflammation. Furthermore, this narrative review thoroughly examines butyrate’s growing recognition as a modulator of neurological health via its interaction with the gut–brain axis. Additionally, butyrate’s neuroprotective effects are mediated through activation of specific G-protein-coupled receptors, such as FFAR3 and GPR109a, and inhibition of histone deacetylases (HDACs). Research indicates that butyrate can alleviate neurological disorders, including Alzheimer’s, Parkinson’s, autism spectrum disorder, and Huntington’s disease, by reducing neuroinflammation, enhancing neurotransmitter modulation, and improving histone acetylation. This focus will help unlock its full therapeutic potential for metabolic and neurological health, rather than exclusively on its well-known benefits for gut health, as these are often interconnected.

단쇄 지방산(SCFAs)은 

식이 섬유와 단백질의 발효 과정을 통해 장 미생물에 의해 주로 생성되며, 

인간 건강에 필수적인 역할을 합니다. 

특히 

4탄소 SCFA인 부티레이트는 

장 기능과 면역 기능에 대한 필수적인 조절 효과를 보여 주목받고 있습니다. 

https://jitc.bmj.com/content/10/7/e004147

이 문헌 고찰에서는 

SCFAs의 중요한 생리적 기능이 검토되었으며, 

특히 부티레이트가 

대장 상피 세포의 에너지원으로 작용하고 

장 장벽 기능을 강화하며 

항염증 효과를 나타내는 역할에 초점을 맞췄습니다. 

부티레이트 합성은 

주로 Firmicutes 세균에 의해 생성되며, 

저항성 전분과 식이 섬유가 풍부한 식단이 이 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. 

부티레이트는 

히스톤 탈아세틸화 효소를 억제하고 

유전자 발현을 조절하며 

면역 기능에 영향을 미치고 

밀접 연결 구조의 무결성을 조절하여 장 장벽 유지에 기여한다는 점을 뒷받침합니다. 

Butyrate can

inhibit histone deacetylase,

modulate gene expression‎,

influence immune functionality, and

regulate tight junction integrity,

supporting the idea of its role in gut barrier preservation

부티레이트는 

전신적 항염증 특성을 갖추고 있으며, 

특히 염증성 사이토카인의 감소와 면역 균형 유지 능력을 통해 

장내 미생물 불균형과 염증성 질환 관리에서의 치료적 잠재력을 강조합니다. 

부티레이트의 혈액 흡수량은 일반적으로 미미하지만, 

대사 조절과 염증에 미치는 영향으로 인해 

비만과 제2형 당뇨병과 관련된 광범위한 건강 영향이 있습니다.

또한 이 문헌 고찰은

장-뇌 축과의 상호작용을 통해

신경 건강 조절자로서의 부티레이트의 역할이 점점 더 인정받고 있음을 철저히 검토합니다.

부티레이트의 신경 보호 효과는

FFAR3 및 GPR109a와 같은 특정 G-단백질 결합 수용체의 활성화와

히스톤 탈아세틸화 효소(HDACs) 억제를 통해 매개됩니다.

연구 결과,

부티레이트는 신경염증을 감소시키고

신경전달물질 조절을 강화하며 히스톤 아세틸화를 개선함으로써

알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐 스펙트럼 장애, 헌팅턴병 등

신경계 질환을 완화할 수 있습니다.

이 초점은 부티레이트의 대사 및 신경 건강에 대한 전체적인 치료 잠재력을 탐구하는 데 기여할 것이며,

이는 장 건강에 대한 잘 알려진 이점에만 국한되지 않습니다.

왜냐하면 이러한 이점들은 종종 상호 연결되어 있기 때문입니다.

Keywords: 

butyrate; histone deacetylase inhibitor; neurological protector; obesity; short-chain fatty acids; type 2 diabetes

1. Introduction

1.1. Introduction to Short-Chain Fatty Acids

The gut microbiota, comprising a diverse array of molecules and metabolites, is known to exert a significant impact on host health. Short-chain fatty acids (SCFAs), mainly composed of acetate, propionate, and butyrate, are organic acids synthesized within the gut through bacterial fermentation processes [1]. This fermentation mainly occurs with carbohydrates such as resistant starch and dietary fiber, as well as dietary proteins [2]. SCFAs, acknowledged as intermediaries between host physiology and the microbiota, are non-digestible carbohydrates found in the human colon, with total concentrations reaching up to a maximum of 200 mM [3]. It is believed that SCFAs may be responsible for up to 70% of the energy needs of large intestine cells and even up to 15% of the energy needs for routine human metabolism [4]. Another source indicates that the human intestine generates approximately 400 to 600 mmol of SCFAs daily, with only a minor fraction (~10 mmol) being excreted in feces. The majority of SCFAs are swiftly absorbed by the host’s epithelial cells through passive diffusion or active transport mechanisms [5,6]. Therefore, a dramatic fall in SCFA levels can result in metabolism-oriented diseases [7].

1. 서론

1.1. 단쇄 지방산(SCFAs)의 개요

장 미생물군은

다양한 분자와 대사산물로 구성되어 있으며,

호스트 건강에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다.

단쇄 지방산(SCFAs)은

아세테이트, 프로피오네이트, 부티레이트로 주로 구성되어 있으며,

장 내 세균 발효 과정을 통해 합성되는 유기산입니다 [1].

이 발효 과정은

주로 저항성 전분과 식이 섬유와 같은 탄수화물,

그리고 식이 단백질과 함께 발생합니다 [2].

SCFAs는

호스트 생리학과 미생물군집 사이의 중간 매개체로 인정되며,

인간 대장에서 발견되는 소화되지 않는 탄수화물로,

총 농도는 최대 200 mM에 달합니다[3].

SCFAs는

대장 세포의 에너지 요구량의 최대 70%를 충족시킬 수 있으며,

심지어 인간 대사 과정의 일상적 에너지 요구량의

최대 15%를 차지할 수 있다고 추정됩니다[4].

또 다른 연구에 따르면

인간 장은 하루에 약 400~600 mmol의 SCFAs를 생성하며,

이 중 극히 적은 양 (~10 mmol)만이 대변으로 배출됩니다.

대부분의 SCFAs는

호스트의 상피 세포에 의해 수동 확산 또는 능동 수송 메커니즘을 통해 신속히 흡수됩니다 [5,6].

따라서

SCFA 수치의 급격한 감소는

대사 관련 질환을 유발할 수 있습니다 [7].

A significant investigation revealed a novel mechanism pathway through which SCFAs inhibit inflammation [8]. Prebiotics play a crucial role in stimulating the production of SCFAs by probiotics. One study demonstrated that the physical state of prebiotic substrates significantly influenced the rate of fermentation and the production of SCFAs [9]. In addition, the concentration of prebiotic levels was shown to have a substantial impact on the quantity of SCFAs produced by probiotics. While Fehlbaum and their team focused on five different prebiotics, which are consecutively inulin, α-galactooligosaccharides (α-GOS), β-galactooligosaccharides (β-GOS), xylo-oligosaccharides, and β-glucan, these prebiotics were carefully studied to determine their specific effects on gut microorganisms at varying concentrations [10]. Last but not least, another discovery was pointed out by Fei et al. [11]. Prebiotics were seen as an agent capable of being fermented into SCFAs, and this ability could offer many advantages for probiotics. Considering these benefits, it was also found that probiotics uniquely gained more opportunities due to the reinforcement of tight junctions. Even further, the proliferation of colon cells was stimulated, and the production of mucus was enhanced, while the total pH average of the intestine was significantly reduced. On top of that, these SCFAs, which went through the production process and were gained from it, served as primary nutrients and were highly effective for probiotic functions in specific ways [12]. Therefore, it is strongly evident that butyrate has an influential role in the gut environment and, on top of that, in expected gut health maintenance. However, butyrate’s roles are not limited to these traits but also involve other and/or related pathways that affect different parts of the body and metabolism. In this paper, butyrate’s most remarkable effects against dysbiosis and the maintenance of the gut health, along with its underestimated other beneficial effects, are thoroughly discussed.

중요한 연구는

SCFAs가 염증을 억제하는 새로운 메커니즘 경로를 밝혀냈습니다 [8].

프리바이오틱스는

프로바이오틱스가 SCFAs를 생성하는 것을 자극하는 데 중요한 역할을 합니다.

한 연구는

프리바이오틱스 기질의 물리적 상태가

발효 속도와 SCFAs 생성량에 크게 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다 [9].

또한 프리바이오틱스 농도가

프로바이오틱스가 생성하는 SCFAs의 양에 상당한 영향을 미친다는 것이 입증되었습니다.

Fehlbaum과 그의 연구팀은

인울린, α-갈락토올리고당(α-GOS), β-갈락토올리고당(β-GOS), xylo-올리고당, β-글루칸 등

5가지 프리바이오틱스를 대상으로 연구를 진행했으며,

이 프리바이오틱스들은 다양한 농도에서

장 미생물에 미치는 특정 효과를 확인하기 위해 세심하게 분석되었습니다 [10].

마지막으로,

Fei 등[11]은 또 다른 발견을 지적했습니다.

프리바이오틱스는

SCFA로 발효될 수 있는 물질로 간주되었으며,

이 능력은 프로바이오틱스에 많은 이점을 제공할 수 있습니다.

이러한 이점을 고려할 때,

프로바이오틱스는 밀접 연결 구조의 강화로 인해

독특한 기회를 더 많이 얻는 것으로 나타났습니다.

더욱이,

대장 세포의 증식이 자극되었고 점액 생산이 증가했으며,

장의 전체 pH 평균이 유의미하게 감소했습니다.

또한,

이 생산 과정 통해 얻어진 SCFAs는

주요 영양소로 작용하며 프로바이오틱스 기능에 특정 방식으로 매우 효과적이었으며 [12].

따라서, 부티레이트가 장 환경에 영향력을 미치는 것뿐 아니라

예상되는 장 건강 유지에도 중요한 역할을 한다는 것이 명확히 입증되었습니다.

그러나

부티레이트의 역할은 이러한 특성으로 한정되지 않으며,

신체와 대사 과정의 다른 부분에 영향을 미치는 다른 및/또는 관련된 경로에도 관여합니다.

이 논문에서는

부티레이트의 장내 미생물 불균형에 대한 가장 주목할 만한 효과와 장 건강 유지,

그리고 과소평가된 다른 유익한 효과들이 상세히 논의됩니다.

1.2. Introduction to Butyrate

As discussed, SCFAs play crucial and vastly important roles throughout metabolism, with butyrate emerging as one of the most studied and frequently mentioned SCFAs within its class, as shown later in this paragraph.

Butyrate plays a crucial role in the regulation of gut microbiota metabolism [13]. Additionally, butyrate works primarily as a metabolic substrate for colonocytes, with up to 90% of it being utilized by these cells [14]. Therefore, butyrate definitely affects these cells’ growth status [15]. In addition, it has been observed that butyrate not only acts as a key regulator in metabolism but also regulates homeostasis in immunological and inflammatory response [14]. In summary, butyrate is known to exert numerous advantageous effects on the human body. Butyrate is prominently abundant in milk and milk products derived from various mammals, as these consumables contain high levels of various types of SCFAs [16]. Significant sources of butyric acid include bovine milk fat and its derivatives, with butter containing approximately 3 g per 100 g, parmesan cheese containing approximately 1.5 g per 100 g, goat’s cheese containing approximately 1–1.8 g per 100 g, and whole cow’s milk containing approximately 0.1 g per 100 g [17]. Butyrate production contributes efficiently to dietary fiber foods, as SCFAs are all abundant and since butyrate is part of SCFAs, such as oats, chickpeas, broccoli, and carrots, since they can be fermented in the gut [18,19]. Meanwhile, foods rich in resistant starches, such as cooked potatoes and green bananas, can contribute to butyrate metabolism [20]. Several certain substrates have been shown to specifically enhance the production of butyrate, such as arabinoxylan-type polysaccharides. These polysaccharides are commonly found in cereal grains and bran, including those derived from wheat, rye, and oats [21,22].

1.2. 부티레이트 소개

앞서 논의된 바와 같이 SCFAs는 대사 과정 전반에 걸쳐 중요한 역할을 하며, 부티레이트는 이 클래스 내에서 가장 많이 연구되고 자주 언급되는 SCFAs 중 하나로 이 단락 후반부에 설명될 것입니다.

부티레이트는

장 미생물 대사 조절에 중요한 역할을 합니다 [13].

또한 부티레이트는

주로 대장 상피 세포의 대사 기질로 작용하며,

이 세포에 의해 최대 90%가 이용됩니다 [14].

따라서

부티레이트는

이 세포의 성장 상태에 분명히 영향을 미칩니다 [15].

또한, 부티레이트는

대사 조절의 핵심 조절자 역할을 할 뿐만 아니라

면역학적 및 염증 반응의 균형 조절에도 관여한다는 것이 관찰되었습니다 [14].

요약하자면,

부티레이트는

인간 신체에 다양한 유익한 효과를 미치는 것으로 알려져 있습니다.

부티레이트는

다양한 포유류에서 유래한 우유 및 유제품에 풍부하게 함유되어 있으며,

이러한 식품에는 다양한 유형의 SCFA가 높은 수준으로 포함되어 있습니다 [16].

부티르산의 주요 원천에는 우유 지방 및 그 파생물이 포함되며,

버터에는 100g당 약 3g, 파르메산 치즈에는 100g당 약 1.5g, 염소 치즈에는 100g당 약 1–1.8g,

전체 우유에는 100g당 약 0.1g이 함유되어 있습니다 [17].

부티레이트 생산은

식이 섬유 식품에 효율적으로 기여합니다.

SCFAs는

모두 풍부하며, 부티레이트는 SCFAs의 일부이기 때문입니다.

예를 들어,

오트밀, chickpeas, 브로콜리, 당근 등은

장에서 발효될 수 있습니다 [18,19].

한편, 저항성 전분 함량이 높은 식품인

삶은 감자나 녹색 바나나는 부티레이트 대사에도 기여할 수 있습니다 [20].

특정 기질은

부티레이트 생성을 특이적으로 증진시키는 것으로 알려져 있습니다.

예를 들어

아라비노크실란 유형의 다당류가 이에 해당됩니다.

이러한 다당류는

밀, 라이, 오트 등 곡물과 곡물 껍질에 널리 존재합니다 [21,22].

Butyrate also acts as an inhibitor against a class of enzymes named histone deacetylases [23]. Histone deacetylases (HDACs) act by removing the ε-N-acetyl groups from lysine residues leading to the formation of a condensed and transcriptionally silent chromatin by allowing the histones to wrap the DNA more tightly [24,25]. Among the SCFAs, butyrate is the most potent in inhibiting HDAC activities both in vitro and in vivo [26]. Butyrate can be metabolized through two pathways: The first involves butyryl-CoA/acetate CoA transferase, while the second utilizes phosphotransbutyrylase-butyrate kinase [27]. Additionally, in the first pathway, butyrate is produced through glycolysis of carbohydrates, leading to the formation of acetoacetyl-CoA by combining two molecules of acetyl-CoA, which is then reduced to form butyryl-CoA [27]. Microbial pathways for butyrate formation from carbohydrates, organic acids, and glutamate are depicted in Figure 1, while glutamate and lysine in gut communities are illustrated in Figure 2. The green core reaction chain indicates a common phase in the metabolic reactions leading to butyrate production. Here, H signifies redox reactions, CoA refers to coenzyme A, P denotes bound phosphate, Pi represents inorganic phosphate, and (B12) indicates enzymes dependent on vitamin B12.

부티레이트는

히스톤 탈아세틸화 효소(HDACs)라는 효소 클래스에 대한

억제제로 작용합니다 [23].

히스톤 탈아세틸화 효소(HDACs)는

라이신 잔기에서 ε-N-아세틸 그룹을 제거하여

히스톤이 DNA를 더 밀접하게 감싸도록 함으로써 응축되고

전사적으로 침묵하는 염색질 구조를 형성합니다 [24,25].

SCFAs 중에서는

부티레이트가 체외 및 체내에서 HDAC 활성을 억제하는 데

가장 강력한 효과를 보입니다 [26].

부티레이트는

두 가지 경로를 통해 대사됩니다:

첫 번째 경로는 부티릴-코엔자임 A/아세테이트 코엔자임 A 전이효소를 통해 진행되며,

두 번째 경로는 포스포트랜스부티릴라제-부티레이트 키나아제를 이용합니다 [27].

또한 첫 번째 경로에서 부티레이트는

탄수화물의 글리코lysis를 통해 생성되며,

두 분자의 아세틸-코엔자임 A가 결합하여 아세토아세틸-코엔자임 A를 형성한 후,

이 물질이 환원되어 부티릴-코엔자임 A로 변환됩니다 [27].

탄수화물, 유기산, 글루타메이트로부터 부티레이트 형성의 미생물 경로는 그림 1에 표시되어 있으며,

장 내 공동체에서의 글루타메이트와 라이신은 그림 2에illustrated되어 있습니다.

녹색 핵심 반응 사슬은

부티레이트 생산으로 이어지는 대사 반응의 공통 단계를 나타냅니다.

여기서 H는 환원-산화 반응을,

CoA는 코엔자임 A를,

P는 결합된 인산염을,

Pi는 무기 인산염을,

(B12)는 비타민 B12에 의존하는 효소를 의미합니다.

Figure 1. Microbial pathways for butyrate formation from carbohydrates, organic acids, and glutamate in gut communities [3].

Figure 2. Microbial pathways for butyrate formation from lysine in gut communities [3].

2. Butyrate and Gut Health

2.1. Gut Health

The intestinal environment is regularly maintained by the actions of gut microbiota, which play some of the most vital roles such as energy balancing, prevention of mucosal infections, and the modulation of immune responses [28]. High-throughput DNA sequencing technologies have significantly advanced our understanding of the gut microbiota by providing detailed insights into the diverse community of microorganisms, particularly within the colon of the human gastrointestinal tract, without the need for traditional microbial culturing techniques [29]. Most of these species are grouped into two main phyla: Firmicutes and Bacteroidetes [30,31]. A diverse and well-balanced gut microbiota is needed for maintaining overall health [32]. In contrast, dysbiosis (highlighted by reduced diversity and changes in composition) is associated with conditions such as obesity, diabetes, and inflammatory bowel disease (IBD) [32,33,34]. Diet also influences the gut microbiota significantly, as different types of fibers produce varying effects on gut microbiota and, consequently, on gut well-being [35,36]. The gut microbiota is rich in synthesizing a variety of metabolites, containing SCFAs, polyamines, vitamins, tryptophan-derived compounds, and secondary bile acids, utilizing both undigested dietary substrates and endogenous materials [37]. These metabolites can serve as nutrients or substrates for other bacterial species in the colon, promoting additional metabolite production through interspecies cross-feeding [38]. It is believed that these metabolites can have both beneficial and detrimental impacts.

2. 부티레이트와 장 건강

2.1. 장 건강

장 환경은

장 미생물군집의 작용에 의해 정기적으로 유지되며,

이는 에너지 균형 조절, 점막 감염 예방, 면역 반응 조절 등 가장 중요한 역할을 수행합니다 [28].

고성능 DNA 시퀀싱 기술은

전통적인 미생물 배양 기술 없이도 인간 소화관,

특히 대장에서의 미생물 군집의 다양성에 대한 상세한 통찰을 제공함으로써

장내 미생물에 대한 이해를 크게 진전시켰습니다 [29].

16S rRNA 유전자 조각의 표적 PCR 증폭 및 고효율 시퀀싱(amplicon 시퀀싱)은 미생물 군집 분석에 널리 사용됩니다. 새로운 장독자 시퀀싱 기술은 전체 16S rRNA 유전자를 시퀀싱할 수 있지만, 정확도가 중요한 경우 높은 오류율로 인해 그 매력도가 제한되어 왔습니다. 본 연구에서는 PacBio 원형 일치 시퀀싱과 DADA2 샘플 추론 방법을 기반으로 한 고효율 암플리콘 시퀀싱 방법을 제시합니다. 이 방법은 단일 뉴클레오티드 해상도와 거의 0%의 오류율로 전체 길이의 16S rRNA 유전자를 측정합니다. 알려진 구성의 두 인공 미생물 군집에서, 본 방법은 예상된 군집 구성원으로부터 잔여 오류 없이 전체 길이의 16S 시퀀스 변이체를 완전히 회복했습니다. 유전체 내 시퀀스 변이의 측정된 풍부도는 유전체 내 진정한 알레릭 변이체에서 예상되는 비율과 일치했습니다. 우리 접근법으로 복원된 전체 길이의 16S 유전자 시퀀스는 Escherichia coli 균주를 O157:H7 및 K12 아종 계통군으로 정확히 분류할 수 있었습니다. 인간 분변 샘플에서 우리 방법은 강한 기술적 재현성을 보여주었으며, 여러 E. coli 균주에서 16S rRNA 알레르의 전체 집합을 복원할 수 있었습니다. 미생물 프로파일링을 넘어, 단일 뉴클레오티드 해상도로 전체 유전자의 고성능 증폭자 시퀀싱은 다양한 응용 분야에서 유용할 것으로 예상됩니다.

이 미생물 종의 대부분은

Firmicutes와 Bacteroidetes라는 두 주요 문으로 분류됩니다 [30,31].

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9657115/

인체 장내에서는 대부분의 세균 종이 두 개의 문(門)으로 분류됩니다: Firmicutes와 Bacteroidetes. 이 두 문은 장내 세균 군집의 대부분을 차지하며, 종종 90% 이상을 차지합니다.

Firmicutes: 라틴어에서 유래, 피르미 - 강한, 쿠티스 - 피부. 이 세균들은 세포벽이 단단함. 

이 문에는 다양한 세균이 포함되며, 일부는 복잡한 탄수화물의 분해와 장 건강에 유익한 단쇄 지방산인 부티레이트의 생산에 관여한다는 것이 MacFarlane 등(2019)의 연구에서 밝혀졌습니다.

피르미쿠테스 박테리아 종류 : 바실러스, 클로스트리디움, 엔테로코커스, 락토바실러스, 리스테리아, 미코플라스마, 스타필로코커스, 스트렙토코커스, 아켈레플라스마, 에리시펠로트릭스, 오에노코커스, 페디오코커스 등이 있죠

Bacillus, Clostridium, Enterococcus, Lactobacillus, Listeria, Mycoplasma, Staphylococcus, Streptococcus, Acholeplasma, and Erysipelothrix.

Bacteroidetes: 그리스어에서 유래. 박테르 - 작은 막대기, 에이도스 - 닮은. 이 세균들은 작은 막대기 모양.

이 문은 탄수화물 소화, 특히 식물성 섬유의 소화에서 중요한 역할을 하며, 아세테이트와 프로피오네이트와 같은 단쇄 지방산을 생성합니다.

박테로이데스 아시카프타, 박테로이데스 카카오니스, 박테로이데스 시르쿠미펜트리스, 박테로이데스 클로아카에, 박테로이데스 덱스트린솔벤스, 박테로이데스 에그게르티이데스, 박테로이데스 프라질리스, 박테로이데스 인테스티날리스, 박테로이데스 롱기콜라, 박테로이데스 오랄리스, 박테로이데스 플레베이우스 등

기타 문:

Firmicutes와 Bacteroidetes가 주를 이루지만, Proteobacteria, Actinobacteria, Verrucomicrobia와 같은 다른 문도 장내에서 작은 비율로 존재합니다.

https://www.mdpi.com/2072-6643/16/5/660

다양하고 균형 잡힌 장내 미생물 군집은

전반적인 건강 유지에 필수적입니다 [32].

반면,

dysbiosis(다양성 감소와 구성 변화로 특징지어짐)는

비만, 당뇨병, 염증성 장 질환(IBD)과 연관되어 있습니다 [32,33,34].

식이도 장내 미생물군집에 크게 영향을 미치며,

다양한 유형의 식이 섬유는 장내 미생물군집에 서로 다른 영향을 미치며,

결국 장 건강에 영향을 미칩니다 [35,36].

장 미생물군은 소화되지 않은 식이 기질과 내인성 물질을 활용해

SCFAs, 폴리아민, 비타민, 트립토판 유도체, 2차 담즙산 등

다양한 대사물을 합성합니다 [37].

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5541232/

이러한 대사물은

대장 내 다른 세균 종의 영양소나 기질로 작용해 종간 교차 영양을 통해

추가 대사물 생산을 촉진합니다 [38].

이러한 대사 산물은

유익한 영향과 유해한 영향을 모두 미칠 수 있다고 알려져 있습니다.

The mucosal protection and restoration processes of both the small and large intestines are highly effective and robust. These systems include a rapid turnover rate of epithelial cells, an efficient and well-functioning mucosal blood supply, a consistently maintained mucus layer that clings to the mucosal layer, and the presence of signaling peptides capable of initiating and enhancing the restoration processes [39]. With its single-layer structure, the intestinal epithelium serves as the body’s primary barrier and first line of defense against pathogens within the intestine, a defense mechanism primarily supported by its protective mucous layer [40]. The multipotent stem cells located within the crypts of the intestinal mucosa serve as the source for the specialized cell layer known as the epithelial monolayer, from which this layer is oriented and derived [41]. These multipotent stem cells give rise to four primary types of intestinal epithelial cells, each with specific functions vital for maintaining the integrity and functionality of the intestinal tract. The first type, absorptive enterocytes, is crucial for digesting and absorbing nutrients from the intestinal lumen into the bloodstream [42]. Secondly, goblet cells are responsible for producing and secreting mucins and trefoil peptides. These substances are essential for forming the mucus layer that protects and helps repair the epithelial surface [43]. Thirdly, enteroendocrine cells are specialized to produce and release peptide hormones into the bloodstream, which help regulate various aspects of digestive physiology [44].

소장과 대장의 점막 보호 및 복원 과정은

매우 효과적이고 견고합니다.

이러한 시스템에는

상피 세포의 빠른 회전율,

효율적이고 잘 기능하는 점막 혈액 공급,

점막층에 지속적으로 유지되는 점액층,

복원 과정을 시작하고 강화하는 신호 펩타이드의 존재 등이 포함됩니다 [39].

단일층 구조를 가진 장 상피는

장 내부의 병원체에 대한 신체 주요 장벽이자 첫 번째 방어선으로,

이 방어 메커니즘은 주로 보호 점막층에 의해 지원됩니다 [40].

장 점막의 크립트에 위치한 다능성 줄기세포는

상피 단일층으로 알려진 특수 세포층의 원천으로,

이 층은 이로부터 방향을 잡고 유래됩니다 [41].

이 다능성 줄기세포는

장 상피의 무결성과 기능을 유지하는 데 필수적인 네 가지 주요 유형의 장 상피 세포를 생성합니다.

첫 번째 유형인 흡수성 장 상피세포는 장 내강에서 영양소를 소화하고 혈류로 흡수하는 데 필수적입니다 [42].

두 번째로, 고블릿 세포는 뮤신과 트레포일 펩타이드를 생성하고 분비합니다. 이 물질들은 상피 표면을 보호하고 복구하는 데 필수적인 점액층을 형성합니다 [43].

세 번째로, 장내 내분비 세포는 혈류로 펩타이드 호르몬을 생성하고 분비하여 소화 생리학의 다양한 측면을 조절하는 데 기여합니다 [44].

Finally, Paneth cells secrete various antimicrobial peptides, such as cryptdins and defensins, along with digestive enzymes and growth factors. These secretions contribute to defending against pathogenic microorganisms and supporting the maintenance and renewal of epithelial cells [45]. The epithelial cells are connected by intercellular structures such as desmosomes, tight junctions, and adherens junctions. These structures create a physical barrier against the contents of the gut lumen and help maintain epithelial permeability [39]. Tight junctions are made up of a complex system that includes transmembrane proteins such as claudins, occludin, tricellulin, and junctional adhesion molecules [46,47]. Additionally, cytosolic scaffold proteins like zonula occludens and cingulin are integrated into this complex system [46]. Several antimicrobial peptides, including defensins and cathelicidins, as well as bacteriolytic enzymes like lysozymes, can be generated by both mucosal epithelial cells and Paneth cells [48,49]. This inherent ability of these cells to produce various antimicrobial substances is essential for protecting the mucosal tissue and the underlying gut stem cells [49]. By actively producing these defensive agents, these cells help maintain the integrity of the mucosal barrier and prevent harmful pathogens from invading the intestinal crypts, thus, playing a significant role in protecting and preserving the health of the intestinal environment [48,49,50,51]. The intestinal epithelium acts as a barrier between the gut lumen’s commensal organisms and the immune cells in the lamina propria [51]. Under normal conditions, homeostasis is maintained through complex immune interactions among the commensal microflora, the epithelial layer, and the subepithelial immune cells [51]. The lamina propria houses the gut-associated lymphoid tissue, which includes Peyer’s patches—a collection of lymphoid follicles containing various immune cells such as microfold cells, dendritic cells, T cells, B cells, intraepithelial lymphocytes, and macrophages [52].

마지막으로,

파네트 세포는

크립틴과 디펜신과 같은 항균 펩타이드, 소화 효소, 성장 인자를 분비합니다.

이러한 분비물은

병원성 미생물로부터 방어하고

상피 세포의 유지 및 재생에 기여합니다 [45].

상피 세포는

데스모좀, 타이트 젬션, 아데헤르스 젬션과 같은 세포 간 구조물로 연결되어 있습니다.

이 구조들은

장 내강 내용물로부터의 물리적 장벽을 형성하고

상피 세포의 투과성을 유지하는 데 도움을 줍니다 [39].

밀접 연결은

클라우딘, 오클루딘, 트리셀린과 같은 막을 관통하는 단백질 및 연결 부착 분자 [46,47]로 구성된

복잡한 시스템으로 구성됩니다.

또한, 존쿨라 오클루덴스와 싱굴린과 같은 세포질 지지 단백질은

이 복잡한 시스템에 통합되어 있습니다 [46].

점막 상피 세포와 판테 세포는

데펜신과 카텔리시딘과 같은 항균 펩타이드 및 리소자임과 같은

세균 분해 효소를 생성할 수 있습니다 [48,49].

이러한 세포의 다양한 항균 물질을 생성하는 내재적 능력은

점막 조직과 그 아래의 장 줄기 세포를 보호하는 데 필수적입니다 [49].

이러한 방어 물질을 적극적으로 생성함으로써,

이 세포들은 점막 장벽의 무결성을 유지하고

유해한 병원체가 장 크립트로 침입하는 것을 방지하여,

장 환경의 건강을 보호하고 유지하는 데 중요한 역할을 합니다 [48,49,50,51].

장 상피는

장 내강 내 공생 미생물과 점막 하층의 면역 세포 사이의 장벽 역할을 합니다 [51].

정상 조건에서

공생 미생물, 상피층, 점막 하층 면역 세포 간의 복잡한 면역 상호작용을 통해

항상성이 유지됩니다 [51].

점막하층에는 장 관련 림프 조직이 존재하며,

이는 마이크로폴드 세포, ден드리틱 세포, T 세포, B 세포, 상피 내 림프구, 대식세포 등

다양한 면역 세포를 포함하는 림프 소체로 구성된 페이어 패치를 포함합니다 [52].

2.2. Butyrate as a Postbiotic and Butyrate–Gut Health Relationship

It is evident that butyrate is generated in the gut environment by gut microbiota from molecules such as glutamate and more. Significantly, this magnificent metabolite has a prominent effect on gut health with various findings and reasons. Therefore, the gut microbiota species typically responsible for producing butyrate in humans are those belonging to the Firmicutes phylum, which includes species such as Clostridium butyricum, Clostridium kluyveri, Faecalibacterium prausnitzii, Butyrivibrio fibrisolvens, and Eubacterium limosum [27]. The primary butyrate producers are predominantly Gram-positive bacteria found within Clostridium clusters IV and XIVa of the Firmicutes phylum [53]. Among them, Faecalibacterium prausnitzii is the most preval‎ent in fecal samples, accounting for approximately 5% [54]. While most butyrate-synthesizing microorganisms belong to Firmicutes, studies have indicated that certain members of Actinobacteria, Bacteroidetes, Fusobacteria, and Proteobacteria can also synthesize butyrate [55]. In the human intestine, most of the microbial butyrate originates from carbohydrate metabolism, mainly facilitated by the butyryl-CoA: acetate CoA-transferase pathway (but) and butyrate kinase (buk) pathway. The but-pathway is particularly dominant in this process [56,57]. Thus, the majority of butyrate in the gut lumen is derived from non-digestible carbohydrates, mainly through the acetyl-CoA pathway. Furthermore, it has been suggested that the presence of butyrogenic bacteria in the colon, along with cross-feeding interactions between Bifidobacterial strains and Faecalibacterium prausnitzii, could potentially augment butyrate production [58].

2.2. 부티레이트(Butyrate)로서의 포스트바이오틱스와 부티레이트-장 건강 관계

부티레이트는

장 미생물에 의해 글루타메이트 등 분자에서 장 환경에서 생성됩니다.

특히 이 놀라운 대사산물은

다양한 연구 결과와 이유로 장 건강에 중요한 영향을 미칩니다.

따라서

인간에서 부티레이트를 주로 생성하는 장 미생물 종은

Firmicutes 문에 속하는 종으로,

Clostridium butyricum, Clostridium kluyveri, Faecalibacterium prausnitzii, Butyrivibrio fibrisolvens, Eubacterium limosum 등이

포함됩니다 [27].

주요 부티레이트 생산균은

Firmicutes 문에 속하는 Clostridium 군집 IV와 XIVa에

주로 존재하는 그람 양성균입니다 [53].

이 중 F

aecalibacterium prausnitzii는 분변 샘플에서

가장 널리 분포하며 약 5%를 차지합니다 [54].

대부분의 부티레이트 합성 미생물은 Firmicutes에 속하지만,

Actinobacteria, Bacteroidetes, Fusobacteria, Proteobacteria 속의 일부 종도

부티레이트를 합성할 수 있다는 연구 결과가 있습니다 [55].

인간 장내에서 대부분의 미생물 유래 부티레이트는

탄수화물 대사 과정에서 주로 생성되며,

이는 주로 부티릴-코엔자임 A: 아세테이트 코엔자임 A 전이효소 경로(but)와 부티레이트 키나제(buk) 경로를 통해

촉진됩니다.

이 과정에서 but 경로는 특히 지배적입니다 [56,57].

따라서

장 내강에 존재하는 대부분의 부티레이트는

소화되지 않는 탄수화물에서 유래하며,

주로 아세틸-코엔자임 A 경로를 통해 생성됩니다.

또한,

대장에 존재하는 부티레이트 생성 세균과 Bifidobacterial 균주 및 Faecalibacterium prausnitzii 간의

교차 영양 상호작용이 부티레이트 생산을 증가시킬 수 있다는 제안이 있습니다 [58].

Butyrate produced by the gut microbiome is quickly absorbed by the epithelial cells in the colon via passive nonionic diffusion or active carrier-mediated transport [59]. Butyrate, in its ionized state, is transported along the apical surface of colonocytes through active transport mechanisms involving H+-monocarboxylate transporter-1 (MCT1) and Na+-coupled monocarboxylate transporter-1 (SMCT1) [60]. Serving as a key SMCT1 transporter for butyrate uptake in gut epithelial cells, solute carrier family 5 member 8 (SLC5A8) is expressed predominantly at high levels in the apical membranes of the colon and ileum [60]. For butyrate’s mobilization, its action is facilitated by a carrier-mediated bicarbonate exchange framework, localized on the basolateral side [61]. Recognized as essential for upholding the epithelial barrier role and immunological homeostasis, intestinal microflora and their metabolites are significant factors. In an early study, it was observed that butyrate has properties that impact epithelial barrier function by acting as a key signaling substance for G-protein-coupled receptors (GPCRs) and nuclear factors [62]. Meanwhile, butyrate promotes T-cell-independent Immunglobulin A (IgA) excretion specifically in the large intestine by activating G-protein-coupled receptor 41 (GPR41) and G-protein-coupled receptors 109A (GPR109A), and even by inhibiting HDAC, thereby aiding in the restoration of epithelial integrity under inflammatory influences [63]. Butyrate also influences the gut microbial community by exerting control over IgA excretion and restricting the hyperresponsiveness of macrophages to large intestinal commensal microorganisms, thereby maintaining their profusion [63,64].

장 미생물군집에 의해 생성된 부티레이트는

대장 상피 세포에 의해 수동적 비이온성 확산 또는 활성 운반체 매개 운반을 통해 빠르게 흡수됩니다 [59].

이온화된 상태의 부티레이트는

H+-모노카르복실산 운반체-1 (MCT1) 및 Na+-결합 모노카르복실산 운반체-1 (SMCT1)을 포함한

활성 운반 메커니즘을 통해 대장 상피 세포의 아피칼 표면을 따라 운반됩니다 [60].

장 상피 세포에서 부티레이트 흡수용 주요 SMCT1 운반체로 작용하는 용질 운반체 가족 5 멤버 8(SLC5A8)은 대장과 회장 상피막의 아피칼막에서 주로 고농도로 발현됩니다[60].

부티레이트의 이동은 기저측면에 위치한 운반체 매개 탄산수소염 교환 체계에 의해 촉진됩니다[61]. 장 상피 장벽 기능과 면역학적 균형을 유지하는 데 필수적이며, 장 미생물과 그 대사산물은 중요한 요인입니다.

초기 연구에서 부티레이트는 G-단백질 결합 수용체(GPCR)와 핵 인자에 대한 주요 신호 물질로 작용하여 상피 장벽 기능을 영향을 미치는 특성을 갖는 것으로 관찰되었습니다 [62]. 한편, 부티레이트는 G-단백질 결합 수용체 41(GPR41)과 G-단백질 결합 수용체 109A(GPR109A)를 활성화하고 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC)를 억제함으로써 염증 영향 하에서 상피 무결성을 회복하는 데 도움을 주며, 대장에서 T세포 독립적 면역글로불린 A(IgA) 분비를 촉진합니다 [63].

부티레이트는

IgA 분비를 조절하고

대장 공생 미생물에 대한 대식세포의 과도한 반응을 억제함으로써

장 미생물 군집에 영향을 미치며,

이를 통해 그들의 풍부함을 유지합니다 [63,64].

Acknowledging the significant immunomodulatory properties of butyrate, it physically enhances intestinal barrier function and acts as an anti-inflammatory agent by binding to SCFA-sensing GPCRs (GPR43, GPR41, GPR109A) [65]. Additionally, butyrate stimulates the immune system by modulating interactions between innate and adaptive immune cells within the gut mucosa. Moreover, in a study conducted on peripheral blood and colon tissues of 2,4,6-Trinitrobenzenesulfonic acid (TNBS)-induced colitis rats, alongside a control group, it was observed that butyrate administration enhanced Treg cell functionality and decreased interleukin-17 (IL-17) levels, along with Th17 cells, in the TNBS-induced colitis rats, while the control group exhibited minimal changes in these parameters [66]. In addition to the previously mentioned points, butyrate, through HDAC inhibition, can confine the production of pro-inflammatory cytokines such as IL-12 and IL-6 in colonic macrophages located in the lamina propria, while also limiting the antimicrobial activity of lipopolysaccharide (LPS)-stimulated macrophages by constraining nitric oxide production [64,67]. It is also important to highlight that the antimicrobial-inducing property of butyrate, specifically in macrophages, occurs independently of the GPCR pathway metabolites [68]. In this case, a performed study revealed that the expression‎ of the antimicrobial protein calprotectin was highly increased, while the expression‎ of the anti-inflammatory cytokine IL-10 decreased when the model macrophages were exposed to microbial butyrate [69].

부티레이트의 중요한 면역 조절 특성을 인정할 때,

이는 SCFA 감지 GPCR(GPR43, GPR41, GPR109A)에 결합하여

장 장벽 기능을 물리적으로 강화하고 항염증제로 작용합니다 [65].

또한 부티레이트는

장 점막 내 선천적 및 적응성 면역 세포 간의 상호작용을 조절함으로써 면역 시스템을 자극합니다.

또한, 2,4,6-트리니트로벤젠술폰산(TNBS)으로 유발된 대장염 쥐의 말초 혈액 및 대장 조직을 대상으로 한 연구에서 대조군과 비교했을 때, 부티레이트 투여는 Treg 세포의 기능을 향상시키고 인터루킨-17(IL-17) 수준 및 Th17 세포를 감소시켰습니다. TNBS로 유발된 대장염 쥐에서는 이러한 변화가 관찰되었으나, 대조군에서는 이러한 매개변수에 대한 변화가 거의 없었습니다 [ 앞서 언급된 점 외에도, 부티레이트는 HDAC 억제를 통해 장 점막의 점막하층에 위치한 대장 대식세포에서 IL-12 및 IL-6와 같은 프로염증성 사이토카인의 생산을 억제하며, 동시에 LPS 자극 대식세포의 항균 활성을 제한함으로써 질산산화물(NO) 생산을 억제합니다 [64,67]. 특히 부티레이트의 항균 유도 특성은 대식세포에서 GPCR 경로 대사산물과 독립적으로 발생한다는 점을 강조할 필요가 있습니다 [68]. 이 연구에서 모델 대식세포가 미생물 부티레이트에 노출될 때 항균 단백질 칼프로텍틴의 발현이 크게 증가했으며, 항염증성 사이토킨 IL-10의 발현은 감소했습니다 [69].

Several studies have demonstrated the ability of butyrate to reduce nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) activity in human colon-cell lines and in lamina propria mononuclear cells isolated from Crohn’s disease patients [70,71,72]. In addition, another study indicated that when the butyrate precursor, resistant starch, was administered orally to patients diagnosed with cholera, their health impairments improved significantly [73]. Moreover, the integrity and regulation of hypoxia-inducible factor are influenced by butyrate-producing bacteria in colonocytes, which upregulate mitochondria-dependent oxygen utilization due to butyrate production and its effects. When this factor is stabilized, it can regulate the tight junction protein claudin-1, MUC2 expression‎, and even the generation of the antimicrobial peptide beta-defensin-1 [74,75]. It is a notable aspect that this hypoxia-inducible factor could be deteriorated by the effects of butyrate [75]. Even a recent investigation, focused on these tight junctions specifically located in the gut epithelial tissue, found that butyrate maintains and controls the actin-binding protein synaptopodin. This protein is expressed at high levels in these tight junctions of the gut and is crucial for the integrity of the gut-barrier function [76].

여러 연구에서 부티레이트가

인간 대장 세포계 및 크론병 환자에서 분리된 점막 상피 단핵구에서 활성화된

B 세포의 핵인자 카파-라이트-체인-강화인자(NF-κB) 활성을

감소시키는 능력을 보여주었습니다 [70,71,72].

또한 다른 연구에서는 콜레라 환자에게 부티레이트 전구체인 저항성 전분을 경구 투여했을 때 건강 상태가 유의미하게 개선되었다고 보고되었습니다 [73]. 또한, 부티레이트 생성 세균은 대장 상피 세포에서 저산소증 유도 인자의 무결성과 조절에 영향을 미치며, 부티레이트 생산 및 그 효과로 인해 미토콘드리아 의존적 산소 이용을 증가시킵니다. 이 요인이 안정화되면, 이는 밀접 연결 단백질 클라우딘-1, MUC2 발현, 심지어 항균 펩타이드 베타-디펜신-1의 생성을 조절할 수 있습니다 [74,75]. 저산소증 유도 인자가 부티레이트의 영향으로 악화될 수 있다는 점은 주목할 만한 측면입니다 [75].

최근 연구에서는

장 상피 조직에 특이적으로 위치한 이 밀접 연결 단백질에 초점을 맞춰,

부티레이트가 액틴 결합 단백질 시나토포딘을 유지하고 조절한다는 사실을 발견했습니다.

이 단백질은

장의 밀접 연결 부위에서 높은 수준으로 발현되며

장 장벽 기능의 무결성에 필수적입니다 [76].

General knowledge on gut health and dysbiosis is that their relationship significantly affects systemic and pancreatic diseases, including cancer, pancreatitis, and type 1 diabetes, by disrupting the intestinal barrier, promoting bacterial translocation, and aggravating inflammation and fibrosis [77,78]. In pancreatic and colorectal cancers (CRC), gut microbiota imbalances drive tumorigenesis through microbial diversity changes, elevated pro-inflammatory cytokines like IL-6, IL-10, IL-12, and IL-22, and mechanisms such as DNA alkylation by Escherichia coli and Fusobacterium nucleatum [79,80,81]. Beneficial microbes like Lactobacillus and Bifidobacterium counteract these effects by reducing inflammation and promoting antitumor activity [82,83]. Additionally, short-chain fatty acids (e.g., butyrate) regulate apoptosis and energy metabolism but are disrupted in CRC via the “Warburg effect” [84,85]. Dysbiosis also contributes to cardiovascular diseases, obesity, and inflammatory bowel conditions, while fecal microbiota transplantation shows promise in restoring balance and reducing inflammation, warranting further research [86,87,88].

장 건강과 장내 미생물 불균형(dysbiosis)에 대한 일반적인 지식은

이들이 장 장벽의 손상, 세균 이동 촉진, 염증 및 섬유화 악화를 통해 암, 췌장염, 제1형 당뇨병 등

전신 및 췌장 질환에 크게 영향을 미친다는 점입니다 [77,78].

췌장암과 대장암(CRC)에서 장 미생물군집 불균형은

미생물 다양성 변화, IL-6, IL-10, IL-12, IL-22와 같은

프로염증성 사이토카인의 증가, Escherichia coli와 Fusobacterium nucleatum에 의한 DNA 알킬화 등

메커니즘을 통해 종양 발생을 촉진합니다 [79,80,81].

유익한 미생물인 Lactobacillus와 Bifidobacterium은

염증을 감소시키고 항종양 활동을 촉진함으로써 이러한 효과를 상쇄합니다 [82,83].

또한 단쇄 지방산(예: 부티레이트)은 세포 사멸과 에너지 대사를 조절하지만,

CRC에서는 “워버그 효과”를 통해 방해받습니다 [84,85].

장내 미생물 불균형은

심혈관 질환, 비만, 염증성 장 질환에도 기여하며,

분변 미생물 이식술은 균형 회복과 염증 감소에 유망함을 보여 추가 연구가 필요합니다 [86,87,88].

Butyrate exhibits potent antitumor properties by modulating immune responses and the tumor microenvironment. It enhances innate immunity by promoting macrophage differentiation and reducing M2 macrophage polarization, which is associated with tissue remodeling and tumor progression [89,90]. Butyrate also supports adaptive immunity by stimulating Treg differentiation and antitumor CD8+ T cell responses, while increasing IgA-producing plasma cells in the gut assisting in cancer prevention [85,90,91]. Additionally, it mitigates tumor-associated inflammation by inhibiting pro-inflammatory cytokines like IL-6 and TNF-α, reducing the risk of tumorigenesis [92,93]. Butyrate induces tumor cell apoptosis via mechanisms such as the inhibition of the Wnt/β-catenin pathway, highlighting its role as a selective anticancer agent [94,95]. Expectedly, butyrate has significant cardioprotective effects through various mechanisms. It reduces pro-inflammatory cytokines such as TNF-α and IL-6 as mentioned before and enhances the protective Kruppel-like factor 2 (KLF2) pathway [96], thereby mitigating inflammation and oxidative stress. In atherosclerosis models, butyrate decreased lipid deposition and macrophage accumulation in plaques, improved gut permeability, and reduced aortic lesions [97,98].

부티레이트는

면역 반응과 종양 미세환경을 조절함으로써 강력한 항종양 특성을 나타냅니다.

버티레이트는

대식세포 분화를 촉진하고 M2 대식세포 분화를 감소시켜 조직 재모델링과 종양 진행과 연관된 선천성 면역력을 강화합니다 [89,90].

또한 버티레이트는 Treg 분화를 자극하고 항종양 CD8+ T 세포 반응을 촉진하며, 장 내 IgA 생성 플라즈마 세포를 증가시켜 암 예방에 기여합니다 [85,90,91]. 또한, IL-6 및 TNF-α와 같은 염증성 사이토카인의 억제를 통해 종양 관련 염증을 완화하여 종양 발생 위험을 감소시킵니다 [92,93]. 부티레이트는 Wnt/β-catenin 경로의 억제를 통해 종양 세포 사멸을 유도하여 선택적 항암제로서의 역할을 강조합니다 [94,95]. 예상대로 부티레이트는 다양한 메커니즘을 통해 심장 보호 효과를 나타냅니다. 앞서 언급된 TNF-α와 IL-6와 같은 염증성 사이토카인을 감소시키고 보호적 Kruppel-like factor 2 (KLF2) 경로를 강화합니다 [96], 이를 통해 염증과 산화 스트레스를 완화합니다. 동맥경화 모델에서 부티레이트는 플라크 내 지방 침착과 대식세포 축적을 감소시키고 장 투과성을 개선하며 대동맥 병변을 감소시켰습니다 [97,98].

The addition of butyrate to treatments in individuals with active ulcerative colitis (UC) has been associated with significant improvements in inflammatory markers [99,100,101,102,103]. In one study performed by Vernero et al., 12 months of butyrate-loaded microcapsule (BLM) administration resulted in sustained remission in most patients, as evidenced by low disease activity (MPS ≤ 2) and negative fecal calprotectin levels (<250 µg/g) [104,105]. In contrast, less than half of the control group maintained remission. While international guidelines suggest Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) as the only alternative to mesalamine for maintaining UC remission [106], their findings support the potential of BLM as an effective therapy for these patients. Moreover, one of the recent studies conducted by Ozturk et al. [107] demonstrated that fecal SCFA levels, including acetic, propionic, and butyric acids, were significantly lower in patients with UC and Crohn’s disease compared to healthy controls, highlighting a potential association between reduced SCFAs and intestinal inflammation. In addition, a novel mode of action of butyrate in UC was developed and indicated its ability to alleviate neuronal loss in the enteric nervous system by reducing inflammation and oxidative stress, modulating immune responses, and enhancing gut barrier integrity [108]. These effects collectively assist in preserving neuronal function, contributing to improved gut motility and overall homeostasis in the context of chronic intestinal inflammation.

활동성 궤양성 대장염(UC) 환자에게

부티레이트를 치료에 추가한 경우 염증 지표가 유의미하게 개선되었다는 보고가 있습니다 [99,100,101,102,103].

Vernero 등[104,105]의 연구에서 12개월 동안 부티레이트 함유 미세캡슐(BLM) 투여는 대부분의 환자에서 질병 활동도(MPS ≤ 2)와 대변 칼프로텍틴 수치(<250 µg/g)가 낮은 지속적 완화 상태를 보였습니다. 반면 대조군의 절반 미만만이 완화 상태를 유지했습니다. 국제 지침은 UC 완화 유지에 메사라민 대체제로 Escherichia coli Nissle 1917 (EcN)만을 권장합니다[106]. 그러나 이 연구 결과는 BLM이 이러한 환자들에게 효과적인 치료법으로 잠재력을 지닌다는 점을 뒷받침합니다. 또한 Ozturk 등[107]의 최근 연구는 UC 및 크론병 환자의 분변 SCFA 수치(아세트산, 프로피온산, 부티르산 포함)가 건강한 대조군에 비해 유의미하게 낮음을 보여주며, SCFA 감소와 장 염증 간의 잠재적 연관성을 강조했습니다. 또한 UC에서 부티레이트의 새로운 작용 메커니즘이 개발되었으며, 이는 염증과 산화 스트레스를 감소시키고 면역 반응을 조절하며 장 장벽의 무결성을 강화함으로써 장 신경계에서의 신경 세포 손실을 완화하는 능력을 보여주었습니다 [108]. 이러한 효과는 만성 장 염증 환경에서 장 운동성 개선과 전체적인 항상성 유지에 기여함으로써 신경 기능 보존에 도움을 줍니다.

One study regarding the relationship between chronic kidney disease and butyrate interestingly displayed that F. prausnitzii-derived butyrate interacted with the GPR43 receptor to reduce renal inflammation, uremic toxin levels, and kidney pathology, as evidenced by decreased BUN and Scr levels, improved gut homeostasis, and suppressed macrophage infiltration in a CKD mouse model [109]. Therefore, it could be hypothesized that the butyrate–GPR43 axis represents a therapeutic pathway for this chronic kidney disease and highlights the importance of F. prausnitzii as a potentially potent probiotic.

The source of butyrate does not matter; it is absorbed by gut epithelial cells through diffusion. It then travels via the portal vein to the liver and enters systemic circulation [110,111]. Compared to the large intestine, the concentration of butyrate in the plasma is significantly lower and fluctuates as it enters systemic circulation, with only 2% making it into the bloodstream [112]. The remainder is distributed throughout other body parts. Other findings show that the presence of these butyrate-producing bacteria stabilizes intestinal homeostasis by creating an anaerobic milieu, which helps eliminate other opportunistic aerobic pathogen colonizations, such as Salmonella and E. coli [53,113]. Table 1 shows several works that have investigated the relationship between SCFAs (mainly butyrate) and the gut.

만성 신장 질환과 부티레이트의 관계에 대한 한 연구에서는 F. prausnitzii에서 유래한 부티레이트가 GPR43 수용체와 상호작용하여 신장 염증, 요독 독소 수준, 신장 병리를 감소시켰으며, 이는 CKD 마우스 모델에서 BUN 및 Scr 수준 감소, 장 내 환경 균형 개선, 대식세포 침윤 억제를 통해 입증되었습니다 [109]. 따라서, 부티레이트-GPR43 축이 이 만성 신장 질환의 치료적 경로로 작용할 수 있으며, F. prausnitzii가 잠재적으로 강력한 프로바이오틱스로서의 중요성을 강조합니다.

부티레이트의 출처는 중요하지 않습니다.

이는 장 상피 세포를 통해 확산으로 흡수됩니다.

이후 문맥을 통해 간으로 이동하여 체내 순환계로 들어갑니다 [110,111].

대장보다 혈장 내 부티레이트 농도는 현저히 낮으며,

체내 순환계로 들어갈 때 변동되며,

혈류로 들어가는 양은 2%에 불과합니다 [112].

나머지는 다른 신체 부위로 분배됩니다.

다른 연구 결과에 따르면, 이 부티레이트 생성 세균의 존재는 혐기성 환경을 조성하여 장 내 균형을 안정화시키며, 살모넬라와 대장균과 같은 기회적 혐기성 병원균의 정착을 억제합니다 [53,113]. 표 1은 SCFAs(주로 부티레이트)와 장의 관계를 조사한 여러 연구를 보여줍니다.

Table 1. Several studies that show relations between SCFAs (mainly butyrate) and the gut.

3. Butyrate’s Relation with Obesity

Obesity is a rapidly increasing condition seen in high numbers within various countries, posing a global risk to human life quality and lifespan. It is constantly being tracked by the World Health Organization (WHO) [114]. Day by day, the percentage of obesity is getting higher and becoming a more serious topic on health status of people, especially in countries like the USA, Turkey, and Saudi Arabia [115]. This increase raises concerns that the obese population may soon surpass the non-obese population. Diet, lifestyle, and lack of daily exercise are the main causes accelerating the onset of obesity. There are ongoing studies on this issue, with notable results seen in the utilization of butyrate for obese individuals.

Obesity is described as the extreme accumulation of fat, leading to severe levels of body mass with significant negative effects on health [116]. Body weight could potentially be maintained by butyrate, with reasonable speculation that it may influence energy utilization and/or general reduction in consumption, thus positioning butyrate at the core of energy homeostasis [117]. To understand how butyrate could influence this high accumulation of adipose tissue in the body, it is essential to examine the gut microbiome and its possible link to obesity. One remarkable thought that could serve as the causal bond between the obesity development and the environmental influences is actually the gut microbe resulting in the gut, suggesting that increasing evidence of the microbiota are involved in the energy controlling and substrate consumption and production [18]. Furthermore, it was previously discussed, dysbiosis—an abnormal status of the gut microbiome—results in disturbances in metabolism, inflammation, and immune function both locally and systemically, due to compromised gastrointestinal barrier integrity [118]. As a result, the intestinal microenvironment might close the space between caloric consumption and expenditure by metabolizing nutrients and controlling their entry into and retention within the body [118]. Among SCFAs, butyrate is especially recognized for its ability to mitigate obesity and metabolic disorders preval‎ent in many societies and this effect is achieved through the precise regulation of hormones and mediators that maintain energy balance [7].

Findings suggest that reduced levels of microbes responsible for butyrate production in humans are linked to a heightened risk of metabolic disorders, highlighting butyrate’s significant role in easing obesity-related metabolic imbalances [118]. Thus, investigating the microbial origins of this fermentation byproduct and assessing how dietary changes and gut function might impact its levels and rates of synthesis is essential.

Several new efforts have recently been technically explored to improve the taste and delivery of butyrate in the digestive tract, while the inclusion of sodium butyrate supplements in the diet is one of the most prominent clinical and animal studies primarily targeting obesity and diabetes [119]. This technique popularly used to delay the release of sodium butyrate in the gut tract involves encasing it in cellulose-based capsules [120]. Butyric acid is recognized as a safe compound, supported by pharmacological and clinical research, as therapeutic doses ranging from 150 to 300 mg have shown no abnormal side effects or clinical abnormalities [121]. Additionally, no traces of abnormal effects were observed even at high doses of up to 2000 mg per day [12,122]. Additionally, recent studies suggest that butyrate may have a significant role in promoting fatty acid oxidation, as indicated by critical changes in serum triglyceride levels and the respiratory exchange ratio in animals on a high-fat diet (HFD) compared to control animals receiving only a HFD [123,124,125]. Moreover, another study found that butyrate significantly lowered lipid levels in brown adipose tissue (BAT), with a somewhat lesser effect observed in the both liver and muscle tissues [126].

In several studies, two different methods demonstrated a common reduction in body weight changes: either as an additional supplement in food [123,127,128] or administered directly via gavage [124,129,130], including mass loss and gain, and fluctuations in fat ratio, observed in rodents on a HFD compared to controls that only received HFD feeding. The results suggest that butyrate could potentially play a significant role in the treatment or even prevention of diet-induced obesity (DIO). The administration of sodium butyrate via intraperitoneal injection has shown positive and consistent results in this regulatory function, leading to a significant decrease in body weight gain in rodents over ten consecutive weeks when they received a butyrate-supplemented diet [131]. The addition of butyrate to daily diets reveals numerous metabolic features and regulatory effects, including crucial prevention of HFD-induced obesity and related disorders. This has primarily been observed in animal models [132,133,134].

In a study conducted by Pelgrim et al. [133], the effects of a HFD on low-density-lipoprotein receptor knockout Leiden mice of different age ranges were examined, focusing on metabolism and the role of adipose tissue in the regulation and outcomes of butyrate. The results indicated adipocyte hypertrophy and an increased number and activity of proinflammatory adipokines, which therefore identified the HFD as a source of enhanced inflammation. The addition of butyrate to the diet resulted in a significant overall reduction in body weight and fat, independent of daily calorie consumption, as evidenced by the adipocytes becoming firmer and smaller. However, this effect was primarily observed in older adults as the sample type. Among these older adults, particularly those around 65 years old, the reduction in adipocyte size was harder to observe. Interestingly, despite the lack of significant reduction in adipocyte size, insulin levels decreased, and inflammatory activity also declined. Therefore, the effects of butyrate observed in this study highlight its potential to refine obesity-related metabolic disorder and inflammation, particularly in older adults with varying levels of activity.

Additionally, supplementing mice with sodium butyrate revealed its protective role against liver and pancreatic abnormalities. This was shown by a significant reduction in liver steatosis and a marked decrease in fat accumulation in the pancreas in another study examining sodium butyrate’s effects on animal models [134]. The efforts in this study regarding the treatment resulted in fluctuations in insulin resistance, as well as stabilization of insulin release. Consequently, β cells visibly expanded in size and corresponded with more stable blood sugar level regulation. Butyrate also improved gut health in mice, particularly by enhancing gut integrity through elevated claudin-1 levels and reduced gut permeability. In summary, butyrate has the potential to enhance gut health and could, therefore, help address metabolic issues

In one of the further human studies, the administration of 4 g of sodium butyrate daily to obese individuals diagnosed with various metabolic disorders caused enhanced innate immune memory for LPS and increased IL-6 and Pam3CSK4-induced TNF-α responses, while also reducing oxidized low-density lipoprotein (oxLDL) levels. Considering the significance of these anti-inflammatory and immunomodulatory effects, butyrate supplementation could be a novel therapy to slow the progression of vascular wall inflammation and prevent the development of atherosclerosis, which is closely related to obesity [135]. This anti-inflammatory effects of butyrate have been recognized, particularly due to its role as an epigenetic modulator through the inhibition of HDAC [136]. According to the available data, butyrate may be considered a promising strategy for enhancing sustained energy balance.

The obesity is thought to be a primary risk factor for causing the development of type 2 diabetes [117]. Although the supplementation of butyrate can not only aid in avoiding the onset of diabetes by mitigating obesity, butyrate administration as a supplement can also act as an HDAC inhibitor, thereby showing antidiabetogenic features [16]. As thoroughly discussed in previous sections, the role of butyrate in maintaining metabolic homeostasis and facilitating communication between the gut microbiota and metabolism is immensely important. Due to the link between obesity and consequently more advanced conditions, such as type 2 diabetes, it is now recognized as the most preval‎ent metabolic disorder in the human population [137].

Type 2 diabetes is an immensely common disorder in the human population, characterized by the pancreatic β-cells losing their functionality and the development of resistance to insulin in specific target tissues [138]. Consequently, it is defined as comparative insulin insufficiency [138]. This immensely common disorder in the human population, type 2 diabetes, is characterized by the pancreatic β-cells losing their functionality and the development of resistance to insulin in specific target tissues, thus, being defined as comparative insulin insufficiency [138]. On top of that, several studies have underscored the strong connection between the gut microbiota and type 2 diabetes. Within these studies, the significant impact of butyrate on this metabolic disorder has been accentuated. On top of that, several studies have underscored the strong connection between the gut microbiota and type 2 diabetes. Within these studies, the significant impact of butyrate on this metabolic disorder has been accentuated [139,140]. One of the fundamental studies showed that the complaint rate in newly diagnosed patients with type 2 diabetes was positively associated with body mass index, fasting plasma glucose, and being female, with specific symptoms like dry mouth, thirst, and stomach pain linked to fasting plasma glucose [141]. Additionally, symptoms such as shortness of breath, swollen ankles, and heartburn increased with body mass index, while obesity-related symptoms have often been underestimated [141]. Insulin resistance, one of the hallmarks of type 2 diabetes, has been linked to metabolic dysfunctions that contribute to obesity symptoms, such as increased adiposity and chronic low-grade inflammation.

A study conducted by Sanna and her colleagues [142], integrated fecal microbiota metagenomic data with human genome sequencing data. The results indicated that high levels of butyrate production, influenced by the host’s genetic makeup, were elucidated through this integrated approach. This increased butyrate production could be linked to improved insulin feedback to an oral glucose challenge in normoglycemic patients. In addition, another study explored the variation in the gut microbiota during non-nocturnal states [143]. It was revealed that this variation was disrupted in patients diagnosed with type 2 diabetes. Specifically, the rhythmicity of various bacterial species, including Roseburia and F. prausnitzii, was found to be irregular. This lack of rhythmicity is believed to be significant for risk assessment and forecasting of type 2 diabetes.

Many epigenetic modulations in various organs have been identified in connection with type 2 diabetes, with a deeper hypothesis suggesting that butyrate, produced by butyrate-producing bacteria, is a key determining factor [144]. From the gathered information, it is possible to explore type 2 diabetes-related impairments influenced by butyrate levels. HDAC activity was found to be increased, leading to elevated ROS expression‎, especially when butyrate levels in the gut were altered, along with changes in colonic permeability in a non-obese animal model [145].

The previously mentioned HDACs and histone acetyltransferases (HATs) regulate cellular acetylation and secure chromatin [146]. This function of these enzymes explains why they are associated with gene expression‎ and transcriptional changes [146,147]. Therefore, HDACs are key elements in the development of type 2 diabetes, as they significantly influence both lipid and glucose metabolism. The connection between butyrate, HDACs, and type 2 diabetes suggests a potential novel clinical strategy in this context [148,149]. Some other studies also investigated the association between HDAC inhibition and butyrate supplementation. In one study [131], sodium butyrate was administered alongside metformin to explore its effects on diabetes-related disorders in rats. The findings showed that both sodium butyrate and metformin significantly reduced fat accumulation, dyslipidemia, and insulin resistance. Additionally, glucose management improved, and histological damage in specific liver and pancreatic tissues was mitigated. When sodium butyrate and metformin were used together, HDAC activity was suppressed, and gluconeogenesis levels were specifically reduced due to changes in forkhead box protein O1 and glucagon expression‎. Future research should carefully investigate the mechanisms behind the beneficial effects of sodium butyrate and metformin, particularly focusing on how HDAC inhibition contributes to diabetes management. Moreover, combining sodium butyrate with other therapeutic agents might enhance treatment effectiveness and offer new strategies for managing type 2 diabetes, as highlighted by this study [131].

Meanwhile, Gao et al. studied mouse models subjected to a high-fat diet (HFD) [150]. The mice that received 400 mg/kg of butyrate orally exhibited improved glucose tolerance. Specifically, there was a relative increase in the expression‎ levels of phosphorylated adenosine monophosphate kinase (AMPK) and glucose transporter-4 in adipose tissue. Additionally, some of the shifts in the gut microbiota induced by the HFD were reversed [150]. In another study, mouse models were used to investigate the effects of an HFD, which contains 5% butyrate in their HFD as a key regimen [123]. The results of this treatment indicated increased AMPK activity along with improved insulin sensitivity. Additionally, the intervention caused significantly higher energy expenditure, enhanced mitochondrial biogenesis, and stimulated adaptive thermogenesis in BAT [123]. Ultimately, one of the most recent studies explored the relationship between SCFAs, specifically butyrate, and their impact on obesity, glucose regulation, and insulin secretion in individuals with metabolic disorders, especially type 2 diabetes and obesity [151]. In the study, 12 individuals with obesity and type 2 diabetes were selected, along with eight healthy participants. The researchers assessed butyrate concentrations, along with other SCFAs, metabolic indicators, and body composition. These eval‎uations took place before and after a 12-month regimen that included a protein-rich diet, moderate exercise, and standard medication. The results showed significant reductions in body mass index (BMI), visceral fat area, fasting plasma glucose, insulin resistance, and other metabolic markers in the type 2 diabetes group following the intervention. Additionally, levels of butyrate and isobutyrate increased after substantial weight loss. The observed correlation between butyrate and indicators of obesity, such as BMI, visceral fat area, and glucose metabolism, suggests that butyrate, along with other SCFAs, could play a beneficial role in managing metabolic health and obesity. These findings highlight the potential for butyrate to be used as a therapeutic agent for obesity and type 2 diabetes in the near future [151].

Nevertheless, further research is needed to comprehensively understand the actual mechanisms behind these effects and their potential applications for improving human metabolic health. If additional studies are conducted to fully understand the side effects and relevance of butyrate to human physiology, it could pave the way for butyrate and other SCFAs to be utilized in the pharmaceutical and supplement industries. Last but not least, it is evident that dietary resolution is a health concern. Type 2 diabetes has even more catastrophic effects in patients with hypertension, and in this case, butyrate also has an effect against hypertension [152,153], which is often seen in older individuals. One study found that higher fecal butyrate levels were inversely associated with hypertension in overweight and obese cancer survivors, with increases in butyrate over a year linked to lower blood pressure [152]. The findings suggest that butyrate may be a potential target for blood pressure-lowering interventions, though further research is needed to determine its clinical significance.

The observed link between type 2 diabetes and a major decline in butyrate-producing bacteria has prompted growing interest in investigating the therapeutic possibilities of butyrate as a current and future treatment option for type 2 diabetes. Although preclinical research has yielded generally encouraging findings, clinical trials in humans have demonstrated beneficial effects predominantly over the short duration, with significant constraints emerging upon longer eval‎uation. To advance knowledge in this specific field, further research is absolutely essential to identify the gut microbiota factors that could impact butyrate production in type 2 diabetes patients. Such investigations should consider both dietary influences and the unique composition of an individual’s intestinal microbiota. Addressing these elements will provide critical insights into how butyrate therapy could be optimized for managing type 2 diabetes in a personalized and more sustained manner.

3. 부티레이트와 비만의 관계

비만은 다양한 국가에서 급속히 증가하는 질환으로, 인간의 삶의 질과 수명에 전 세계적인 위험을 초래하고 있습니다. 세계보건기구(WHO)는 이 문제를 지속적으로 모니터링하고 있습니다 [114]. 날이 갈수록 비만 비율은 증가하고 있으며, 특히 미국, 터키, 사우디아라비아와 같은 국가에서 사람들의 건강 상태에 대한 심각한 문제로 부상하고 있습니다 [115]. 이 증가 추세는 비만 인구가 비비만 인구를 곧 추월할 수 있다는 우려를 낳고 있습니다. 식습관, 생활 방식, 일상적인 운동 부족이 비만의 발병을 가속화하는 주요 원인으로 지목되고 있습니다. 이 문제에 대한 연구가 진행 중이며, 특히 비만 환자에게 부티레이트를 활용하는 데서 주목할 만한 결과가 나타나고 있습니다.

비만은 과도한 지방 축적으로 인해 심각한 체중 증가를 초래하며 건강에 심각한 부정적 영향을 미치는 상태로 정의됩니다 [116]. 부티레이트는 체중을 유지하는 데 기여할 수 있으며, 에너지 이용이나 전반적인 섭취 감소에 영향을 미칠 수 있다는 합리적인 추측이 제기되고 있어, 부티레이트가 에너지 균형의 핵심 요소로 자리매김하고 있습니다 [117]. 체내 지방 조직의 과도한 축적에 부티레이트가 어떻게 영향을 미치는지 이해하려면 장 미생물군과 비만과의 가능성 있는 연관성을 조사하는 것이 필수적입니다. 비만 발달과 환경적 영향 사이의 인과적 연결고리로 작용할 수 있는 주목할 만한 가설은 장 내 미생물이 장 내 환경을 형성한다는 점입니다. 이는 미생물군이 에너지 조절, 기질 소비 및 생산에 관여한다는 증거가 점점 더 증가하고 있음을 시사합니다 [18]. 또한 이전에 논의된 바와 같이, 장 미생물군의 이상 상태인 디스바이오시스(dysbiosis)는 장벽 기능 저하로 인해 대사, 염증, 면역 기능의 국소적 및 전신적 장애를 유발합니다 [118]. 결과적으로 장 미세환경은 영양소의 대사 및 체내 진입과 유지 조절을 통해 칼로리 섭취와 소모 사이의 간극을 닫을 수 있습니다 [118]. SCFA 중에서도 부티레이트는 많은 사회에서 널리 퍼진 비만과 대사 장애를 완화하는 능력으로 특히 인정받고 있으며, 이 효과는 에너지 균형을 유지하는 호르몬과 매개체의 정밀한 조절을 통해 달성됩니다 [7].

연구 결과, 인간에서 부티레이트 생산에 관여하는 미생물의 감소가 대사 장애 위험 증가와 연관되어 있으며, 이는 부티레이트가 비만 관련 대사 불균형을 완화하는 데 중요한 역할을 한다는 점을 강조합니다 [118]. 따라서 이 발효 부산물의 미생물학적 기원 조사와 식이 변화 및 장 기능이 그 수준과 합성 속도에 미치는 영향을 평가하는 것은 필수적입니다.

최근 소화관에서 부티레이트의 맛과 전달을 개선하기 위한 기술적 탐구가 진행 중이며, 식단에 나트륨 부티레이트 보충제를 포함하는 것은 비만과 당뇨병을 주요 대상으로 하는 임상 및 동물 연구에서 가장 주목받는 방법 중 하나입니다 [119]. 소듐 부티레이트의 장 내 방출을 지연시키는 데 널리 사용되는 이 기술은 셀룰로오스 기반 캡슐에 캡슐화하는 방법을 포함합니다 [120]. 부티르산은 약리학적 및 임상 연구를 통해 안전한 화합물로 인정받았으며, 150~300mg의 치료 용량에서 이상 부작용이나 임상적 이상이 관찰되지 않았습니다 [121]. 또한 하루 최대 2,000mg의 고용량에서도 이상 효과의 흔적이 관찰되지 않았습니다 [12,122]. 최근 연구에서는 고지방 식이(HFD)를 섭취한 동물에서 대조군(HFD만 섭취)과 비교해 혈청 트리글리세라이드 수치와 호흡 교환 비율의 중요한 변화가 관찰됨에 따라 부티레이트가 지방산 산화 촉진에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다 [123,124,125]. 또한 다른 연구에서는 부티레이트가 갈색 지방 조직(BAT)의 지질 수치를 유의미하게 감소시켰으며, 간과 근육 조직에서는 다소 덜한 효과가 관찰되었습니다 [126].

여러 연구에서 두 가지 다른 방법 모두 체중 변화의 공통된 감소를 보여주었습니다: 식품에 추가 보충제로 투여[123,127,128] 또는 직접 경구 투여[124,129,130]], 이는 고지방 식이(HFD)를 섭취한 쥐에서 대조군(HFD만 섭취)과 비교하여 체중 감소 및 증가, 지방 비율의 변동을 포함합니다. 이 결과는 부티레이트가 식이 유발성 비만(DIO)의 치료 또는 예방에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 복강 내 주사를 통해 나트륨 부티레이트를 투여한 결과, 부티레이트 보충 식이를 섭취한 쥐에서 10주 연속으로 체중 증가가 유의미하게 감소하는 긍정적이고 일관된 결과가 관찰되었습니다 [131]. 일일 식단에 부티레이트를 추가하는 것은 대사적 특징과 조절 효과를 포함해 다양한 효과를 보여주며, 특히 고지방 식이 유발 비만 및 관련 질환의 예방에 중요한 역할을 합니다. 이는 주로 동물 모델에서 관찰되었습니다 [132,133,134].

Pelgrim 등[133]의 연구에서는 다양한 연령대의 저밀도 지단백질 수용체 결핍 Leiden 마우스에서 고지방 식이(HFD)의 영향을 대사 및 지방 조직의 부티레이트 조절 및 결과에 초점을 맞춰 조사했습니다. 결과는 지방세포 비대, 염증성 아디포카인의 수와 활동 증가를 보여주었으며, 이는 HFD가 염증 증가의 원천임을 확인했습니다. 식이 요법에 부티레이트를 추가한 결과, 일일 칼로리 섭취량과 무관하게 체중과 지방량이 유의미하게 감소했으며, 이는 지방세포가 더 단단하고 작아진 것으로 확인되었습니다. 그러나 이 효과는 주로 노인 그룹에서 관찰되었으며, 특히 65세 전후의 노인에서는 지방세포 크기 감소가 덜 명확했습니다. 흥미롭게도, 지방세포 크기의 유의미한 감소가 없었음에도 불구하고 인슐린 수치가 감소했으며 염증 활동도 감소했습니다. 따라서 본 연구에서 관찰된 부티레이트의 효과는 특히 활동 수준이 다양한 노인에서 비만 관련 대사 장애와 염증을 개선하는 잠재력을 강조합니다.

또한, 마우스에 나트륨 부티레이트를 보충한 결과 간과 췌장의 이상에 대한 보호 효과가 확인되었습니다. 이는 다른 연구에서 나트륨 부티레이트의 동물 모델에 대한 효과를 조사한 결과, 간 지방증의 유의미한 감소와 췌장 내 지방 축적의 현저한 감소로 나타났습니다 [134]. 이 연구의 치료 관련 노력은 인슐린 저항성의 변동과 인슐린 분비 안정화를 초래했습니다. 결과적으로 β 세포의 크기가 눈에 띄게 증가했으며, 이는 혈당 수치 조절의 안정화와 일치했습니다. 부티레이트는 특히 클라우딘-1 수준 증가와 장 투과성 감소로 장 건강을 개선했습니다. 요약하자면, 부티레이트는 장 건강을 향상시킬 잠재력을 가지고 있으며, 따라서 대사 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

인간 대상 추가 연구에서, 다양한 대사 장애를 진단받은 비만 환자에게 매일 4g의 나트륨 부티레이트를 투여한 결과, LPS에 대한 선천성 면역 기억이 강화되고 IL-6 및 Pam3CSK4 유발 TNF-α 반응이 증가했으며, 동시에 산화 저밀도 지단백질(oxLDL) 수치가 감소했습니다. 이러한 항염증 및 면역 조절 효과의 중요성을 고려할 때, 부티레이트 보충은 비만과 밀접하게 관련된 동맥 벽 염증의 진행을 늦추고 동맥경화증의 발병을 예방하는 새로운 치료법이 될 수 있습니다 [135]. 부티레이트의 항염증 효과는 특히 HDAC 억제를 통해 에피제네틱 조절제로서의 역할로 인해 인정받고 있습니다 [136]. 사용 가능한 데이터에 따르면, 부티레이트는 지속적인 에너지 균형을 향상시키는 유망한 전략으로 고려될 수 있습니다.

비만은 제2형 당뇨병의 주요 위험 요인으로 여겨집니다 [117]. 부티레이트 보충은 비만을 완화하여 당뇨병 발병을 예방하는 데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 보충제로 투여될 경우 HDAC 억제제로 작용하여 항당뇨병 효과를 나타낼 수 있습니다 [16]. 이전 섹션에서 자세히 논의된 바와 같이, 부티레이트는 대사 균형 유지와 장 미생물과 대사 사이의 소통을 촉진하는 데 있어 극히 중요한 역할을 합니다. 비만과 그로 인한 더 심각한 질환인 제2형 당뇨병 사이의 연관성 때문에, 이는 현재 인간 인구에서 가장 흔한 대사 장애로 인정받고 있습니다 [137].

제2형 당뇨병은 인간 인구에서 매우 흔한 질환으로, 췌장의 β-세포 기능 상실과 특정 표적 조직에서의 인슐린 저항성 발달로 특징지어집니다 [138]. 따라서 상대적 인슐린 결핍으로 정의됩니다 [138]. 인간 인구에서 매우 흔한 질환인 제2형 당뇨병은 췌장의 β-세포 기능 상실과 특정 표적 조직에서의 인슐린 저항성 발달로 특징지어지며, 따라서 상대적 인슐린 결핍으로 정의됩니다 [138]. 또한 여러 연구에서 장 미생물군과 제2형 당뇨병 간의 강한 연관성이 강조되었습니다. 이러한 연구에서 부티레이트가 이 대사 장애에 미치는 중요한 영향이 강조되었습니다. 또한 여러 연구에서 장 미생물과 제2형 당뇨병 사이의 강한 연관성이 강조되었습니다. 이러한 연구에서 부티레이트가 이 대사 장애에 미치는 중요한 영향이 강조되었습니다 [139,140]. 기본적인 연구 중 하나는 제2형 당뇨병으로 신규 진단받은 환자의 증상 발생률이 체질량 지수, 공복 혈당, 여성 성별과 긍정적으로 연관되었으며, 공복 혈당과 관련된 특정 증상(구강 건조, 갈증, 복통)이 관찰되었다고 보고했습니다 [141]. 또한, 호흡 곤란, 발목 부기, 위산 역류와 같은 증상은 체질량 지수와 함께 증가했으며, 비만 관련 증상은 종종 과소평가되어 왔습니다 [141]. 제2형 당뇨병의 주요 특징 중 하나인 인슐린 저항성은 비만 증상(예: 지방량 증가, 만성 저등급 염증)에 기여하는 대사 장애와 연관되어 있습니다.

Sanna와 동료들이 수행한 연구[142]는 분변 미생물군집 메타게놈 데이터와 인간 유전체 시퀀싱 데이터를 통합했습니다. 이 통합 접근법을 통해 호스트의 유전적 구성에 영향을 받는 부티레이트 생산량이 높다는 것이 밝혀졌습니다. 이 증가된 부티레이트 생산은 정상 혈당 환자에서 구강 포도당 부하에 대한 인슐린 피드백 개선과 연관될 수 있습니다. 또한 다른 연구는 비야간 상태에서의 장 미생물 다양성 변화를 탐구했습니다 [143]. 이 연구에서 제2형 당뇨병 진단을 받은 환자에서 이러한 다양성이 교란되었음이 밝혀졌습니다. 특히 Roseburia와 F. prausnitzii를 포함한 다양한 세균 종의 리듬성이 불규칙한 것으로 나타났습니다. 이 리듬성의 결여는 제2형 당뇨병의 위험 평가 및 예측에 중요한 역할을 할 것으로 추정됩니다.

2형 당뇨병과 연관된 다양한 장기에서의 에피제네틱 조절이 식별되었으며, 더 깊은 가설은 부티레이트 생성 세균에 의해 생성되는 부티레이트가 핵심 결정 요인이라는 점을 제시합니다 [144]. 수집된 정보를 바탕으로 부티레이트 수준에 의해 영향을 받는 제2형 당뇨병 관련 장애를 탐구할 수 있습니다. 부티레이트 수준이 장에서 변화할 때 HDAC 활성이 증가하여 ROS 발현이 증가했으며, 비비만 동물 모델에서 대장 투과성 변화도 관찰되었습니다 [145].

앞서 언급된 HDAC와 히스톤 아세틸전달효소(HATs)는 세포 내 아세틸화를 조절하고 염색질 구조를 유지합니다 [146]. 이 효소들의 기능은 유전자 발현과 전사 변화와 연관되어 있음을 설명합니다 [146,147]. 따라서 HDAC는 지방 및 포도당 대사 모두에 큰 영향을 미치기 때문에 제2형 당뇨병 발병에 핵심 요소입니다. 부티레이트, HDAC, 제2형 당뇨병 간의 연관성은 이 맥락에서 잠재적인 새로운 임상 전략을 제시합니다 [148,149]. 다른 연구들도 HDAC 억제와 부티레이트 보충의 연관성을 조사했습니다. 한 연구 [131]에서는 쥐에서 당뇨병 관련 장애에 대한 영향을 탐구하기 위해 메트포르민과 함께 나트륨 부티레이트를 투여했습니다. 연구 결과, 나트륨 부티레이트와 메트포르민 모두 지방 축적, 이상지질혈증, 인슐린 저항성을 유의미하게 감소시켰습니다. 또한 혈당 관리가 개선되었으며, 특정 간 및 췌장 조직의 조직학적 손상이 완화되었습니다. 나트륨 부티레이트와 메트포르민을 함께 사용했을 때 HDAC 활성이 억제되었으며, 포크헤드 박스 단백질 O1 및 글루카곤 발현 변화로 인해 글루코네오제네시스 수준이 특이적으로 감소했습니다. 향후 연구에서는 나트륨 부티레이트와 메트포르민의 유익한 효과의 메커니즘을 신중하게 조사해야 하며, 특히 HDAC 억제가 당뇨병 관리에 어떻게 기여하는지에 초점을 맞춰야 합니다. 또한, 이 연구에서 강조된 바와 같이, 나트륨 부티레이트를 다른 치료제와 결합하면 치료 효과를 향상시키고 제2형 당뇨병 관리에 새로운 전략을 제공할 수 있습니다 [131].

한편, Gao 등(Gao et al.)은 고지방 식이(HFD)를 투여받은 쥐 모델을 연구했습니다 [150]. 400 mg/kg의 부티레이트를 경구 투여받은 쥐는 혈당 내성이 개선되었습니다. 구체적으로, 지방 조직에서 인산화 아데노신 모노포스페이트 키나제(AMPK)와 글루코스 운반체-4의 발현 수준이 상대적으로 증가했습니다. 또한, HFD에 의해 유발된 장 미생물군집의 일부 변화가 역전되었습니다 [150]. 또 다른 연구에서는 HFD에 5% 부티레이트를 주요 처방으로 포함시킨 HFD를 투여받은 쥐 모델을 사용하여 효과를 조사했습니다 [123]. 이 치료 결과 AMPK 활성 증가와 함께 인슐린 감수성이 개선되었습니다. 또한, 이 개입은 에너지 소비량 증가, 미토콘드리아 생합성 강화, 갈색 지방 조직(BAT)에서의 적응성 열생성 자극을 유발했습니다 [123]. 최신 연구 중 하나는 대사 장애, 특히 제2형 당뇨병과 비만 환자를 대상으로 SCFAs(특히 부티레이트)와 비만, 혈당 조절, 인슐린 분비 간의 관계를 탐구했습니다 [151]. 이 연구에서는 제2형 당뇨병과 비만을 가진 12명의 참가자와 건강한 대조군 8명이 선정되었습니다. 연구진은 부티레이트 농도, 다른 SCFAs, 대사 지표, 체성분을 평가했습니다. 이 평가들은 단백질 풍부한 식단, 적당한 운동, 표준 약물 치료를 포함한 12개월 프로그램 전후에 진행되었습니다. 결과적으로 2형 당뇨병 그룹에서 체질량 지수(BMI), 내장 지방 면적, 공복 혈당, 인슐린 저항성 및 기타 대사 지표가 유의미하게 감소했습니다. 또한 상당한 체중 감량 후 부티레이트와 이소부티레이트 수치가 증가했습니다. 부티레이트와 비만 지표(BMI, 내장 지방 면적, 포도당 대사) 간의 관찰된 상관관계는 부티레이트가 다른 SCFAs와 함께 대사 건강 및 비만 관리에 유익한 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 이 결과는 부티레이트가 가까운 미래에 비만과 제2형 당뇨병 치료제로 활용될 잠재력을 강조합니다 [

그러나 이러한 효과의 실제 메커니즘과 인간 대사 건강 개선을 위한 잠재적 응용을 포괄적으로 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 부티레이트의 부작용과 인간 생리학에 대한 관련성을 완전히 이해하기 위한 추가 연구가 진행된다면, 부티레이트와 다른 SCFAs가 제약 및 보충제 산업에서 활용될 수 있는 길을 열 수 있을 것입니다. 마지막으로, 식이 요인의 해결은 건강 문제로 부각되고 있습니다. 제2형 당뇨병은 고혈압 환자에게 더욱 심각한 영향을 미치며, 이 경우 부티레이트는 고혈압에 대한 효과도 보여줍니다 [152,153], 이는 노인에서 자주 관찰됩니다. 한 연구에서 과체중 및 비만 암 생존자에서 분변 부티레이트 수치가 고혈압과 역상관 관계를 보였으며, 1년간 부티레이트 증가가 혈압 감소와 연관되었다고 보고되었습니다 [152]. 이 결과는 부티레이트가 혈압 강하 치료법의 잠재적 표적이 될 수 있음을 시사하지만, 임상적 의미를 확인하기 위해 추가 연구가 필요합니다.

제2형 당뇨병과 부티레이트 생성 세균의 급격한 감소 사이의 연관성은 부티레이트를 현재 및 미래의 제2형 당뇨병 치료 옵션으로 탐구하는 데 대한 관심을 높이고 있습니다. 전임상 연구는 일반적으로 긍정적인 결과를 보여주었지만, 인간 대상 임상 시험에서는 주로 단기적 기간에 유익한 효과가 관찰되었으며, 장기 평가 시 중요한 제한 사항이 나타났습니다. 이 특정 분야에서의 지식을 진전시키기 위해, 제2형 당뇨병 환자의 부티레이트 생산에 영향을 미칠 수 있는 장 미생물 요인을 식별하기 위한 추가 연구가 절대적으로 필요합니다. 이러한 연구는 식이 요인과 개인의 장 미생물 구성의 독특한 특성을 모두 고려해야 합니다. 이러한 요소를 해결하면 부티레이트 치료가 제2형 당뇨병 관리를 위해 개인 맞춤형으로 더 지속 가능한 방식으로 최적화될 수 있는 중요한 통찰력을 제공할 것입니다.

표 2는 부티레이트 유도 모델을 활용한 일반적인 대사 장애 연구를 보여줍니다.

표 2. 부티레이트 유도 모델을 활용한 일반적인 대사 장애 연구.

Table 2 shows several studies on butyrate-induced models of common metabolic disorders.

Table 2. Several studies on butyrate-induced models of common metabolic disorders.

4. Butyrate as a Neurological Health Enhancer

There is ongoing global interest in the gut microbiota and its relevance to the nervous system. Therefore, the physiological role of the central nervous system, and consequently both human and animal behavior, is influenced by the existence, metabolism, and activity of microorganisms [154]. The relationship between our gut microbiota and nervous system is a large part of the gut–brain axis that has attracted increasing interest in recent years [155]. This network includes the central nervous system, incorporating the enteric nervous system, the autonomic nervous system, the neuroendocrine system, the neuroimmune system, and the gut microbiota. These components collectively interact to form a comprehensive communication system that links the gastrointestinal tract with the brain, facilitating complex regulatory and feedback mechanisms [156]. The occurrence of balance disruption in gut microbiota may cause changes in the brain, specifically in how it functions. These changes could be associated with various neurological disorders, such as Autism Spectrum Disorder, Parkinson’s disease, and Alzheimer’s disease [157,158,159]. Even though the relationship between the gut microbiota and alterations in the brain is not yet fully understood, there are various pathways that are thought to be involved in this complex and multifaceted connection [155]. It is well established that gut bacteria possess significant metabolic capability, and several microbe-related metabolites are able to enter the bloodstream and potentially penetrate the blood–brain barrier, allowing them to influence brain function and possibly contribute to neurological health or disease [155]. These so-called microbe-oriented neurotransmitters, primarily gamma-aminobutyric acid (GABA) and serotonin, are believed to have the ability to modulate the immune response, alter epigenetic markers, and generate bioactive compounds [160,161,162].

Butyrate, in relation to the brain, exerts beneficial effects indirectly by enhancing the overall cohesion and stability of the intestinal barrier, which plays a critical role in maintaining gut health. It is widely recognized that the intestines are often referred to as the “second brain” of the human body, highlighting their significant influence on overall health and neurological function. In addition to these benefits, butyrate modulates the immune system and stimulates the release of glucagon-like peptide-1 and peptide YY in the periphery by activating GPCRs in enteroendocrine cells, contributing to improved metabolic and gut–brain signaling processes [163,164]. To date, butyrate has been identified as an activator of GPCRs. These previously mentioned receptors include GPR43, which has been renamed free fatty-acid receptor 2 (FFAR2), GPR41, now referred to as free fatty-acid receptor 3 (FFAR3), as well as GPR109a and GPR164, which has been renamed OR51E1 and is known as Olfr558 in mice. [165]. This topic emphasizes the intricate interactions between butyrate and these specific GPCRs, further emphasizing its role in various physiological processes mediated through receptor signaling pathways.

Butyrate plays a significant role in interacting with these GPCRs, particularly FFAR3 and GPR109a, thereby influencing both energy metabolism and inflammatory processes [166]. FFAR3, which is activated by butyrate, has been found to regulate the sympathetic nervous system and intestinal gluconeogenesis, suggesting its importance in both neural and metabolic functions [167]. Meanwhile, GPR109a is another key receptor activated by butyrate and expressed in colon cells and microglia, where it mediates strong anti-inflammatory effects [155]. The activation of GPR109a in colon cells has been linked to the induction of apoptosis, particularly in colon cancer cells, highlighting its potential role in cancer therapy [168]. Additionally, in models of Parkinson’s disease, GPR109a activation has been shown to reduce neuroinflammation, further illustrating its neuroprotective properties [169,170]. Interestingly, although β-hydroxybutyrate, another metabolite, acts as an antagonist of FFAR3, it functions as an agonist for GPR109a, which points to its potential utility in anti-inflammatory therapies [171]. This dual action underscores the therapeutic value of targeting these receptors for various conditions, including inflammation and neurodegenerative diseases.

On the other hand, the relationship between SCFAs and butyrate in SCFA receptors is quite significant due to their roles in immunity, including the management of neuroinflammation, the host energy-metabolic processes, and the neuroendocrine control of bodily actions and behavior. Major psychiatric disorders, such as depression, have demonstrated a remarkable reduction in mental illness-like behavior in animal models when histone hyperacetylation is stimulated by butyrate, underscoring its considerable impacts [172]. Additionally, the suppression of HDAC is strongly associated with autism spectrum disorders at the cellular basis, which are marked by reduced neural inhibitory signaling, particularly GABAergic signaling [173]. Since it is well established that butyrate possesses the important ability to cross the blood–brain barrier and acts as an inhibitor of HDACs, it can also alter the gut activity by influencing macrophages and lowering the synthesis of pro-inflammatory cytokines in response to LPS through its HDAC inhibitory activity [174]. Consequently, this modulation enhances systemic defense, with a particular benefit to brain defense mechanisms, underscoring the broader implications of butyrate’s effects on both gut and brain health [174,175].

A study primarily highlighted the use of butyrate in Black and Tan BRachyury (BTBR) mice as a model to investigate autism-related features [176]. It was found that the models, when administered a low dose of 100 mg/kg, were insufficient to produce measurable changes in histone acetylation, particularly in the prefrontal cortex. However, although the changes in histone acetylation were not significant, other social challenges within the model animals were alleviated. In another study, Gagliano and colleagues aimed to investigate the stress-like effects of sodium butyrate specifically targeting the hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis. Their findings revealed that administering a higher dosage of sodium butyrate, at 1200 mg/kg, was effective in inducing a stress-like response within the HPA axis. In contrast, a significantly lower dosage of sodium butyrate, at 200 mg/kg, was found to be insufficient to trigger the same stress response, demonstrating a clear dose-dependent effect [177]. An alternative study emphasized sodium butyrate’s role as an HDAC inhibitor and its potential as a novel neuroprotective compound against stroke and neurodegenerative disorders [23]. The experiments demonstrated that brain damage in mouse models was effectively attenuated, thus, preserving brain integrity with sodium butyrate administration. However, the use of sodium butyrate was found to be quite challenging in laboratory conditions due to potential toxic effects. In this context, it is believed that further developments are needed to avoid toxicity while maintaining its neuroprotective properties, so that butyrate can present its full potential for therapeutic use in patients suffering from neurological disorders, ultimately aiding in neurological recovery. A different study was performed on mouse models carrying Alzheimer’s disease [178]. The models were subjected to a diet composed solely of a rich fiber source, fructans, to reestablish gut modifications. After the specific diet, the levels of butyrate-producing bacteria in the microbiota significantly increased, along with the amount of butyrate in the fecal composition. The mice exhibited improved cognitive and spatial memory, as well as reduced anxiety. These changes were significant compared to the control groups, which were given either antibiotics or a regular daily diet [178]. A study conducted by Matt and his teammates found a significant correlation between the administration of sodium butyrate and its effects observed in both young and old mice groups [19]. The research demonstrated that when sodium butyrate was introduced to these mouse models, there was a notable and drastic reduction in the expression‎ levels of IL-1β genes within both the microglia and the hippocampus. Additional studies on Alzheimer’s disease have shown that the introduction of sodium butyrate supplementation resulted in the induction of expression‎ levels in learning-related genes and the reestablishment of histone acetylation. [179,180].

The details of these studies reveal that sodium butyrate administration to the models had significantly positive influences on contextual memory in transgenic models, even at the terminal phases of Alzheimer’s disease. However, such significant outcomes were not observed in wild-type models. In addition to globally threatening neurological disorders, Parkinson’s disease was also subjected to sodium butyrate treatment in mouse models for a study [181]. The results indicated an alleviation of motor impairments, an increase in dopamine levels in the striatum, and a reduction in stress caused by reactive oxygen species (ROS) and neuroinflammation. Interestingly, global acetylation levels of histone H3 and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) were increased [181]. Another study similarly found that sodium butyrate supplementation in dopaminergic cells helped hinder the onset of apoptosis and facilitated DNA damage repair in vitro [182]. Since sodium butyrate has demonstrated a variety of effects [23,155,169,183], including neuroprotection in Parkinson’s disease models as well as mitigation of cisplatin-induced hearing loss, its potential therapeutic benefits extend across different types of conditions. Meanwhile, Kratsman et al. investigated the effects of sodium butyrate administration in autistic mouse models [176]. The team found that sodium butyrate administration specifically increased the expression‎ levels of inhibitory genes in the frontal cortex while suppressing excitatory genes, thereby inducing an overall increase in inhibitory gene expression‎. The experiments suggested that low doses of sodium butyrate (100 mg/kg) were not a significant parameter, as the differences in results between dosage treatments were not substantial. Despite this, social impairments were still interestingly mitigated [176].

Alongside this, Huntington’s disease is also demonstrating its significant influence as another highly risky neurological disorder that poses considerable challenges. Extensive studies oriented towards Huntington’s disease have been conducted across various animal models, aiming to understand its effects more comprehensively. The results from these studies indicated that the administration of supplements such as sodium butyrate and phenylbutyrate—phenylbutyrate being an analog of butyrate—led to the restoration of histone acetylation. As a consequence of these findings, the level of apoptosis in neuronal cells was notably reduced, and, as a result, the life expectancy of the mice used in the studies was observed to have increased [184,185]. More substantially, additional studies uncovered that sodium butyrate has the ability to replenish Complexes I, II, III, and IV, as well as counteract the inhibition of the Krebs cycle caused by amphetamines and ouabain in animal models exhibiting mania [186,187,188]. This feature may, therefore, singularly assist in fixing the disease-oriented mitochondrial abnormality in the brain.

Several butyrate-producing bacteria, including Faecalibacterium prausnitzii and Roseburia intestinalis, were found to be significantly elevated in models, such as pigs when fed a diet abundant in arabinoxylan. This diet was compared to one consisting of a standard and highly resistant starch percentage. The results indicated that the diet rich in arabinoxylan had a considerably greater impact on the levels of these beneficial bacteria compared to both the resistant starch diet and the standard diet [189,190].

In a key study, Amoldussen and their colleagues [132] attempted to observe whether an HFD influenced changes in mid- and late-adult low-density lipoprotein-receptor knockout mice while consistently supplementing them with butyrate. They found that an HFD in middle-aged mice resulted in elevated neuroinflammation, as evidenced by the increased activation of microglia, the brain’s immune cells. This rise in inflammation was related to a decrease in functional connectivity within the somatosensory cortex and hippocampus, regions known to be essential for sensory processing and memory [132]. These findings by Amoldussen and their team suggest a highly potential link between dietary habits, brain inflammation, and reduced brain connectivity. Late-adult mice, in comparison to middle-aged mice, did not show a significant impact from the additional butyrate procedure. This lack of effect is expected because the circulatory system in late-adult mice is undergoing permanent senescence. This study revealed that butyrate influences gut microbiota linked to liver fibrosis and neuroinflammation, demonstrating its potential in reducing cognitive impairment associated with obesity. However, its efficacy is more significant in middle age and less effective in late adulthood due to accelerated senescence.

Sodium butyrate demonstrates markedly superior immunological and neurological benefits when compared to butyrate derived from a high-fiber diet. This amplified effectiveness is likely due to the direct administration of sodium butyrate in higher doses, while dietary butyrate generally affects brain function through gut-related pathways. Current literature emphasizes the importance of the gut–brain axis and nutrition in both disease development and treatment. To better understand the potential benefits, future research should explore the neuroepigenetic effects of dietary butyrate more thoroughly. The dose–response relationship should be examined more precisely in future studies to determine how much specific butyrate actually reaches the brain. Such research could reveal the therapeutic potential of butyrate more clearly. Additionally, the synergistic effects of various types of dietary fiber and fermented foods should be considered, as their combination could significantly increase butyrate levels and optimize its benefits. In Table 3, we can see some investigations that indicate the relationship between butyrate and neurological effects in models. Figure 3 presents a diagram displaying the multiple positive effects of butyrate on body health.

4. 부티레이트: 신경 건강 증진제

장 미생물군과 신경계와의 관련성에 대한 전 세계적인 관심이 지속되고 있습니다. 따라서 중추 신경계의 생리적 역할, 그리고 인간과 동물의 행동은 미생물의 존재, 대사, 활동에 의해 영향을 받습니다 [154]. 장 미생물군과 신경계 사이의 관계는 최근 몇 년간 주목받고 있는 장-뇌 축의 주요 부분입니다 [155]. 이 네트워크는 중추 신경계를 포함하여 장 신경계, 자율 신경계, 신경내분비계, 신경면역계, 장 미생물군으로 구성됩니다. 이 구성 요소들은 종합적인 통신 시스템을 형성하여 위장관과 뇌를 연결하며, 복잡한 조절 및 피드백 메커니즘을 촉진합니다 [156]. 장내 미생물의 균형 파괴는 뇌의 기능에 변화를 일으킬 수 있으며, 이는 자폐 스펙트럼 장애, 파킨슨병, 알츠하이머병과 같은 다양한 신경학적 장애와 연관될 수 있습니다 [157,158,159]. 장 미생물군집과 뇌 변화 간의 관계는 아직 완전히 이해되지 않았지만, 이 복잡하고 다면적인 연결에 관여하는 다양한 경로가 제안되고 있습니다 [155]. 장 세균은 상당한 대사 능력을 갖추고 있으며, 여러 미생물 관련 대사산물은 혈류로 들어가 혈액-뇌 장벽을 통과해 뇌 기능에 영향을 미치고 신경학적 건강 또는 질환에 기여할 수 있습니다 [155]. 이러한 미생물 중심 신경전달물질로 알려진 물질은 주로 감마-아미노부티르산(GABA)과 세로토닌으로, 면역 반응 조절, 에피게놈 마커 변화, 생물활성 화합물 생성 능력을 갖추고 있다고 믿어집니다 [160,161,162].

부티레이트는 뇌와 관련하여 장벽의 전체적인 응집력과 안정성을 강화함으로써 간접적으로 유익한 효과를 발휘합니다. 장벽은 장 건강 유지에 결정적인 역할을 합니다. 장이 인간의 '제2의 뇌'로 자주 언급되는 것은 전체 건강과 신경 기능에 미치는 중요한 영향을 강조합니다. 이 외에도 부티레이트는 장내 내분비 세포의 GPCR을 활성화하여 말초에서 글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1)과 펩타이드 YY의 분비를 자극함으로써 면역 시스템을 조절하고 대사 및 장-뇌 신호 전달 과정을 개선하는 데 기여합니다 [163,164]. 현재까지 부티레이트는 GPCR의 활성화제로 확인되었습니다. 앞서 언급된 수용체에는 GPR43(자유 지방산 수용체 2, FFAR2로 재명명됨), GPR41(자유 지방산 수용체 3, FFAR3로 재명명됨), GPR109a 및 GPR164(OR51E1로 재명명됨, 쥐에서는 Olfr558로 알려져 있음)가 포함됩니다. [

165]. 이 주제는 부티레이트와 이러한 특정 GPCR 간의 복잡한 상호작용을 강조하며, 수용체 신호 전달 경로를 통해 매개되는 다양한 생리적 과정에서의 역할을 더욱 부각시킵니다.

부티레이트는 특히 FFAR3와 GPR109a와 상호작용하여 에너지 대사 및 염증 과정에 영향을 미칩니다 [166]. 부티레이트에 의해 활성화되는 FFAR3는 교감 신경계와 장 내 글루코네오게네시스를 조절하는 것으로 밝혀져 신경 및 대사 기능 모두에서 중요성을 시사합니다 [167]. 한편, GPR109a는 부티레이트에 의해 활성화되는 또 다른 주요 수용체로, 대장 세포와 미세아교세포에서 발현되며 강력한 항염증 효과를 매개합니다 [155]. 대장 세포에서의 GPR109a 활성화는 특히 대장 암 세포에서의 아포토시스 유도와의 연관성이 밝혀져 암 치료에서의 잠재적 역할을 강조합니다 [168]. 또한 파킨슨병 모델에서 GPR109a 활성화는 신경염증을 감소시키는 것으로 나타났으며, 이는 그 신경 보호 특성을 더욱 강조합니다 [169,170]. 흥미롭게도, 다른 대사산물인 β-하이드록시부티레이트는 FFAR3의 길항제로 작용하지만 GPR109a의 작용제로 기능하며, 이는 항염증 치료법에서의 잠재적 유용성을 시사합니다 [171]. 이 이중 작용은 염증 및 신경퇴행성 질환을 포함한 다양한 질환에서 이러한 수용체를 표적으로 삼는 치료적 가치를 강조합니다.

반면, SCFA와 SCFA 수용체에서의 부티레이트의 관계는 면역 기능, 특히 신경염증 관리, 호스트 에너지 대사 과정, 신체 행동 및 행동의 신경내분비 조절 등에서의 역할로 인해 매우 중요합니다. 우울증과 같은 주요 정신 질환은 동물 모델에서 부티레이트에 의해 히스톤 과아세틸화가 자극될 때 정신 질환 유사 행동이 현저히 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 그 영향력이 상당함을 강조합니다 [172]. 또한 HDAC 억제는 신경 억제 신호 전달, 특히 GABAergic 신호 전달이 감소하는 특징을 보이는 자폐 스펙트럼 장애와 세포 수준에서 강하게 연관되어 있습니다 [173]. 부티레이트가 혈액-뇌 장벽을 통과하는 중요한 능력을 갖추고 HDAC 억제제로 작용한다는 것이 잘 알려져 있기 때문에, 부티레이트는 HDAC 억제 활성을 통해 LPS에 대한 반응으로 대식세포의 활동을 조절하고 염증성 사이토카인의 합성을 감소시켜 장 활동을 변화시킬 수 있습니다 [174]. 이로 인해 이 조절은 전신 방어 메커니즘을 강화하며, 특히 뇌 방어 메커니즘에 이점을 제공하여 부티레이트의 장과 뇌 건강에 대한 광범위한 영향을 강조합니다 [174,175].

한 연구는 BTBR(Black and Tan BRachyury) 마우스를 모델로 자폐증 관련 특성을 조사하기 위해 부티레이트의 사용을 주로 강조했습니다 [176]. 연구 결과, 100 mg/kg의 저용량을 투여한 모델은 히스톤 아세틸화에서 측정 가능한 변화를 유발하지 못했으며, 특히 전전두엽 피질에서 이 변화가 두드러지지 않았습니다. 그러나 히스톤 아세틸화의 변화가 유의미하지 않았음에도 불구하고, 모델 동물 내의 다른 사회적 도전 과제는 완화되었습니다. 또 다른 연구에서 Gagliano와 동료들은 나트륨 부티레이트가 시상하부-뇌하수체-부신 축(HPA 축)을 표적으로 한 스트레스 유사 효과를 조사했습니다. 그들의 결과는 1200 mg/kg의 높은 용량의 나트륨 부티레이트 투여가 HPA 축 내에서 스트레스 유사 반응을 유발하는 데 효과적임을 보여주었습니다. 반면, 200 mg/kg의 훨씬 낮은 용량은 동일한 스트레스 반응을 유발하지 못했으며, 이는 명확한 용량 의존적 효과를 보여주었습니다 [177]. 다른 연구에서는 나트륨 부티레이트의 히스톤 탈아세틸화 효소(HDAC) 억제제 역할과 뇌졸중 및 신경퇴행성 질환에 대한 새로운 신경 보호 화합물로써의 잠재력을 강조했습니다 [23]. 실험 결과, 마우스 모델에서 뇌 손상이 효과적으로 완화되어 나트륨 부티레이트 투여로 뇌의 무결성이 유지되었습니다. 그러나 실험실 조건에서 나트륨 부티레이트의 사용은 잠재적 독성 효과로 인해 상당히 도전적이었으며, 이 맥락에서 독성을 피하면서 신경 보호 특성을 유지하기 위한 추가 개발이 필요하다고 여겨집니다. 이를 통해 부티레이트가 신경 장애를 앓는 환자의 치료에 활용되어 신경 회복을 돕는 데 그 잠재력을 완전히 발휘할 수 있을 것입니다. 알츠하이머 병을 가진 쥐 모델을 대상으로 한 다른 연구가 수행되었습니다 [178]. 모델은 장 내 환경을 재설정하기 위해 풍부한 섬유질 원천인 프럭탄으로 구성된 식단을 섭취했습니다. 특정 식단 후, 미생물군집 내 부티레이트 생성 세균의 수준이 유의미하게 증가했으며, 분변 구성물 내 부티레이트 양도 증가했습니다. 마우스는 인지 및 공간 기억력이 개선되었으며, 불안 수준이 감소했습니다. 이러한 변화는 항생제나 일반 식이를 투여받은 대조군과 비교해 유의미했습니다 [178]. Matt와 그의 연구팀이 수행한 연구에서는 나트륨 부티레이트 투여와 젊은 및 노령 마우스 그룹에서 관찰된 효과 사이에 유의미한 상관관계가 발견되었습니다 [19]. 연구 결과, 나트륨 부티레이트를 마우스 모델에 투여했을 때 미세아교세포와 해마에서 IL-1β 유전자 발현 수준이 현저히 감소했습니다. 알츠하이머 병에 대한 추가 연구에서는 나트륨 부티레이트 보충제가 학습 관련 유전자 발현 수준을 유도하고 히스톤 아세틸화를 재설정하는 것으로 나타났습니다 [179,180].

이 연구의 세부 사항은 알츠하이머 병의 말기 단계에서도 전사체 모델에서 맥락적 기억에 대한 나트륨 부티레이트 투여의 유의미한 긍정적 영향을 보여주었습니다. 그러나 야생형 모델에서는 이러한 유의미한 결과가 관찰되지 않았습니다. 전 세계적으로 위협적인 신경퇴행성 질환 외에도 파킨슨병은 마우스 모델에서 나트륨 부티레이트 치료를 받은 연구 [181]에서 대상이 되었습니다. 결과는 운동 장애의 완화, 스트라이ATUM에서의 도파민 수치 증가, 활성산소종(ROS) 및 신경염증으로 인한 스트레스 감소가 나타났습니다. 흥미롭게도 히스톤 H3와 뇌유래 신경성장인자(BDNF)의 전신 아세틸화 수준이 증가했습니다 [181]. 또 다른 연구에서도 도파민 신경세포에 나트륨 부티레이트를 보충한 결과, 체외에서 세포 사멸의 발병을 억제하고 DNA 손상 복구를 촉진하는 효과가 관찰되었습니다 [182]. 나트륨 부티레이트는 파킨슨병 모델에서의 신경 보호 효과뿐만 아니라 시스플라틴 유발성 청력 손상 완화 등 다양한 효과를 보여주었기 때문에 [23,155,169,183], 그 치료적 잠재력은 다양한 질환 유형에 걸쳐 확장됩니다. 한편, Kratsman 등[176]은 자폐증 마우스 모델에서 나트륨 부티레이트 투여의 효과를 조사했습니다. 연구팀은 나트륨 부티레이트 투여가 전두엽 피질에서 억제성 유전자 발현 수준을 특이적으로 증가시키며 흥분성 유전자를 억제함으로써 전체적으로 억제성 유전자 발현이 증가함을 발견했습니다. 실험 결과, 나트륨 부티레이트의 저용량(100 mg/kg)은 유의미한 파라미터가 아니었으며, 용량별 치료 결과의 차이는 크지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 사회적 장애는 흥미롭게도 완화되었습니다 [176].

이와 함께 헌팅턴 병은 또 다른 고위험 신경퇴행성 질환으로 상당한 도전 과제를 제기하며 그 영향력을 입증하고 있습니다. 헌팅턴 병을 대상으로 한 다양한 동물 모델을 활용한 광범위한 연구가 진행되어 그 효과를 더 포괄적으로 이해하기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 연구 결과, 나트륨 부티레이트와 페닐부티레이트(부티레이트의 유사체)와 같은 보충제 투여가 히스톤 아세틸화 회복을 유도했다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 결과로 신경 세포의 세포 사멸 수준이 현저히 감소했으며, 이에 따라 연구에 사용된 쥐의 수명이 연장되었다는 것이 관찰되었습니다 [184,185]. 더 중요한 점은 추가 연구에서 나트륨 부티레이트가 복합체 I, II, III, IV를 보충하고, 마니아를 보이는 동물 모델에서 암페타민과 우아바인에 의해 유발된 크렙스 회로의 억제를 억제하는 능력을 갖추고 있다는 점이 밝혀졌습니다 [186,187,188]. 이 특성은 따라서 뇌의 질병 관련 미토콘드리아 이상을 교정하는 데 단독으로 기여할 수 있습니다.

아라비노크실란이 풍부한 식이를 섭취한 돼지 모델에서 Faecalibacterium prausnitzii와 Roseburia intestinalis를 포함한 여러 부티레이트 생성 세균의 수치가 유의미하게 증가했습니다. 이 식이는 표준 식이와 고저항성 전분 함량이 높은 식이와 비교되었습니다. 결과는 아라비노자란이 풍부한 식단이 저항성 전분 식단과 표준 식단 모두에 비해 이러한 유익한 박테리아의 수준에 훨씬 더 큰 영향을 미쳤음을 나타냈습니다 [189,190].

중요한 연구에서 Amoldussen과 동료들 [132]은 고지방 식단이 중년 및 노년기 저밀도 지단백질 수용체 결핍 마우스의 변화에 영향을 미치는지 관찰하기 위해 지속적으로 부티레이트를 보충했습니다. 그들은 중년 마우스에서 고지방 식단이 미세아교세포(뇌의 면역 세포) 활성화 증가를 통해 신경염증 증가를 유발했다는 것을 발견했습니다. 이 염증 증가 는 감각 처리와 기억에 필수적인 영역인 체감각 피질과 해마에서의 기능적 연결성 감소와 관련이 있었습니다 [132]. Amoldussen과 그의 팀의 이 발견은 식습관, 뇌 염증, 뇌 연결성 감소 사이의 높은 잠재적 연관성을 시사합니다. 노년기 쥐는 중년기 쥐와 비교해 추가 부티레이트 투여에 대한 유의미한 영향을 보이지 않았습니다. 이 효과의 부재는 노년기 쥐의 순환계가 영구적인 노화 과정을 겪고 있기 때문으로 예상됩니다. 이 연구는 부티레이트가 간 섬유화와 신경염증과 연관된 장내 미생물에 영향을 미친다는 점을 밝혀내며, 비만과 관련된 인지 기능 저하를 줄이는 데 잠재적 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 노화 속도가 가속화되는 노년기에는 효능이 감소합니다.

나트륨 부티레이트는 고섬유질 식이에서 유래한 부티레이트와 비교할 때 면역학적 및 신경학적 혜택이 현저히 우수합니다. 이 강화된 효과는 나트륨 부티레이트를 고용량으로 직접 투여하기 때문으로 추정되며, 식이 부티레이트는 일반적으로 장 관련 경로를 통해 뇌 기능에 영향을 미칩니다. 현재 문헌은 질병의 발생과 치료 모두에서 장-뇌 축과 영양의 중요성을 강조합니다. 잠재적 혜택을 더 잘 이해하기 위해 미래 연구는 식이 부티레이트의 신경에피제네틱 효과를 더 철저히 탐구해야 합니다. 향후 연구에서는 뇌에 도달하는 특정 부티레이트의 양을 결정하기 위해 용량-반응 관계를 더 정확히 조사해야 합니다. 이러한 연구는 부티레이트의 치료적 잠재력을 더 명확히 밝힐 수 있습니다. 또한 다양한 유형의 식이 섬유와 발효 식품의 시너지 효과를 고려해야 합니다. 이들의 조합은 부티레이트 수치를 크게 증가시키고 그 혜택을 최적화할 수 있습니다. 표 3에서는 모델에서 부티레이트와 신경학적 효과 간의 관계를 나타내는 일부 연구 결과를 확인할 수 있습니다. 그림 3은 부티레이트가 신체 건강에 미치는 다양한 긍정적 효과를 보여주는 다이어그램을 제시합니다.

Figure 3. A diagram displaying the multiple positive effects of butyrate on body health [3,32,60,65,92,108,138,142,145,151,156,157,171,174].

Table 3. Some of the studies indicating the relationship between butyrate and neurological effects in models.

5. Conclusions

Future research on butyrate should analyze its potential benefits beyond gut health. It is important to explore how butyrate might offer therapeutic advantages for chronic conditions such as cardiovascular diseases, diabetes, and neurodegenerative disorders. Investigating butyrate’s comprehensive systemic effects could reveal its role in regulating the immune system and inflammation, potentially improving the management of these diseases. A more detailed understanding of how butyrate interacts with our genetics and gut microbiota could contribute to more personalized health plans, including customized dietary recommendations and treatment guidelines designed to individual needs. Looking ahead, attention should also be directed toward developing therapies and functional foods based on butyrate. It is important to study how environmental and lifestyle factors influence butyrate production as well. Integrating this research with global health initiatives will help us gain a thorough understanding of butyrate’s role across various populations and develop effective dietary guidelines.

It is particularly significant to explore how butyrate affects obesity and type 2 diabetes. Research should focus on how butyrate impacts metabolic health, including its interactions with gut microbiota, dietary factors, and individual genetic differences. Performing clinical trials in a wider fashion could help eval‎uation of the long-term benefits and safety of butyrate supplementation. This possible approach could offer valuable perceptions and might eventually give rise to its use in clinical practice as a sustainable treatment option.

For neurological health, future research should focus on how butyrate interacts with the renowned gut–brain axis. It is crucial to understand how butyrate influences neurotransmitter levels, neuroinflammation, and histone acetylation. Investigating how different dosages and forms of butyrate affect conditions like Alzheimer’s and Parkinson’s diseases could help polish its use in therapy. Additionally, looking into how dietary fibers and fermented foods impact butyrate production and its delivery to the brain might disclose new strategies for improving cognitive function and neuroprotection, causing more effective treatments for neurological disorders.

Even recent studies have concluded that butyrate inclusion plays a key role, one example being that halloysite nanotubes (HNT) enhance the mechanical strength, crystallinity, and biocompatibility of polyhydroxybutyrate (PHB)-based scaffolds for cartilage regeneration. This highlights butyrate’s bioactive properties in a different field, where its integration into HNT-modified PHB scaffolds could further improve tissue regeneration and chondrocyte proliferation, having a significant impact on biomedical advancements [191]. Another area poised for improvement through butyrate studies is environmental rejuvenation efforts. Recent advancements have demonstrated that PHB-based composites reinforced with cellulosic fibers can enhance mechanical properties and structural integrity for agricultural applications. Future research could explore incorporating butyrate into these bio-based materials to further improve their biodegradability and functional benefits [192]. These new works have made butyrate’s multifaceted role even more prominent, and day by day, its applications are expanding, offering more potential in the future.

In conclusion, thoroughly exploring butyrate’s systemic effects, therapeutic potential, and interactions with various biological and environmental factors will be another major key to exploiting its benefits for many metabolic health conditions and improving overall public health.

5. 결론

미래의 연구는 부티레이트의 장 건강을 넘어서는 잠재적 이점을 분석해야 합니다. 부티레이트가 심혈관 질환, 당뇨병, 신경퇴행성 질환과 같은 만성 질환에 대한 치료적 이점을 제공할 수 있는 방법을 탐구하는 것이 중요합니다. 부티레이트의 포괄적인 전신 효과를 조사하면 면역 체계와 염증 조절에 미치는 역할을 밝혀내어 이러한 질환의 관리 개선에 기여할 수 있습니다. 부티레이트가 유전적 요인과 장내 미생물군과 어떻게 상호작용하는지에 대한 더 자세한 이해는 개인 맞춤형 건강 계획, 특히 개인의 필요에 맞춘 식이 권장사항과 치료 지침 개발에 기여할 수 있습니다. 미래에는 부티레이트를 기반으로 한 치료법과 기능성 식품 개발에도 주목해야 합니다. 환경적 요인과 생활 방식이 부티레이트 생산에 미치는 영향도 연구해야 합니다. 이 연구를 글로벌 건강 이니셔티브와 통합하면 다양한 인구 집단에서 부티레이트의 역할을 포괄적으로 이해하고 효과적인 식이 지침을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

특히 부티레이트가 비만과 제2형 당뇨병에 미치는 영향을 탐구하는 것이 중요합니다. 연구는 부티레이트가 대사 건강에 미치는 영향, 특히 장 미생물군, 식이 요인, 개인별 유전적 차이와 상호작용하는 방식을 중점적으로 조사해야 합니다. 더 넓은 범위에서 임상 시험을 수행하면 부티레이트 보충제의 장기적 혜택과 안전성을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 접근 방식은 귀중한 통찰을 제공할 수 있으며, 궁극적으로 임상 실무에서 지속 가능한 치료 옵션으로 활용될 수 있습니다.

신경 건강 측면에서 미래 연구는 부티레이트가 유명한 장-뇌 축과 어떻게 상호작용하는지에 초점을 맞춰야 합니다. 부티레이트가 신경전달물질 수준, 신경염증, 히스톤 아세틸화에 미치는 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 알츠하이머병과 파킨슨병과 같은 질환에 대한 부티레이트의 다양한 용량과 형태가 미치는 영향을 조사하는 것은 치료법 개발을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 식이 섬유와 발효 식품이 부티레이트 생산과 뇌로의 전달에 미치는 영향을 연구하는 것은 인지 기능 개선과 신경 보호를 위한 새로운 전략을 발견하고 신경 질환 치료를 위한 더 효과적인 치료법을 개발하는 데 기여할 수 있습니다.

최근 연구에서도 부티레이트의 포함이 핵심 역할을 한다는 결론이 나왔으며, 예를 들어 할로사이트 나노튜브(HNT)가 연골 재생용 폴리하이드록시부티레이트(PHB) 기반 스캐폴드의 기계적 강도, 결정성, 생체적합성을 향상시킨다는 점이 확인되었습니다. 이는 부티레이트의 생물학적 활성 특성이 다른 분야에서도 적용 가능함을 보여줍니다. HNT로 개질된 PHB 스캐폴드에 부티레이트를 통합하면 조직 재생과 연골 세포 증식을 더욱 개선해 생물의학 발전에 큰 영향을 미칠 수 있습니다 [ 최근 연구는 셀룰로오스 섬유로 강화된 PHB 기반 복합재가 농업 응용 분야에서 기계적 특성 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 향후 연구에서는 이러한 생체 기반 재료에 부티레이트를 도입하여 생분해성과 기능적 이점을 더욱 향상시키는 방안을 탐구할 수 있습니다 [192]. 이러한 새로운 연구는 부티레이트의 다면적인 역할을 더욱 부각시켰으며, 그 응용 분야는 날로 확장되어 미래에 더 많은 잠재력을 제시하고 있습니다.

결론적으로, 부티레이트의 체계적 효과, 치료 잠재력, 다양한 생물학적 및 환경적 요인과의 상호작용을 철저히 탐구하는 것은 대사 건강 장애 치료 및 전반적인 공중 보건 개선을 위해 그 혜택을 활용하는 또 다른 주요 열쇠가 될 것입니다.

Author Contributions

Conceptualization, S.K. and A.E.K.; investigation, A.E.K., M.N.B., M.F.A., F.A., A.Y.O., C.C. and A.S.; writing—original draft preparation, A.E.K.; writing—review and editing, A.E.K., M.N.B., M.F.A., F.A., A.Y.O., C.C., A.S., A.R. and S.K.; visualization A.E.K.; supervision, A.R. and S.K., funding acquisition, M.N.B., M.F.A., F.A., A.Y.O., C.C., A.S. and A.R. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This research received no external funding.

Data Availability Statement

No new data were created or analyzed in this study.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

References

1. Canani, R.B.; Di Costanzo, M.; Leone, L.; Pedata, M.; Meli, R.; Calignano, A. Potential beneficial effects of butyrate in intestinal and extraintestinal diseases. World J. Gastroenterol. 2011, 17, 1519–1528. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]