肠道微生物组介导的降低胆固醇水平的机制：对改善心血管疾病的意义
Gut microbiome-mediated mechanisms for reducing cholesterol levels: implications for ameliorating cardiovascular disease
Review，2022-8-22，Trends in Microbiology, [IF 18.23]
DOI：https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.08.003
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0966842X22002153
第一作者：Baolei Jia （贾保磊）
通讯作者：Baolei Jia（贾保磊）；Che Ok Jeon
合作作者：Yuanqiang Zou；Xiao Han；Jin-Woo Bae
主要单位：
韩国中央大学生命科学系 (Department of Life Science, Chung-Ang University, Seoul 06974, Republic of Korea)
深圳华大基因（BGI-Shenzhen, Shenzhen 518083, China）
福州大学生物科学与工程学院（College of Biological Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China）
韩国庆熙大学生物系（Department of Biology, Kyung Hee University, Seoul 02447, Republic of Korea）
韩国庆熙大学生物医药学系（Department of Biomedical and Pharmaceutical Sciences, Kyung Hee University, Seoul 02447, Republic of Korea）
韩国庆熙大学生命与纳米药物科学系（Department of Life and Nanopharmaceutical Sciences, Kyung Hee University, Seoul 02447, Republic of Korea）
- 摘要 -
心血管疾病(CVD)是世界范围内的一个健康问题，而胆固醇水平升高是该疾病的关键风险因素。已证明肠道菌群失调与心血管疾病的发展有关。然而，尚未总结健康微生物群在降低胆固醇水平方面的有益作用。本文首先讨论肠道微生物群降低胆固醇水平的潜在机制。接着进一步概述了乳酸杆菌和双歧杆菌属益生菌在临床研究中降低胆固醇水平的应用。最后，介绍了有益的共生微生物的降胆固醇功能（例如Akkermansia和Bacteroides spp.），这些微生物有可能成为下一代益生菌(NGP)。本文回顾的信息将帮助人们了解肠道微生物组如何改变胆固醇代谢，并使NGP的开发能够预防和治疗CVD。
- 引言 -
心血管疾病（CVD）是一种在全世界范围内危害生命健康并造成死亡的疾病。胆固醇水平升高被认为是CVD的危险因素、生物标志物和预测因子，因为沉积在血管壁中的胆固醇会减少或阻止血液流动和氧气运输。高胆固醇血症一直与动脉粥样硬化、心力衰竭或高血压等心血管疾病风险增加有关；它还对其他疾病产生不利影响，例如糖尿病、肝病和阿尔茨海默病。在哺乳动物中，胆固醇主要在肝细胞和肠道中合成，也可以从膳食成分中获得；肝细胞分泌1克胆固醇，而人类饮食每天提供约0.4克胆固醇。来源的胆固醇被包裹在脂蛋白中，主要在十二指肠和近端空肠吸收，并通过循环输送到各种器官和组织。根据密度，脂蛋白被分为四种类型：高密度脂蛋白（HDLs）和非HDLs，分为极低、中、低密度脂蛋白（VLDLs、IDLs和LDLs）。非高密度脂蛋白将脂质从肝脏转运到外周组织。相反，高密度脂蛋白将胆固醇从外周组织转移到肝脏，这一过程称为胆固醇逆向转运(RCT)。由于脂蛋白的密度与胆固醇的运输有关，因此HDL胆固醇被认为对动脉粥样硬化的发展具有保护作用，而LDL胆固醇是有害的。在临床试验中，他汀类药物已被用于抑制肝细胞中的胆固醇合成并降低血清胆固醇水平。依替米贝是一种肠道胆固醇吸收抑制剂，也被广泛用于降低胆固醇水平。因此，调节胆固醇代谢是降低胆固醇水平的一种切实有效的策略。
近几十年来先进的元组学研究为了解人类微生物组如何改善人类健康开辟了新途径。微生物组与CVD之间的联系是研究最广泛的联系之一。研究表明，肠道菌群可以调节胆固醇代谢，通过涉及肠道菌群的干预措施降低胆固醇水平是可行的，例如粪便菌群移植、抗生素、益生菌和益生元。益生菌在2014年被国际益生菌和益生元科学协会定义为“活的微生物，当给予足够的量时，会给宿主带来健康益处”。益生菌被大众广泛接受，被用作功能性食品或补充剂；某些含有乳酸杆菌和双歧杆菌的益生菌可用于降低宿主体内的胆固醇水平。在过去的二十年中，下一代测序(NGS)使已知对宿主健康具有潜在益处的微生物范围大幅扩展。这些微生物已被识别，有时被称为“下一代益生菌”（NGP），或活生物治疗产品(LBP)。NGPs被定义为“活的共生微生物，通过比较微生物群分析确定，当给予足够量时，会赋予宿主健康益处”。它们主要来自阿克曼氏菌属、拟杆菌属和粪杆菌属。目前，肠道微生物及其代谢物在降低胆固醇水平方面的潜在机制和药用作用尚未得到详细综述。因此本文总结了已知的微生物群降低胆固醇水平的分子机制，描述了NGPs的降胆固醇功能，以提供相关机制及研究界可用来指导NGP作为CVD疗法的发现、使用和开发的信息。
-主要内容-
肠道微生物群和NGPs的降胆固醇机制
Cholesterol-lowering mechanisms of the gut microbiota and NGPs
微生物代谢物和酶降低胆固醇水平的机制
SCFAs降低胆固醇水平的机制
SCFAs（主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）是结肠中肠道微生物群产生的主要和最重要的代谢物。F. prausnitzii、Eubacterium rectale、Eubacterium hallii、Roseburia gutis 和 Ruminococcus bromii 是人类肠道中产生丁酸的主要物种。其他细菌，例如丁酸单胞菌属、粪球菌属、Dysosmobacter 和 Subdoligranulum 菌株，也可以在人体肠道中产生丁酸盐。
短链脂肪酸可以通过五种主要途径降低宿主体内的胆固醇水平（图 1）。首先，SCFAs 可以通过下调参与乙酰辅酶 A 合成胆固醇的酶的基因表达水平来抑制胆固醇合成（图 1A）。通过该途径合成的胆固醇由转录因子甾醇调节元件结合蛋白 2 (SREBP2) 激活；该过程可分为四个步骤，需要在肝脏和肠道内进行超过 22 次酶促反应。人类肠细胞中的基因表达测定表明，参与胆固醇生物合成的九个基因在丙酸和丁酸的作用下被下调，包括合成过程中的速率决定酶 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A 还原酶 (HMGCR)。另外，动物实验表明，摄入 SCFA 混合物可通过降低肝脏和小肠中的胆固醇合成率来降低小鼠的血浆胆固醇水平。值得注意的是，醋酸盐已被证明可以下调 Srebp2 的表达并降低仓鼠和大鼠的血清胆固醇水平。
SCFA 可以增强胆固醇向次级胆汁酸（BAs）的转化，从而降低胆固醇水平（图 1B）。胆固醇 7α-羟化酶 (CYP7A1) 是胆固醇转化为 BAs的唯一限速酶。一项基于动物的实验表明，向仓鼠施用 SCFA 混合物可增加肝脏中 Cyp7a1 的表达水平。SCFAs 上调 Cyp7a1 导致胆固醇向 BAs 的转化和胆固醇从血液到肝脏的摄入增加，而不改变胆固醇吸收，从而增加 BAs 的粪便排泄并导致血浆胆固醇浓度降低。此外，向高脂饮食 (HFD) 喂养的小鼠施用丁酸盐可以增加 Cyp7a1 的表达并防止动脉粥样硬化。
SCFAs 可以通过调节胆固醇转运蛋白的表达来抑制肠道胆固醇同化（图 1C）。在肠细胞中，十二指肠中大量表达的 Niemann-Pick C1 样 1 (NPC1L1) 介导胆固醇吸收，而 ATP 结合盒转运蛋白 G5 和 G8 (ABCG5/8) 可以形成异二聚体，导致胆固醇外流。Caco-2 细胞（一种人类肠道细胞系）与丁酸盐一起孵育会降低 NPC1L1 的表达，而细胞中 ABCG5/8 的 mRNA 水平会增加 [26]。一项基于动物的实验表明，外源性丙酸盐降低了 HFD 喂养小鼠的 Npc1l1 表达，从而减轻了动脉粥样硬化。在基线 LDL 胆固醇水平升高的受试者中，口服丙酸盐补充剂也显著降低了 LDL 胆固醇、TC 和非 HDL 胆固醇水平 [27]。此外，丁酸盐可降低小鼠肠道组织中 Npc1l1 的表达并增加 Abcg5/8 的表达，从而抑制肠道对胆固醇的吸收和预防动脉粥样硬化的发展 [28]。
SCFAs 可以通过调节 ATP 结合盒转运蛋白 A1 (ABCA1) 加速胆固醇输出来影响巨噬细胞中的胆固醇水平，ABCA1 将胆固醇从外周巨噬细胞和肝脏中转运出来（图 1D）。在摄取过量的 LDL 后，巨噬细胞会形成泡沫细胞，这些细胞中充满了脂肪滴并导致 CVD。体内、体外和离体实验表明，丁酸盐显著促进 Abca1 的表达并增加胆固醇从巨噬细胞的流出，从而预防 HFD 诱导的小鼠动脉粥样硬化。
短链脂肪酸还可能通过由 G 蛋白偶联受体 41 和 43 (GPR41/43) 介导的信号通路影响胆固醇水平（图 1E）。在脂肪细胞中，SCFA-GPR 相互作用刺激瘦素的产生，瘦素是一种信号分子，通过抑制 Srebp2 和胆固醇生成基因的表达来减少肝脏脂肪生成和胆固醇合成，从而进一步降低胆固醇水平。已证明对猪施用乙酸盐可降低 TC 并增加瘦素浓度，这表明 SCFA 可通过瘦素信号传导影响胆固醇代谢。
总之，SCFA 影响胆固醇代谢的五种机制表明，产生 SCFA 的细菌可以通过多种方式有益于宿主的健康。此外，产生 SCFA 的活动因此可以用作发现和开发 NGP 的指南。
图 1. 短链脂肪酸 (SCFA) 降低胆固醇水平的可能机制。
(A) 肠道微生物发酵纤维产生的 SCFAs 通过 SREBP2 调控降低胆固醇合成途径中基因的表达。(B) SCFAs 也会增加 CYP7A1 的表达，从而加速胆固醇向 BAs 的转化。(C) SCFAs 还通过上调 ABCG5/8 表达和下调 NPC1L1 表达来介导肠道细胞中胆固醇的吸收。(D) 在巨噬细胞中，SCFAs 增加 ABCA1 的表达以增强胆固醇流出。(E) SCFAs 还激活脂肪细胞中的 GPR41 以产生瘦素，从而进一步抑制 SREBP2 的表达。
胆固醇向BA的转化占胆固醇每日输出的约90%，是胆固醇分解代谢中最重要的过程。两种主要的BA，胆酸(CA)和鹅去氧胆酸(CDCA)，是肝脏中BA合成途径产生的主要代谢物。CA和CDCA在肝脏中与牛磺酸或甘氨酸结合并释放到十二指肠以促进脂质代谢（图2）。结合的BA被小肠和大肠中的微生物胆汁盐水解酶(BSH)进一步水解，产生氨基酸和初级BA，从而启动肠道中的BA转化。BSH可以通过两种机制降低宿主体内的胆固醇水平：（i）小肠中的胶束形成，以及（ii）通过粪便增加BA排泄（图2）。在小肠中，BA与胆固醇、脂肪酸和甘油单酯形成胶束。BSH产生的非结合BA比结合BA更具疏水性和溶解性，这减少了它们被动流入肠细胞。因此，增加BSH活性可能会减少膳食胆固醇的吸收并增加BA通过粪便排泄，从而产生降低胆固醇的作用。增加的BA排泄可以进一步减少肠道中BA循环池的大小。这些BA可以通过增加从胆固醇从头合成BA来替代，从而进一步降低宿主胆固醇水平。
BSH活性是益生菌筛选的关键标准。动物实验表明，来自这些物种的BSH可能对宿主健康产生不同的影响。例如，小鼠唾液乳杆菌（属于厚壁菌门）的BSH高水平表达显著降低血浆胆固醇和宿主体重增加。相比之下，由产生BSH的Bacteroides thetaiotaomicron定殖的小鼠在HFD上比用缺乏相关水解酶的细菌定殖的小鼠体重增加更多。来自L. salivarius和B. thetaiotaomicron的BSH的冲突影响可能是由于菌株定殖的差异。L. salivarius很可能在小肠中定殖以影响脂质代谢，而B. thetaiotaomicron更可能在盲肠中定殖以影响BA池和相关信号传导。这些数据表明，来自厚壁菌门的BSH编码益生菌，如乳酸杆菌，是降低胆固醇水平的有希望的候选者。
图 2. 胆固醇转化为胆汁酸(BA)的过程以及胆盐水解酶(BSH)在此过程中的作用
在肝脏中，胆固醇可以转化为初级BA。它们与牛磺酸或甘氨酸结合并转运到小肠，在小肠中结合的BA被水解产生初级BA。初级BAs可以通过微生物催化反应进一步转化为二级BAs。在胆固醇向二级BAs的转化过程中，微生物BSH催化是关键步骤。增加肠道中BSH的丰度会加速BA的排泄，从而加速胆固醇转化为BA的整个过程。
次级BAs的降胆固醇功能
次级BA是由初级BA通过大肠中的微生物催化的脱羟基、差向异构化和/或脱氢反应形成的（图3）。脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)是主要的次级BA，分别占人类粪便BA成分的34±16%和26±10%。肠道BA中含量第三高的成分由3β-羟基（异）-BA（27±18%）和熊去氧胆酸（UDCA，5.5±9.3%）组成。此外，iso-、oxo-、allo-、oxoallo-和isoallo-LCA在日本百岁老人的肠道中含量丰富，这表明BA与人类健康和长寿密切相关。庞大而复杂的BA池通过其与各种受体的相互作用和激活而与各种过程相关联，这些受体主要是位于细胞膜中的法呢醇X受体(FXR)和胆汁酸受体TGR5。
FXR大量存在于肠道、肝脏和肾脏中，其激活通过多种途径调节胆甾醇代谢（图3）。动物实验表明，FXR的激活通过降低胆固醇的作用显著阻止了动脉粥样硬化的进展。介导FXR刺激的BA的结合亲和力可以从最强到最弱排列如下：CDCA>DCA>LCA>CA。首先，FXR激活可以降低小鼠肝脏中的SREBP-2和HMGCR蛋白水平（图3A）。其次，FXR通过调节肠细胞中ABCG5/8的表达来调节胆甾醇的流出和排泄（图3B）。在对小鼠胆固醇排泄的研究中，使用FXR激动剂(PX20606)在肠道中激活FXR可诱导Abcg5/8的上调，导致胆固醇流入管腔并排泄约60%的TC[47]。此外，FXR激动剂奥贝胆酸(OCA)在肝细胞中激活FXR，可抑制肠道胆固醇吸收并增加粪便胆固醇排泄。另一项研究发现，CDCA激活的FXR可通过鸢尾素信号传导诱导肠道中Abcg5/8的上调，从而增加粪便中胆固醇的排泄。第三，OCA激活肝FXR会增加Abca1表达和巨噬细胞RCT，这是一个已知具有动脉粥样硬化保护作用的过程（图3C）。这些作用机制共同导致合成减少和吸光度降低，并增强了粪便中胆固醇的处理。
除了激活FXR，BA还可以结合TGR5，TGR5在肠、脾、胆囊和胎盘中广泛表达，但在肝细胞中不表达。LCA对TGR5的亲和力最高，其次是共轭和非共轭DCA、CDCA和CA；TGR5的刺激导致腺苷酸环化酶的激活，它从ATP产生cAMP并诱导胰高血糖素样肽-1(GLP-1)分泌（图3D）。GLP-1是一种肠源性肽激素，由L细胞分泌，L细胞是在肠道和胰腺中发现的特化肠内分泌细胞。继发性BA激活TGR5导致GLP-1分泌增加RCT水平和Abca1表达，并减少脂质负荷和巨噬细胞炎症，导致小鼠动脉粥样硬化显著减弱。此外，已显示激动剂激活GLP-1受体可降低2型糖尿病(T2D)患者的总胆固醇和LDL胆固醇水平，这意味着来自TGR5激活的GLP-1信号传导是调节胆固醇代谢的潜在途径主人。还有一个更进一步的信号通路，其中TGR5被cholicacid-7-sulfate激活，它由肝脏中的羟基类固醇磺基转移酶2A(SULT2A)产生，然后转运到肠腔，而SULT2A的表达是通过激活肝脏来诱导的。LCA的维生素D受体。SULT2A催化的BAs硫酸化增加溶解度，限制重吸收，并促进BAs随粪便排出。BA的硫酸化还通过增加BA胶束临界浓度来防止胆固醇溶解。这些数据表明TGR5可以通过多种方式被激活，并且产生GLP-1的TGR5信号通路可用于降低胆固醇水平。
关于BAs的微生物来源，主要的次级BAs，DCA和LCA，由梭菌属产生。梭状芽孢杆菌、Clostridium hiranonis 和Clostridium hylemonae；这些细菌益生菌功能尚未见报道。然而，BAs在肠道中的代谢是由多个物种进行的。它要求一种细菌物种的产品在另一种细菌物种之前可以利用所得产品作为底物（类似于“装配线”）。这种新陈代谢过程是一种代谢BA的复杂方法。例如，肠道细菌可以进一步转化DCA和LCA。Parabacteroides distasonis可以将LCA转化为3-oxo-delta-4-LCA。几种拟杆菌属菌株，包括 Bacteroides dorei、Bacteroides vulgatus、Parabacteroides merdae和Odoribacter laneus可以从3-oxo-delta-4-LCA产生isoallo LCA。该物种产生的Isoallo-LCA可与核受体4A1（NR4A1，也称为Nur77）结合，其在肝脏中的激活可抑制SREBP2和HMGCR的表达，从而调节肝脏胆固醇合成并限制动脉粥样硬化的进展。这些数据表明，这些物种的NGP可能通过SCFA和BSH以外的机制来降低宿主胆固醇水平。
图 3. 次级胆汁酸(BA)通过多种途径降低胆固醇水平
(A) 肠道微生物群（CA、CDCA、DCA、LCA、isoalloLCA和UDCA）产生的BA激活肝脏中的核受体FXR、NR4A1和VDR。不同BA对FXR的亲和力排序为CDCA>DCA>LCA>CA。这些BA和NR4A1通过isoallo-LCA激活FXR可抑制SREBP2和参与肝脏中胆固醇合成的关键酶的表达。LCA激活VDR会增加CA7S的产生，CA7S被转运到肠道，与L细胞中的TGR5结合，并通过cAMP-PKA信号传导诱导GLP-1的分泌。（B，C）肠细胞和巨噬细胞中的FXR激活通过增加介导甾醇排泄的转运蛋白ABCG5/8和ABCA1的表达来增加胆固醇排泄。(D)LCA、共轭/非共轭DCA、CDCA和CA可以在L细胞内直接激活TGR5，从而刺激GLP-1的分泌。
胆固醇转化为粪醇是一种微生物降低胆固醇的机制
胆固醇主要在小肠中吸收，但其吸收百分比在人体中的范围为29%至80%。未吸收的胆固醇可以被共生细菌转化为粪(甾)醇，导致胆固醇库中的浓度降低和血清胆固醇水平降低。粪(甾)醇是胆固醇的顺式衍生物，仅被肠细胞微弱吸收。从胆固醇到粪前列烷醇的转化主要发生在大肠中，而在小肠的前半部分也可以检测到粪前列烷醇，这意味着栖息在小肠或大肠中的不同微生物可能将胆固醇转化为粪前列烷醇。这种转化有三种微生物途径，通过中间产物的催化间接操作、通过异构化间接操作和直接通过还原操作（图4）。B. dorei D8是从人类粪便中分离出来的，先前已显示可催化4-cholesten-3-one和粪甾酮作为中间体的转化。Eubacterium coprostanoligenes是从猪污水池中分离出来的，但不是从人类粪便中分离出来的，它也使用这种途径。给小鼠施用E. coprostanoligenes会暂时降低血浆血液中的胆固醇浓度；然而，该菌株无法在相同小鼠的肠道中定殖。此外，从大鼠粪便中分离出的真细菌ATCC 21408可以将胆固醇异构化为别胆固醇，并将其分子还原为粪(甾)醇。除了提到的两种间接途径外，还提出了一种直接途径，其中胆固醇结构中的5,6-双键被还原以产生粪(甾)醇而不会形成中间体；然而，没有任何细菌利用这种反应的报道。
基于活性测定和多组学分析，来自E. coprostanoligenes的肠道甾醇代谢A基因(IsmA)编码一种微生物胆固醇脱氢酶，该酶催化胆固醇转化为4-cholesten-3-one和粪甾酮转化为粪(甾)醇。它是目前已知的唯一一种将胆固醇转化为粪(甾)醇的酶。不幸的是，目前无法培养来自人类肠道的编码 IsmA 同源物的细菌，只能从宏基因组物种中鉴定出来。基因组序列比较表明，宏基因组物种与E. coprostanoligenes不同，但与 Clostridium leptum、F. prausnitzii 和 R. bromii 相似。此外，IsmA 编码物种的平均相对丰度非常低（1.4%），在人类群体中，含有该物种的样本百分比从 37% 到 92% 不等。然而，IsmA的丰度与人类血清胆固醇水平呈负相关，并且ismA+编码者比非编码者具有更多的粪(甾)醇和更少的粪便胆固醇，这是通过配对宏基因组-代谢组学分析确定的。这些数据表明，含有IsmA的肠道细菌是一个潜在的金矿，可用作益生菌来降低宿主胆固醇水平和CVD风险。
图 4. 肠道微生物群催化胆固醇转化为粪(甾)醇。
将胆固醇转化为粪(甾)醇的三种途径，包括通过4-cholesten-3-one 和 coprostanone（蓝色）间接催化、通过别胆固醇间接催化（绿色）和直接降低胆固醇（橙色）。已确认的反应显示为实线。假设的反应显示为虚线。肠道甾醇代谢A基因(IsmA)已从真细菌coprostanoligenes和人类肠道中发现的不可培养细菌中鉴定出来，而这些途径的其他酶和机制仍然未知。
细菌对胆固醇的吸附和吸收
细菌还可以在细胞表面吸附胆固醇或将胆固醇掺入细胞膜而不进行转化。同化的胆固醇可以通过带有细菌的粪便消除。Lactobacillus gasseri和Lactobacillus bulgaricus等乳酸杆菌菌株可以将胆固醇结合到细胞表面并从培养基中去除胆固醇。细菌分泌的肽聚糖和胞外多糖可能是吸附胆固醇的原因。更多关于从培养基中摄取胆固醇的研究集中在将胆固醇掺入细菌膜上，这已在乳酸杆菌和双歧杆菌菌株中广泛报道。胆固醇的掺入是菌株特异性的，并且取决于细菌的生长。一个成功的例子是长双歧杆菌SPM1207，它是从健康的韩国人的粪便中分离出来的，并且能够在体外同化胆固醇。通过用该菌株治疗喂食高胆固醇饮食的大鼠，它可以显著降低血清中的TC和LDL胆固醇浓度。然而，由细菌引起的肠道的详细变化仍然未知，应进行进一步的研究以确定胆固醇的掺入是否是降低宿主胆固醇水平的关键机制。
传统益生菌对降低胆固醇水平的临床意义
Clinical relevance of conventional probiotics for decreasing cholesterol levels
已经研究了几种细菌菌株作为通过降低总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平来降低心血管疾病风险的候选菌株。在人类中研究得最好的这类益生菌属于乳杆菌属和双歧杆菌属。一项包含114名高胆固醇血症成人的双盲、随机研究表明，食用含有微胶囊罗伊氏乳杆菌NCIMB30242的酸奶可以分别降低总胆固醇、低密度脂蛋白和非高密度脂蛋白胆固醇水平约4.8%、8.9%和6.0%。此外，一项针对高胆固醇血症患者的随机双盲对照研究表明，食用混合嗜酸乳杆菌和双歧双歧杆菌可将总胆固醇、HDL和LDL胆固醇水平分别降低15.8%、11.9%和15.9%。2000年至2018年间涉及人类参与者的随机对照试验的荟萃分析也表明，益生菌的摄入会影响胆固醇谱，并可能将TC水平降低至6.4mg/dl至13.3mg/dl（dl：分升）的范围内。总之，这些研究表明益生菌是降低胆固醇水平以改善宿主健康的有力候选者。
NGP概述及其对宿主胆固醇水平的影响
Overview of NGPs and their effects on host cholesterol levels
常规益生菌在降低胆固醇水平方面显示出积极作用；尽管如此，这些物种在人类中的长期肠道定殖仍然具有挑战性。然而，NGP菌株可以有效地在肠道定殖，它们对人类健康的有益影响可能是由不同于传统益生菌的机制介导的。在本节中，我们总结了这些NGP菌株（按字母顺序）在降低胆固醇水平方面的作用。
A. muciniphila
A. muciniphila是一种粘蛋白降解剂，可在>80%的人类肠道中定殖。A. muciniphila的典型菌株ATCCBAA-835已得到充分研究，是具有代表性的NGP。几项研究已经证明A. muciniphila具有降低胆固醇的作用。具体而言，一项针对高脂血症小鼠的研究发现，与载体对照组相比，使用A. muciniphila治疗可显著降低空腹血浆TC水平。此外，用活的A. muciniphila治疗高胆固醇血症小鼠会降低血浆LDL和HDL胆固醇浓度。值得注意的是，在超重和肥胖的人群中，每天口服补充1010个A. muciniphila细胞3个月是安全的，并且可以改善胰岛素抵抗。此外，A. muciniphila降低胆固醇水平的机制多种多样，并且与其他肠道微生物的机制不同（方框2）。这些研究表明A. muciniphila有可能被开发为一种用于调节人体胆固醇代谢的益生菌。
拟杆菌属
拟杆菌属中的几个物种，例如酸拟杆菌、多雷拟杆菌、脆弱拟杆菌、卵形拟杆菌、均匀拟杆菌、普通拟杆菌和溶解木糖拟杆菌，被认为对宿主有益，因为它们可以产生短链脂肪酸和其他调节宿主的代谢物代谢。其中，B. xylanisolvens DSM 23964是NGP的一个很好的例子。该菌株已被欧盟委员会授权作为发酵乳制品的发酵剂。先前的一项研究表明，与对照组大鼠相比，通过喂食大鼠水溶性纤维素来增加肠道中的木糖双歧杆菌的水平会使血浆胆固醇浓度降低22%。此外，向HFD喂养的小鼠口服B. uniformis CECT 7771可将血清胆固醇水平降低18%，并进一步降低肝脏胆固醇积累。因此，拟杆菌属有希望降低胆固醇水平的益生菌。然而，拟杆菌属的安全方面，是要考虑的问题。例如，Roux-en-Y胃旁路术后未解决的T2D与脆弱拟杆菌和拟杆菌的增加有关。以高比例的拟杆菌属为特征的拟杆菌属2肠型也被报道与肥胖有关。此外，拟杆菌属的基因组通常编码几种毒力因子，据报道脆弱拟杆菌会引发脓肿形成，这表明应该考虑NGP安全性问题，而不仅限于拟杆菌属。在拟杆菌中，P. distasonis和Parabacteroides goldsteinii也已被证明有益于宿主健康。与载体对照组相比，用P. distasonis口服治疗肥胖小鼠4周后，血清TC浓度降低了20.1%，同时降低了LDL胆固醇水平。在另一项研究中，口服P. goldsteinii可显著减少HFD喂养小鼠的脂肪细胞肥大和体重增加。然而，关于P. goldsteinii对胆固醇代谢影响的数据尚未见报道。
C. minuta
C. minuta属于Christensenellaceae家族，其物种被认为是肥胖个体中不存在的关键细菌。用C. minuta治疗小鼠导致体重和肥胖增加的显著减少。在一项针对墨西哥学龄儿童的研究中，是唯一与TC水平呈显著负相关的细菌家族。此外，在对2000多名成年人进行的一项研究中观察到，Christensenellaceae丰度与VLDL之间呈负相关，而Christensenellaceae丰度与HDL之间呈正相关。此外，C. minuta和Christensenella intestinihominis已被证明可以从培养液中去除胆固醇，有效率分别为36.6%和54.3%。这些数据表明Christensenella spp.是有效的降胆固醇药物。然而，这些菌株降低胆固醇水平的可能机制尚未得到很好的研究。
C. butyricum
C. butyricum 已被证明对各种人类疾病具有改善或保护作用。C. butyricum MIYAIRI是从健康人的粪便中分离出来的菌株，在中国、韩国和日本作为商业益生菌生产，用于人类和家畜。该菌株也已被欧洲议会和理事会授权为食品成分。C. butyricum MIYAIRI在动物模型中已被证明具有降低胆固醇的作用。健康大鼠口服该菌株（107个细胞/天）加速了胆固醇侧链的裂解，而同时接受胆固醇和该菌株治疗的大鼠（约109个细胞/天）的血浆胆固醇水平比对照组低约30%只喂食胆固醇的大鼠。此外，将中国分离的丁酸梭菌CGMCC0313.1口服给药于患有T2D的小鼠可降低血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平。考虑到C. butyricum MIYAIRI已经商业化，该菌株可以被认为是降低胆固醇水平的优先候选菌株。
真杆菌属
来自真杆菌属的E. hallii和E. rectale被认为是潜在的NGP。Mukherjee及其同事报告说，真杆菌属与HFD诱导的动脉粥样硬化小鼠的血浆胆固醇水平呈负相关，这意味着这些菌株具有降低胆固醇水平的潜力并且可以开发为益生菌。E. rectale 也被认为是一种促进健康的肠道细菌，可以调节免疫系统并减轻炎症。尽管有这些知识，但没有直接解决任一菌株对胆固醇代谢的影响的实验研究报告。
F. Prausnitzii
F. prausnitzii菌株也被用作家畜的益生菌。为期4周的地中海饮食干预增加了超重和肥胖人群的F. prausnitzii水平并降低了TC水平。通过补充木寡糖益生元来增加F. prausnitzii的丰度也降低了HFD喂养大鼠的胆固醇水平。这些研究表明，F. prausnitzii的丰度可能与宿主体内的胆固醇水平有关。此外，喂食HFD的F. prausnitzii处理的小鼠肝脏脂肪含量较低，肝脏中的胆固醇酯水平降低，这表明该菌株有可能用于改善胆固醇引起的疾病。
- 讨论 -
总之，高胆固醇水平是心血管疾病临床上重要的危险因素，微生物，包括益生菌和肠道微生物群，已被证明在降低宿主胆固醇水平方面具有有益作用。生物信息学和组学研究的加速进展为涉及微生物代谢物、酶或直接催化降低胆固醇的胆固醇控制机制提供了详细的见解。这有助于鉴定具有有益功能的新微生物和相关代谢物。这种见解可能会弥合关于个体生物学及其微生物组的知识鸿沟，从而进一步为从普通益生菌到精准益生菌铺平道路。未来在NGP预防和治疗CVD的探索中还应该考虑和阐明几个问题：①本综述中引用的几项研究是在动物模型中进行的；可以将其中得到的结果转化到人上吗？②人类肠道微生物组中的物种和代谢物是多样而复杂的；我们如何从更全面的角度理解微生物组对胆固醇代谢的影响？③需要考虑NGP的安全方面，科学家可以使用基因工程解决任何安全问题吗？④候选NGP通常是专性厌氧菌，必须解决在没有氧气的情况下生产和运送菌株的挑战。尽管存在这些问题，但我们仍可以设想存在更具体且更有效的降胆固醇功能的NGP将可用于预防和治疗CVD。
参考文献
Jia B, Zou Y, Han X, Bae J-W, Jeon CO. (2022). Gut microbiome-mediated mechanisms for reducing cholesterol levels: implications for ameliorating cardiovascular disease. Trends Microbiol, DOI:https://doi.org/10.1016/j.tim.2022.08.003.
- 通讯作者简介 -
韩国中央大学
贾保磊
副教授
贾保磊，毕业于韩国国立庆尚大学，曾任吉林大学副教授，现任韩国中央大学（韩国排名第八， QS世界大学排名位列386名）副教授。在Trends in Biotech, Gut microbes, J infection, Plos Pathogens, Plant Biothech, J Cleaner Prod 等期刊发表论文30 余篇。任Frontiers Microbiol, Frontiers Genetics 编辑多年，有丰富的编辑经验。主持韩国农渔部，韩国研究财团，韩国教育财团基金多项。研究方向：微生物组、酶功能挖掘、生物化学、分子进化。
韩国中央大学
Che Ok Jeon
教授
Research activities:
Che Ok Jeon`s fundamental research interests are in documenting the "who", "what", "how", "where", "when", and "why" of microbiological processes in environments including guts, water, sediments, and fermented foods. He applies various technologies such as metaomics technologies (e.g., (metagenomics, metatranscriptomics, and metabolomics), microbiological approaches (e.g., FISH, qPCR, and FACS), and many analytical tools (e.g., LC-QTof-MS, GC-MS, and NMR) to environmental habitats to achieve these goals. In addition, isolation, characterization and genome sequencing of interesting bacteria are being performed to obtain a full and detailed functional their insights at their environmental habitats.
Major research areas:
1. Molecular microbial ecology at environments (human gut, red algae, fermented foods etc.).
2. Metaomics (metagenomics, metatranscriptomics, metabolomics)
3. Biodegradation (bioremediation) and biotransformation.
4. Microbial physiology and genetics.
5. Taxonomy of prokaryotes.
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