综述丨TRENDS MICROBIOL: 肠道微生物组介导的降低胆固醇水平的机制

编译：微科盟听雪斋，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

心血管疾病(CVD)是一个全球性的健康问题，而胆固醇水平升高是该疾病的一个关键风险因素。肠道菌群失调已被证明与CVD的发生有关。然而，健康微生物群在降低胆固醇水平方面的有益作用尚未总结。本综述首先讨论了肠道微生物群降低胆固醇水平的潜在机制；进一步概述了乳杆菌属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，介绍了有益共生微生物(如Akkermansia和拟杆菌属)的降胆固醇功能，因为这些微生物有潜力成为下一代益生菌(NGPs)。本文综述的信息将有助于人们了解肠道微生物群如何改变胆固醇代谢，并有助于开发NGP预防和治疗CVD。  

论文ID

原名：Gut microbiome-mediated mechanisms for reducing cholesterol levels: implications for ameliorating cardiovascular disease

译名：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

期刊：Trends in Microbiology

IF：18.23

发表时间：2022.8

通讯作者：Baolei Jia，Che Ok Jeon

通讯作者单位：韩国中央大学

DOI号：10.1016/j.tim.2022.08.003

综述目录

1 CVD、胆固醇和肠道微生物群

2 肠道微生物群和NGPs的降胆固醇机制

  2.1 SCFAs降低胆固醇水平的机制

  2.2 肠道微生物胆盐水解酶降低胆固醇水平的机制

  2.3 次级BAs的降胆固醇功能

  2.4 胆固醇转化为粪甾醇的微生物降胆固醇机制

  2.5 细菌对胆固醇的吸附和吸收

3 传统益生菌降低胆固醇水平的临床相关性

4 NGPs概述及其对宿主胆固醇水平的影响

  4.1 A. muciniphila

  4.2 Bacteroidetes spp.

  4.3 C. minuta

  4.4 C. butyricum

  4.5 Eubacterium spp.

  4.6 F. prausnitzii

5 结语

主要内容

1 CVD、胆固醇和肠道微生物群

心血管疾病是一种危及生命的疾病，也是全世界死亡的主要原因。胆固醇水平升高被认为是心血管疾病的风险因素、生物标志物和预测因子，因为沉积在血管壁中的胆固醇可以减少或阻断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形式的心血管疾病风险增加相关；它还会对其他疾病产生不利影响，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 g胆固醇，人类饮食每天提供约0.4 g胆固醇。这些来源的胆固醇以脂蛋白形式存在，主要在十二指肠和近端空肠中吸收，并通过循环输送到各种器官和组织。根据密度，脂蛋白分为四种类型：高密度脂蛋白(HDL)和非高密度脂蛋白，其中非高密度脂蛋白分为极低、中等和低密度脂蛋白(VLDLs、IDLs和LDLs)。非高密度脂蛋白将脂质从肝脏运输到外周组织。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，高密度脂蛋白胆固醇被认为对动脉粥样硬化的发展具有保护作用，而低密度脂蛋白是有害的。在临床试验中，他汀类药物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。依泽替米贝，一致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群如何改善人类健康开辟了新的途径。微生物组与CVD之间的联系是最广泛的研究之一。一项使用高胆固醇血症小鼠的研究表明，抗生素导致肠道微生物群减少，导致肝细胞胆固醇摄取和合成增加。同一研究还表明，将血浆胆固醇水平升高的个体肠道菌群移植到小鼠体内会导致胆固醇水平升高。这表明肠道微生物群可以调节胆固醇代谢，并且通过涉及肠道微生物群的干预措施(如粪便微生物群移植、抗生素、益生菌和益生元)降低胆固醇水平是可行的。

2014年，国际益生菌和益生元科学协会将益生菌定义为“活微生物，当给予足够的量时，会给宿主带来健康益处”。益生菌被公众广泛接受，并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大。由于这些NGS的发展而鉴定出的这些微生物有时被称为NGP，也被称为活生物治疗产品(LBP)。NGP被定义为“通过比较微生物群分析确定的活共生微生物，当以足够的量给药时，对宿主健康有益”。这些微生物主要来自阿克曼氏菌属(Akkermansia)、拟杆菌属(Bacteroides)和粪杆菌属(Faecalibacterium)。肠道微生物群与心血管疾病和胆固醇代谢的关联已在以前的综述文章中讨论过(BOX 1)。然而，肠道微生物及其代谢产物在降低胆固醇水平方面的潜在机制和药物作用尚未得到详细综述。本综述总结了微生物群降低胆固醇水平的分子机制，然后描述了NGPs的降胆固醇功能。本综述旨在提供研究团体可用于指导NGP作为CVD治疗方法的发现、使用和开发的机制信息。

BOX 1. 肠道微生物群与心血管疾病之间的联系。

心血管疾病与生活方式、饮食和肠道微生物群有关。肠道菌群失调已在几种类型的CVD中被观察到，如心力衰竭、动脉粥样硬化性CVD、高血压、缺血性发作、心脏病发作和中风。例如，心力衰竭与E. rectale和F. prausnitzii数量减少以及大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和Streptococcus viridans数量增加有关。在分子水平上，肠道微生物群产生的代谢物的变化比分类水平上的变化与CVD的关系更密切。在这些代谢物中，氧化三甲胺(TMAO)、短链脂肪酸(SCFA)和胆汁酸(BAs)水平与CVD显著相关。升高的TMAO水平通过降低RCT、改变胆固醇和BA代谢、激活炎症信号、加速泡沫细胞形成和引起血小板过度活化等方式增加冠状动脉疾病(CAD)发生的风险。鉴于TMAO的这些破坏性作用，临床前研究探索了3,3-二甲基-1-丁醇对其产生的抑制作用，以治疗动脉粥样硬化。相反，肠道微生物群产生的SCFA对心脏代谢健康具有有益影响，并通过调节代谢和免疫稳态以及维持肠道屏障功能来预防CAD的发展。最后，复杂的BA池也与心血管疾病风险相关。基于细胞和动物的研究表明，疏水性次级BAs似乎具有心脏毒性作用，而亲水性BAs具有心脏保护作用。这些数据表明，TMAO会使CVD恶化，而SCFAs和BAs可能有助于其治疗。因此，总结SCFA、BAs和其他分子的降胆固醇机制可能有助于扩大能够降低胆固醇水平的微生物的使用范围，并有助于开发新型和临床上有用的微生物。

2 肠道微生物群和NGPs的降胆固醇机制

如BOX 1所述，肠道微生物群及其代谢物可以通过降低胆固醇的作用来降低心血管疾病的风险；代谢产物主要是短链脂肪酸(SCFAd)和次级胆汁酸(BAs)。代谢物可能来源于候选NGP，如Akkermansia muciniphila、Bacteroides spp.、Clostridiumspp.、Christensenella minuta、Eubacterium spp.和Faecalibacterium prausnitzii。这些菌株在降低胆固醇方面对宿主有益的机制可能不同，包括通过代谢产物调节胆固醇吸收和代谢、抑制肝脏中的胆固醇合成、加速胆固醇消耗、将胆固醇转化为粪甾醇，以及直接掺入胆固醇等过程。在下一节中，我们将回顾微生物代谢产物和酶降低胆固醇水平的机制，以及执行这些作用的微生物。

2.1 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)是结肠肠道微生物群产生的主要和最重要的代谢产物。小肠中也检测到链球菌属物种和梭菌簇XIVa物种产生的乙酸盐和丁酸盐。在一项以高胆固醇饮食喂养的仓鼠的研究中，补充三种SCFAs可显著降低总胆固醇(TC)水平24%、18%和17%，表明SCFA是降低胆固醇水平的有效分子。F. prausnitzii、Eubacterium rectale、Eubacteriumhallii、Roseburia intestinalis和Ruminococcus bromii是人类肠道中负责丁酸生产的主要物种。其他细菌，如Butyricimonas、Coprococcus、Dysosmobacter和Subdoligranulum，也可以在人体肠道中产生丁酸盐。拟杆菌也是肠道中SCFA的重要产生菌，有研究表明拟杆菌的丰度与粪便中SCFAs水平呈正相关。丁酸梭菌(Clostridium butyricum)还可以产生大量丁酸盐，以及乙酸盐和丙酸盐。综上所述，这些报告揭示了多种肠道微生物产生SCFAs的能力，从而可能降低胆固醇水平。

SCFAs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可以通过下调编码乙酰辅酶A合成胆固醇相关酶的基因来抑制胆固醇合成(图1A)。通过该途径的胆固醇合成由转录因子固醇调节元件结合蛋白2(SREBP2)激活；该过程可分为四个步骤，需要肝脏和肠道内超过22种酶反应。人类肠细胞的基因表达分析表明，参与胆固醇生物合成的9个基因在丙酸盐和丁酸盐的作用下下调，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)。基于动物的实验表明，摄入SCFA混合物可通过降低肝脏和小肠中的胆固醇合成速率来降低小鼠的血浆胆固醇水平。值得注意的是，乙酸盐已被证明可以下调仓鼠和大鼠Srebp2的表达并降低血清胆固醇水平。

SCFAs可以增强胆固醇向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。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对Cyp7a1的上调导致胆固醇转化为BAs增加，以及从血液到肝脏的胆固醇摄入增加，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尼曼匹克C1样蛋白1(NPC1L1)介导胆固醇吸收，而ATP结合盒转运体G5和G8(ABCG5/8)可形成异二聚体，导致胆固醇外流。人肠细胞系Caco-2细胞与丁酸盐孵育可降低NPC1L1的表达，而细胞中ABCG5/8的mRNA水平升高。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，口服丙酸盐也显著降低了LDL胆固醇、TC和非HDL胆固醇水平。此外，丁酸降低了小鼠肠道组织中Npc1l1的表达，增加了Abcg5/8的表达，从而抑制了肠道胆固醇的吸收，预防动脉粥样硬化的发生。

此外，SCFA可通过调节ATP结合盒转运体A1(ABCA1)加速胆固醇的输出，从而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去(图1D)。在摄取过量的低密度脂蛋白后，巨噬细胞可以形成充满脂肪滴的泡沫细胞，并导致CVD。体内、体外和离体实验表明，丁酸显著促进Abca1的表达，增加巨噬细胞胆固醇的外排，从而防止HFD诱导的小鼠动脉粥样硬化。

SCFAs也被提出可以通过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。向猪施用乙酸盐可降低TC并增加瘦素浓度，表明SCFAs可通过瘦素信号通路影响胆固醇代谢。

综上所述，SCFAs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，SCFA产生活性可以用作发现和开发NGP的指南。

图1. 短链脂肪酸(SCFAs)降低胆固醇水平的拟议机制。

(A)肠道微生物发酵纤维产生的SCFAs通过SREBP2调节降低胆固醇合成途径中的基因表达。(B) SCFAs还增加CYP7A1的表达，从而加速胆固醇向BAs的转化。(C) SCFA还通过上调ABCG5/8表达和下调NPC1L1表达介导肠细胞中胆固醇吸收。(D)在巨噬细胞中，SCFAs增加ABCA1的表达以增强胆固醇外排。(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。缩写：ABCG5/8，ATP结合盒转运蛋白G5和G8；BA，胆汁酸；CYP7A1，胆固醇7α-羟化酶；GPR41，G蛋白偶联受体41。NPC1L1，尼曼匹克C1样蛋白1；SREBP2，固醇调节元件结合蛋白2。

2.2 肠道微生物胆盐水解酶降低胆固醇水平的机制

胆固醇向BAs的转化约占胆固醇日输出量的90%，是胆固醇分解代谢中最重要的过程。两种主要的BAs，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产物。CA和CDCA与肝脏中的牛磺酸或甘氨酸结合，并释放到十二指肠中以促进脂质代谢(图2)。结合BAs在小肠和大肠中被微生物胆盐水解酶(BSH)进一步水解，生成氨基酸和初级BAs，从而启动肠道中的BA转化。BSHs可通过两种机制降低宿主体内的胆固醇水平：(i)在小肠中形成胶束，以及(ii)通过粪便增加BA排泄(图2)。在小肠中，BAs与胆固醇、脂肪酸和单甘油酯形成胶束。BSH产生的非结合BAs比结合BAs更疏水，更难溶解，这减少了它们被动流入肠细胞。因此，BSH活性的增加可能会减少膳食胆固醇的吸收，并增加BA通过粪便的排泄，从而产生降低胆固醇的作用。BA排泄增加可进一步减少肠道中BAs循环池的大小。这些BA可以通过增加胆固醇从头合成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，这些物种的BSH可能对宿主健康产生反作用。例如，小鼠唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius，属于厚壁菌门)的BSH的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上的体重比由缺乏相关水解酶的细菌定殖的老鼠增加。唾液乳杆菌和B. thetaiotaomicron的BSH相互冲突的影响可能是由于菌株定殖的差异。唾液乳杆菌可能定殖于小肠以影响脂质代谢，而B.thetaiotaomicron更可能定殖在盲肠以影响BA池和相关信号。这些数据表明，来自厚壁菌门(如乳酸杆菌)的BSH编码益生菌是降低胆固醇水平的有希望的候选物。

图2. 胆固醇转化为胆汁酸(BAs)的过程以及胆盐水解酶(BSH)在该过程中的作用。

在肝脏中，胆固醇可以转化为初级BAs。它们与牛磺酸或甘氨酸结合并运输到小肠，在小肠中结合的BAs被水解以产生初级BAs。初级BAs可以通过微生物催化反应进一步转化为次级BAs。在胆固醇向次级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BAs的整个过程。缩写：CYP7A1，胆固醇7α-羟化酶。

2.3 次级BAs的降胆固醇功能

次级BAs由初级BAs通过大肠中微生物催化的脱羟基化、差向异构和/或脱氢反应形成(图3)。脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)是主要的次级BAs，分别占人体粪便中BA成分的34±16%和26±10%。肠道BA的第三种最丰富的成分由3β-羟基(iso)-BAs(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富集，表明BAs与人类健康和寿命密切相关。大而复杂的BA池通过其与各种受体的相互作用和激活与各种过程相关，其中受体主要是位于细胞膜中的法尼醇X受体(FXR)和武田G蛋白偶联受体(TGR5)。

FXR在肠、肝和肾中大量存在，其激活通过多种途径调节胆固醇代谢(图3)。动物实验表明，FXR的激活通过降低胆固醇的作用在很大程度上阻止了动脉粥样硬化的发展。介导FXR刺激的BAs的结合亲和力从强到弱排列如下：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的表达来调节胆固醇的流出和排泄(图3B)。在一项关于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被证明可诱导Abcg5/8的上调，导致胆固醇外流到内腔，并排出约60%的TC。此外，FXR激动剂奥贝胆酸(OCA)在肝细胞中激活FXR，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可通过鸢尾素信号通路诱导肠内Abcg5/8的上调，从而增加胆固醇的粪便排泄。第三，OCA激活肝脏FXR增加Abca1表达和巨噬细胞RCT，这一过程被认为是动脉粥样硬化保护(图3C)。总之，这些作用机制导致合成减少和吸收降低，并增强了粪便中胆固醇的处理。

除激活FXR外，BAs还可结合TGR5，TGR5广泛表达于肠、脾、胆囊和胎盘，但不表达于肝细胞。LCA对TGR5的亲和力最高，其次是结合和非结合DCA、CDCA和CA；TGR5的刺激导致腺苷酸环化酶的激活，该酶从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细胞是肠道和胰腺中的特化肠内分泌细胞。次级BAs激活TGR5后产生的GLP-1分泌增加了RCT水平和Abca1表达，并降低了脂质负荷和巨噬细胞炎症，导致小鼠动脉粥样硬化明显减轻。此外，激动剂激活GLP-1受体可降低2型糖尿病(T2D)患者的总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平，这意味着TGR5激活的GLP-1信号通路是调节宿主胆固醇代谢的潜在途径。还有另一种信号通路，其中TGR5被胆酸-7-硫酸盐激活，胆酸-7-硫酸盐由肝脏中的羟基类固醇磺基转移酶2A(SULT2A)产生，然后转运至肠腔，而SULT2A的表达是通过LCA激活肝维生素D受体诱导的。SULT2A催化的BAs硫酸化增加了溶解度，限制重吸收，并促进粪便中BAs的清除。BAs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，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，主要次级BAs，DCA和LCA，由Clostridium spp. Clostridium scindens、Clostridium hiranonis和Clostridium hylemonae产生；但尚未报道这些细菌的益生菌功能。然而，BAs在肠道中的代谢由多个物种共同完成。它需要一种细菌的产物才能被另一种细菌利用作为底物(类似于“流水线”)。这种(共代谢)过程是一种复杂的BAs代谢方法。例如，DCA和LCA可以通过肠道细菌进一步转化。Parabacteroides distasonis可以将LCA转化为3-氧代-δ-4-LCA。几种拟杆菌菌株，Bacteroides dorei、Bacteroides vulgatus、Parabacteroides merdae和Odoribacter laneus都能从3-氧代-δ-4-LCA中产生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发展。这些数据表明，这些物种的NGP可能通过SCFAs和BSHs以外的机制来降低宿主胆固醇水平。

图3. 次级胆汁酸(BAs)通过多种途径降低胆固醇水平。

(A)肠道微生物群(CA、CDCA、DCA、LCA、isoallo-LCA和UDCA)产生的BAs激活肝脏中的核受体FXR、NR4A1和VDR。不同BAs对FXR的亲和力排序为CDCA>DCA>LCA>CA。这些BAs和NR4A1通过isoallo-LCA激活FXR可抑制SREBP2和参与肝脏胆固醇合成的关键酶的表达。LCA激活VDR可增加CA7S的产生，CA7S被转运至肠道，与L细胞中的TGR5结合，并通过cAMP-PKA信号诱导GLP-1的分泌。(B，C)肠细胞和巨噬细胞中的FXR激活通过增加转运蛋白ABCG5/8和ABCA1的表达而增加胆固醇排泄，这些转运蛋白介导固醇的排泄。(D) LCA、结合/非结合DCA、CDCA和CA可在L细胞内直接激活TGR5，从而刺激GLP-1的分泌。缩写：ABCA1，ATP结合盒转运蛋白A1；ABCG5/8，ATP结合盒转运蛋白G5和G8；CA，胆酸；CA7S，胆酸-7-硫酸盐；CDCA，鹅去氧胆酸；DCA，脱氧胆酸；FXR，法尼醇X受体；GLP-1，胰高血糖素样肽-1；LCA，石胆酸；NR4A1，核受体4A1；SREBP2，固醇调节元件结合蛋白2；TGR5，武田G蛋白偶联受体；UDCA，熊去氧胆酸；VDR，维生素D受体。

2.4 胆固醇转化为粪甾醇的微生物降胆固醇机制

胆固醇主要被小肠吸收，但其在人体中的吸收百分比在29%至80%之间。共生细菌可将未被吸收的胆固醇转化为粪甾醇，导致胆固醇池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，仅被肠细胞弱吸收。从胆固醇到粪甾醇的转化主要发生在大肠中，而粪甾醇也可以从小肠的前端检测到，这意味着定殖在小肠或大肠中的不同微生物可以将胆固醇转化为粪甾醇。这种转化有三种微生物途径，通过中间产物的催化作用间接进行，通过异构化间接进行，以及通过还原直接进行(图4)。从人类粪便中分离的B. dorei D8此前已被证明能催化4-胆甾烯-3-酮和粪甾酮作为中间体的转化。从猪粪中分离出的Eubacterium coprostanoligenes，但不是从人类粪便中分离出来的，也使用这一途径。给小鼠施用E. coprostanoligenes可短暂降低血浆胆固醇浓度；然而，该菌株不能在同一小鼠的肠道内定殖。此外，从大鼠粪便中分离出的Eubacterium ATCC21408可将胆固醇异构化为别胆甾醇，并将其分子还原为粪甾醇。除了上述两种间接途径外，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，而不形成中间体；然而，没有任何细菌利用该反应的报道。

基于活性测定和多组学分析，大肠杆菌的肠道甾醇代谢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-胆甾烯-3-酮，催化coprostanoligenes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，编码来自人类肠道的IsmA同源物的细菌目前无法培养，只能从宏基因组物种中鉴定。基因组序列比较表明，该宏基因组物种不同于E. coprostanoligenes，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%)，在人类队列中，含有该物种的样本百分比从37%到92%不等。然而，IsmA的丰度与人体血清胆固醇水平呈负相关，并且IsmA+编码子比非编码子具有更多的粪甾醇和更少的粪便胆固醇。这些数据表明，携带IsmA的肠道细菌是一个潜在的金矿，可能作为益生菌用于降低宿主胆固醇水平和心血管疾病风险。

图4. 肠道微生物群催化胆固醇转化为粪甾醇。

提出了三种将胆固醇转化为粪甾醇的途径，包括通过4-胆甾烯-3-酮和粪甾酮(蓝色)间接催化、通过别胆甾醇(绿色)间接催化和直接还原胆固醇(橙色)。确认的反应显示为一条不间断的线。假设的反应用虚线表示。肠道甾醇代谢A基因(IsmA)已从人类肠道中发现的Eubacterium coprostanoligenes和未培养细菌中鉴定出来，而这些途径的其他酶和机制尚不清楚。

2.5 细菌对胆固醇的吸附和吸收

细菌也可以在细胞表面吸附胆固醇或将胆固醇结合到细胞膜中而不进行转化。同化的胆固醇可以通过带有细菌的粪便排出。乳酸菌菌株，如Lactobacillus gasseri和Lactobacillus bulgaricus，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，这在乳杆菌和双歧杆菌菌株中得到了广泛报道。胆固醇的掺入具有菌株特异性，并依赖于细菌生长。一个成功的案例是从健康韩国人的粪便中分离出的长双歧杆菌SPM1207，它能够在体外吸收胆固醇。通过用该菌株治疗高胆固醇饮食喂养的大鼠，可以显著降低血清中的TC和LDL胆固醇浓度。然而，细菌引起的肠道的详细变化尚不清楚，应进行进一步研究以确定胆固醇的掺入是否是降低宿主体内胆固醇水平的关键机制。

3 传统益生菌降低胆固醇水平的临床相关性

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。对人类这类益生菌的研究最好的是乳杆菌属和双歧杆菌属微生物。一项涉及114名高胆固醇血症成人的双盲随机平行对照研究表明，食用含有微胶囊化的罗伊氏乳杆菌NCIMB 30242的酸奶可使总胆固醇、低密度脂蛋白和非高密度脂蛋白胆固醇水平分别降低约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Lactobacillus acidophilus和Bifidobacterium bifidum可使总胆固醇、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白胆固醇水平分别降低15.8%、11.9%和15.9%。2000年至2018年期间涉及人类参与者的随机对照试验的荟萃分析也表明，益生菌的消费会影响胆固醇水平，并可能会将TC水平降低至6.4 mg/dl至13.3 mg/dl (dl: deciliter)。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。

4 NGPs概述及其对宿主胆固醇水平的影响

传统益生菌在降低胆固醇水平方面显示出积极作用；然而，这些物种在人类体内的长期肠道定殖仍然具有挑战性。然而，NGP菌株可以有效地定殖肠道，其对人类健康的有益作用可能通过不同于传统益生菌的机制介导。在本节中，我们总结了这些NGP菌株(按字母顺序)与降低胆固醇水平相关的功能。

4.1 A. muciniphila

A. muciniphila是一种粘蛋白降解菌，在超过80%的人的肠道中定殖。A. muciniphila菌株类型ATCC BAA-835已经得到很好的研究，是一种典型的NGP。几项研究已经证明了A. muciniphila的降胆固醇作用。具体而言，一项对高脂血症小鼠的研究发现，与赋形剂对照组相比，嗜黏蛋白阿克曼菌治疗显著降低了空腹血浆TC水平。此外，用活的A. muciniphila治疗高胆固醇血症小鼠可降低血浆LDL和HDL胆固醇浓度。值得注意的是，超重和肥胖人群每天口服1010 A. muciniphila细胞3个月是安全的，并改善了胰岛素抵抗。此外，A. muciniphila降低胆固醇水平的机制多种多样，与其他肠道微生物不同(BOX 2)。这些研究表明，A. muciniphila有潜力被开发为调节人体胆固醇代谢的益生菌。

BOX 2. 通过A. muciniphila调节胆固醇代谢的机制。

A. muciniphila通过多种途径调节胆固醇代谢(图I)。A. muciniphila可通过降解粘蛋白产生降低胆固醇水平的SCFA。此外，向饮食诱导肥胖的小鼠施用巴氏灭活A. muciniphila细胞可降低血浆TC水平。此外，用活的或巴氏杀菌的A. muciniphila或Amuc_1100(A. muciniphila的外膜蛋白)治疗高胆固醇血症小鼠可降低血浆LDL和HDL胆固醇浓度。Amuc_1100可与Toll样受体2(TLR2)相互作用，刺激核因子κB(NF-κB)的激活(图IA)。NF-κB又可以直接与Npc2基因的启动子区结合并启动其转录；NPC2是一种胆固醇转移蛋白，其水平与NPC1L1的水平呈负相关。NPC2还可以通过刺激ABCG5/8转运蛋白来调节胆固醇外排。已证明，用A. muciniphila治疗可降低小鼠Npc1l1水平并抑制胆固醇吸收。此外，A. muciniphila已被证明可增加2-油酰甘油(2-OG)的水平，其可激活G蛋白偶联受体119(GPR119)并刺激L细胞分泌GLP-1(图1B)。此外，A. muciniphila分泌一种84 kDa蛋白(Amuc_0576)，与L细胞中的细胞间粘附分子2(ICAM-2)相互作用。这种相互作用可以通过白细胞介素-6信号进一步诱导GLP-1的分泌，表明A. muciniphila可能通过多种途径调节GLP-1分泌。细菌与宿主细胞之间的蛋白质相互作用表明，A. muciniphila可以通过其独特的机制调节宿主胆固醇代谢。

图I. Akkermansia muciniphila降低胆固醇的机制。

(A)在肠细胞中，A.muciniphila产生Amuc_1100蛋白，它与TLR2受体结合，从而激活NF-κB信号通路以启动NPC2表达并通过ABCG5/8刺激胆固醇外流。(B)在肠L细胞中，A. muciniphila产生2-OG和Amuc_0576，两者都刺激GLP-1的分泌，GLP-1是一种有助于胆固醇逆向转运(RCT)的肽激素；2-OG通过GPR119-cAMP-PKA信号级联刺激GLP-1的产生，而Amuc_0576通过结合ICAM-2激活白细胞介素6(IL-6)信号传导来诱导GLP-1的产生。缩写：2-OG，2-油酰甘油；Akk，A. muciniphila；ABCG5/8，ATP结合盒转运蛋白G5和G8；GLP-1，胰高血糖素样肽-1；GPR119，G蛋白偶联受体119；ICAM-2，细胞间粘附分子2；NF-κB，核因子-κB；PKA，蛋白激酶A；TLR2，Toll样受体2。

4.2 Bacteroidetes spp.

拟杆菌属的一些物种，如Bacteroides acidifaciens、B. dorei、Bacteroides fragilis、Bacteroides ovatus、Bacteroides uniformis、B. vulgatus和Bacteroides xylanisolvens被认为对宿主有益，因为它们可以产生SCFA和其他调节宿主代谢的代谢产物。其中，B. xylanisolvens DSM 23964是NGP的一个好例子。该菌株已被欧盟委员会批准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，通过给大鼠喂水溶性纤维素，增加肠道中B. xylanisolvens的水平，可将血浆胆固醇浓度降低22%。此外，向HFD喂养的小鼠灌胃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，拟杆菌属微生物是有希望的候选益生菌，有助于降低胆固醇水平，但拟杆菌的安全性是需要考虑的问题。例如，胃旁路术后未解决的T2D与B. fragilis和Bacteroides caecimuris增加有关。Bacteroides2肠型的特征是拟杆菌属的比例很高，也有报道称其与肥胖有关。此外，拟杆菌属的基因组通常编码几种毒力因子，据报道B. fragilis会引发脓肿形成，这表明应考虑NGP安全性问题，而不仅限于拟杆菌。

在拟杆菌中，P. distasonis和Parabacteroides goldsteinii也被证明对宿主健康有益。与赋形剂对照组相比，口服4周的肥胖小鼠血清TC浓度降低20.1%，同时降低了LDL胆固醇水平。在另一项研究中，口服P. goldsteinii显著降低了HFD喂养小鼠的脂肪细胞肥大和体重增加。然而，还没有关于P. goldsteinii对胆固醇代谢影响的数据。

4.3 C. minuta

C. minuta属于克里斯滕森菌科，该物种被认为是肥胖个体中缺失的关键细菌。用C. minuta治疗小鼠可显著降低体重和脂肪增加。在一项对墨西哥学龄儿童的研究中，Christensenellaceae是唯一一个与TC水平呈显著负相关的细菌科。此外，在一项针对2000多名成年人的研究中，观察到Christensenellaceae丰度与VLDL呈负相关，而Christensenellaceae与HDL呈正相关。此外，已证明C. minuta和Christensenella intestinihominis能分别以36.6%和54.3%的效率从培养液中去除胆固醇。这些数据表明Christensenella spp.是有效的降胆固醇剂。然而，这些菌株降低胆固醇水平的潜在机制尚未得到很好的研究。

4.4 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是一种从健康人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。该菌株已被欧洲议会和理事会批准为食品成分。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)可加速胆固醇侧链的分裂，而同时服用胆固醇和该菌株的大鼠(约109个细胞/天)的血浆胆固醇水平比仅服用胆固醇的大鼠低约30%。此外，口服从中国分离的C. butyricum CGMCC0313.1可降低T2D小鼠的血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平。考虑到C. butyricum CGMCC0313.1已经商业化，该菌株被认为是降低胆固醇水平的优先候选菌株。

4.5 Eubacterium spp.

E. hallii和E. rectale被认为是潜在的NGP。Mukherjee及其同事报道称，在患有HFD诱导的动脉粥样硬化的小鼠中，Eubacterium spp.与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，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。尽管有这方面的理论，但还没有直接研究这两种菌株对胆固醇代谢的影响的实验研究报告。

4.6 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中F. prausnitzii的水平，并降低了TC水平。通过补充低聚木糖益生元增加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的丰度可能与宿主的胆固醇水平有关。此外，经F. prausnitzii处理的HFD喂养小鼠肝脏脂肪含量较低，肝脏胆固醇酯水平降低，表明该菌株有可能用于改善胆固醇诱导的疾病。

5 结语

综上所述，高胆固醇水平是CVD的一个临床重要风险因素，而微生物，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发展为涉及微生物代谢产物、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，这有助于识别具有有益功能的新微生物和相关代谢物。这一见解可能会弥合关于个体生物学及其微生物组方面的知识空白，从而进一步为从普通益生菌到精确益生菌铺平道路。虽然未来应考虑并阐明一些问题，但我们设想具有更特异和有效降胆固醇功能的NGP将可用于预防和治疗CVD