益生菌罗伊氏乳杆菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5通过改善肥胖大鼠心脏线粒体功能障碍发挥心脏保护作用

《Journal of Endocrinology》：Probiotic Lactobacillus reuteri KUB-AC5 provides cardioprotection via mitigating cardiac mitochondrial dysfunction in obese rats

　　

心脏线粒体功能障碍是肥胖诱导心血管疾病的关键机制。肥胖与肠道菌群（gut microbiota）之间关系密切，而益生菌（probiotics）对肠道菌群的调控作用已被广泛认识。尽管益生菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5具有抗炎活性并能促进有益微生物增殖，但其对肥胖心脏线粒体的作用尚未见报道。本研究将39只7周龄雄性Wistar大鼠分为接受普通饮食（normal diet, ND；n=9）和高脂高热量饮食（high-fat and high-calorie diet, HFCD；n=30）的两组，喂养24周以诱导肥胖。自第13周起，ND组大鼠接受溶剂对照，HFCD组再随机分为三组（n=10/组），分别灌胃给予溶剂对照、活菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5或灭活菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5（1×10⁸ 菌落形成单位（colony-forming unit, CFU）/天），持续12周。第24周末通过超声心动图和心率变异性（heart rate variability, HRV）评估心功能后，麻醉处死大鼠并收集血液和心室组织。结果表明，两种形式的Lactobacillus reuteri KUB-AC5均可降低HFCD诱导肥胖大鼠的体重并减轻胰岛素抵抗。在心脏方面，活菌或灭活菌处理均改善了心脏功能、线粒体动力学、线粒体生物发生、脂肪与酮体利用、回补（anaplerosis）、ATP生成及氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）；同时降低氧化应激并恢复心脏线粒体的抗氧化能力。该临床前研究在雄性大鼠中提示，无论活菌或灭活菌形式，益生菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5均有助于缓解肥胖诱导的心脏线粒体功能障碍。

肥胖是心血管疾病的重要危险因素，其机制主要通过肥胖诱导的胰岛素抵抗（insulin resistance）介导。胰岛素抵抗进一步导致2型糖尿病、血脂异常和高血压，这些病理状态均可引起心脏线粒体功能障碍，最终促进心血管疾病的发生与发展。随着全球肥胖患病率持续攀升，肥胖相关心血管病变已成为重大公共卫生问题。近年的研究进一步发现，肥胖与肠道菌群组成及其代谢产物谱变化密切相关，因此通过益生菌调节肠道菌群逐渐被视为防治肥胖相关并发症的重要策略。Lactobacillus reuteri是一株已广泛用于人和动物的革兰氏阳性益生菌，其中自鸡肠道分离的Lactobacillus reuteri KUB-AC5具有抗炎和抗菌活性，并可增加短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）产生、改善肠道菌群结构。然而，该菌株对肥胖心脏线粒体功能的具体保护作用尚未阐明。因此，研究人员在《Journal of Endocrinology》发表了本项研究，采用高脂高热量饮食（HFCD）诱导的雄性Wistar大鼠肥胖模型，系统探讨活菌与灭活菌形式的Lactobacillus reuteri KUB-AC5能否改善心脏线粒体功能障碍及心功能。该研究的临床前结论具有重要的转化意义，为开发以特定益生菌为基础的肥胖心脏保护策略提供了初步实验依据。

研究用购自Nomura Siam International Co. Ltd的7周龄雄性Wistar大鼠39只，分普通饮食（ND，n=9）与HFCD（n=30）喂养24周；第13周起HFCD组再分三组（n=10/组），分别灌胃溶剂对照、活菌或灭活菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5（1×10⁸ CFU/天）12周。以超声心动图及心率变异性评估心功能，差速离心分离心脏线粒体并检测ROS、膜电位、肿胀及Western blot；心脏组织行LC-MS靶向代谢组学；盲肠内容物行GC-MS测短链脂肪酸（SCFAs）；血清用鲎试剂显色法测脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）；qPCR定量Bacillota与Bacteroidota。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5减轻HFCD喂养大鼠肥胖与胰岛素抵抗，但未改善血脂异常。通过测定体重、内脏脂肪重量、血脂与胰岛素相关指标，研究人员发现HFCD载体组出现肥胖、胰岛素抵抗及血脂异常，而活菌与灭活菌KUB-AC5均显著降低体重和内脏脂肪重量，并使空腹胰岛素水平与稳态模型评估胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）恢复正常。然而，益生菌干预未能改变总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）和高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）水平，提示其对HFCD诱导大鼠血脂异常无显著改善作用。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5改善肥胖大鼠心功能障碍。超声心动图与心率变异性检测显示，HFCD载体组左心室射血分数（left ventricular ejection fraction, LVEF）下降、E/A比值下降以及LF/HF比值升高，提示收缩、舒张及心脏自主神经功能受损。活菌与灭活菌KUB-AC5治疗后，LVEF与E/A比值恢复至接近ND组水平，LF/HF比值亦显著降低，说明该益生菌可减轻肥胖诱导的心脏功能障碍。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5降低肥胖大鼠心脏氧化应激并增强抗氧化能力。HFCD载体组心脏线粒体活性氧（reactive oxygen species, ROS）水平升高，并出现线粒体膜去极化和线粒体肿胀；抗氧化蛋白超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2, SOD2）和谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）表达下降。两种形式的KUB-AC5干预可恢复ROS、膜电位和肿胀参数至接近ND组水平，并上调SOD2与GPX4表达，提示其能够降低心脏线粒体氧化应激并恢复抗氧化能力。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5改善肥胖大鼠心脏线粒体动力学与线粒体生物发生。蛋白质表达分析显示，HFCD载体组线粒体融合蛋白mitofusin 2（MFN2）和视萎缩蛋白1（OPA1）降低，而分裂相关蛋白动力相关蛋白1（DRP1）升高，提示线粒体动力学失衡；同时线粒体生物发生关键调控蛋白过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）表达降低。活菌与灭活菌KUB-AC5处理均可恢复MFN2、OPA1及PGC-1α表达，并降低DRP1水平，表明该益生菌可改善肥胖心脏的线粒体动力学与线粒体生物发生。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5改善肥胖大鼠心脏脂肪利用。心脏靶向代谢组学显示，各组游离脂肪酸水平相近，但HFCD载体组心脏内游离肉碱及长链酰基肉碱（C18:0、C18:1、C16:0、C16:1）减少，而中链酰基肉碱（C14:0、C14:1、C12:0、C12:1、C10:0、C10:1、C8:0、C8:1、C6:0）未平行下降，提示脂肪酸进入线粒体受阻并出现不完全脂肪酸氧化。KUB-AC5干预提升了游离肉碱和长链酰基肉碱水平，并消除中链酰基肉碱堆积，说明其能够改善脂肪酸摄取与线粒体脂肪酸氧化。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5改善酮体利用，但未改变BCAA利用与糖酵解。HFCD载体组心脏酮体（乙酰乙酸、β-羟丁酸）及支链氨基酸（branched-chain amino acids, BCAAs；异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸）水平降低，而BCAA衍生酰基肉碱（丙酰肉碱、异戊酰肉碱）并未平行下降，提示BCAA分解不完全。糖酵解中间产物（葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-二磷酸、乳酸）亦降低。KUB-AC5治疗使β-羟丁酸回升，改善了酮体利用，但未改变BCAA、其衍生酰基肉碱及糖酵解产物水平，提示其对BCAA利用和糖酵解无显著改善作用。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5改善肥胖大鼠心脏回补、ATP生成和氧化磷酸化。三羧酸循环代谢物（柠檬酸、异柠檬酸、琥珀酸、苹果酸）与ATP水平在HFCD载体组下降，线粒体氧化磷酸化复合物I、II、III表达降低，复合物IV、V无明显变化。KUB-AC5干预使柠檬酸、异柠檬酸、ATP及复合物I、II、III表达恢复至接近ND组水平，琥珀酸和苹果酸水平虽仍低于ND组但较HFCD载体组显著升高，提示该益生菌可改善心脏线粒体回补、ATP生成和氧化磷酸化。

Lactobacillus reuteri KUB-AC5降低全身炎症并改善肠道菌群相关代谢，但未改变Bacteroidota丰度。血清与盲肠指标检测显示，HFCD载体组血清LPS升高、盲肠SCFAs减少、拟杆菌门（Bacteroidota）丰度降低，提示肥胖伴随全身炎症和肠道菌群代谢紊乱。活菌与灭活菌KUB-AC5干预均可降低血清LPS并提高盲肠SCFAs水平，但未改变Bacteroidota丰度。

讨论部分指出，Lactobacillus reuteri KUB-AC5在HFCD大鼠中减轻肥胖与胰岛素抵抗，与既往报道的多株乳酸菌作用一致；其未能改善血脂异常可能受菌株特性、剂量和疗程影响。肥胖诱导的胰岛素抵抗可造成心脏线粒体氧化应激、动力学失衡、生物发生减少、代谢紊乱和氧化磷酸化受损，而KUB-AC5对上述多数线粒体参数具有修复作用。该研究首次采用心脏代谢组学评估益生菌对线粒体代谢的影响，发现该菌可改善脂肪酸与酮体利用、回补和ATP生成，但对糖酵解与BCAA利用改善有限，提示其对心脏线粒体代谢的恢复作用弱于其他线粒体参数。益生菌降低血清LPS并升高SCFAs，提示其抗炎作用可能通过改善肠道菌群相关代谢而间接保护心功能与线粒体。此外，活菌与灭活菌效果相当，为免疫低下宿主使用灭活益生菌提供了依据。作者承认研究仅纳入雄性大鼠、采用单一剂量与疗程，且未进行宏基因组测序，未来应在雌性动物、不同剂量与疗程以及更精细的自主神经功能评估中进一步验证。

研究结论部分原文指出：本研究在雄性大鼠中的证据显示，活菌与灭活菌形式的益生菌Lactobacillus reuteri KUB-AC5均对肥胖诱导的心脏线粒体功能障碍和心功能障碍具有保护作用，表现为降低线粒体氧化应激、线粒体膜去极化和线粒体肿胀，并改善心脏线粒体的抗氧化能力、线粒体动力学、线粒体生物发生、线粒体代谢及氧化磷酸化。这些临床前结果可为开发新型益生菌干预措施以预防肥胖相关心脏线粒体功能障碍提供初步依据。