Die Rolle von Darmmikrobiom-assoziierten Metaboliten für kardiometabolische Erkrankungen

Abstract

Introduction Intestinal flora is essential for cardiometabolic health. Changes of gut microbiome composition are associated with numerous disease states, including cardiovascular and cardiometabolic. Multiple gut microbial metabolites have been shown to impact cardiometabolic physiology in animal and human studies. Here we examined the influence of gut microbiota as well as of its metabolite propionate on cholesterol homeostasis in mice. Furthermore, we investigated a potential role of the gut microbiome for cholesterol lowering effects of atorvastatin.

Methods To address these objectives we used wild type and hypercholesterolemic mice. Mice with intact or antibiotics depleted gut microbiome were put on standard control or high fat diet for six weeks. From week three mice were orally applied either control vehicle, propionate or atorvastatin once daily. After six weeks mice were sacrified and feces, organs and blood were collected. Blood lipids were determined by high performance liquid chromatography. To demonstrate community composition of the gut microbiome of the respective groups, 16S rRNA gene analysis was performed. Semiquantitative protein expression of hepatic and intestinal proteins were assessed via Western Blot. In vitro inhibitory properties of propionate on HMGCR were examined using an enzyme activity assay and hepatic cell line. Statistical analyses were performed by 1-way ANOVA followed by post hoc Tukey’s multiple comparison test or students t test.

Results Gut microbiome composition was changed upon high fat diet compared to control diet in wild type mice. Propionate and atorvastatin modulated gut microbiome composition at phylum level in conventional mice. Hyperlipidemic abiotic ApoE-/- mice showed elevated LDL-level compared to mice with intact gut microbiome. Orally applied propionate lowered LDL-level in high fat diet fed ApoE-/- mice microbiota-dependent. To identify underlying pathways key enzymes in cholesterol metabolism were investigated on protein level. Atorvastatin showed a microbiota-dependent regulation of proteins, while this was not observed for propionate. Propionate did not impact HMGCR enzyme activity nor protein expression in HepG2 cells. Conclusion Our findings support a regulatory property of the gut microbiome for cholesterol homeostasis. We found that orally administered gut microbiota-derived metabolite propionate reduced LDL-level in HFD fed hypercholesterolemic mice. As one potential underlying mechanism we found a changed gut microbiome composition. Furthermore, we demonstrated that atorvastatin-treatment had a microbiota-dependent regulatory effect on blood lipids and changed gut microbiome composition. Our results provide novel insights into potential microbiota-related mechanisms in cholesterol metabolism and indicate the gut microbiome as a treatment target in dyslipidemia and cardiovascular prevention.

Einleitung Die intestinale Flora ist integraler Bestandteil kardiometabolischer Gesundheit. Veränderungen des Darmmikrobioms sind mit kardiometabolischen Erkrankungen assoziiert. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss des von Darmmikrobiom und Propionat, einem Metaboliten des Darmmikrobioms, im Cholesterinmetabolismus im Tiermodell zu untersuchen. Zudem untersuchten wir den Einfluss des Darmmikrobioms für cholesterinsenkende Effekte einer Statintherapie mit Atorvastatin.

Methoden Wir verwendeten Wildtyp- und Apolipoprotein E Knockout (ApoE-/-) Mäuse als etabliertes Mausmodell der Hypercholesterinämie. Mäuse mit intaktem oder durch Antibiotikagabe eradiziertem Darmmikrobiom (sekundär abiotisch) erhielten über 6 Wochen Standard- oder Hochfettdiät. Ab Woche 3 wurden die Mäuse täglich mit Propionat, Atorvastatin oder einer Kontrolllösung gavagiert. Nach 6 Wochen wurden die Mäuse getötet und Fäzes, Blut und Organe gesammelt. Blutlipide wurden durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie bestimmt. Mittels 16srRNA Genanalyse erfolgte die Analyse der Darmmikrobiomzusammensetzung auf OTU-Ebene. Expression hepatischer und intestinaler Schlüsselproteine des Cholesterinmetabolismus wurden via Western Blot untersucht. Potentielle inhibitorische Effekte von Propionat auf HMGCR wurden mittels Enzym-Aktivitäts-Assay und einer hepatischen Zelllinie untersucht. Statistische Analysen erfolgten mittels 1-way ANOVA, gefolgt von einem post hoc Tukey’s oder Students T-Test.

Ergebnisse Die Darmmikrobiomzusammensetzung wurde in Wildtypmäusen durch Diät auf Ebene der Bakteriengruppen beeinflusst. Propionat und Atorvastatin zeigten Einfluss auf Phylumebene. Hyperlipidämische ApoE-/- Mäuse ohne Darmmikrobiom zeigten höhere Plasmaspiegel von LDL als konventionelle Vergleichstiere. Unter oraler Propionatzufuhr zeigten Hochfettdiät gefütterte ApoE-/- Mäuse signifikant reduzierte LDL-Spiegel, wenn das Mikrobiom intakt war. Propionat hatte keinen Einfluss auf LDL-Spiegel sekundär abiotischer Tiere. Atorvastatin, jedoch nicht Propionat, wies eine Mikrobiom-abhängige Regulation hepatischer und intestinaler Schlüsselproteine des Cholesterinmetabolismus auf. Propionat zeigte keinen Einfluss auf die HMGCR-Aktivität. Inkubation von HepG2 Zellen mit Propionat führte zu keiner Expressionsveränderung von HMGCR und HMGCS1.

Diskussion Unsere Ergebnisse unterstreichen den regulatorischen Effekt des Darmmikrobioms auf den Cholesterinmetabolismus. Propionatzufuhr führte zur Senkung der LDL-Blutspiegel hyperlipidämischer Mäuse unter Hochfettdiät mit intaktem Mikrobiom. Als potentiellen Mechanismus identifizierten wir eine veränderte Darmmikrobiomzusammensetzung. Zudem sahen wir eine Modulation des Mikrobioms durch Atorvastatin sowie Darmmikrobiom-abhängige Regulation des cholesterinsenkenden Effektes von Atorvastatin. Diese Ergebnisse könnten dazu beitragen neuartige, Darmmikrobiom-basierte Konzepte zur Prävention und Behandlung kardiometabolischer Erkrankungen zu entwickeln.