慢性心血管疾患および代謝疾患における
ケフィアの作用機序

Fabio S Pimenta et al.
Cell Physiol Biochem 2018;48:1901-1914

はじめに

　感染症は20世紀初頭まで世界で最も重要な健康問題でしたが[1、2]、心血管疾患および代謝性疾患が徐々に世界的な罹患率と死亡率の最大の原因になりました。そしてこれらの問題は少なくとも数十年続くと予想されます[3]。最近の研究は、腸内微生物叢と宿主の異なる器官の機能との間に相互作用があることを示しています。腸の共生の発生は、心血管疾患および代謝疾患を含む全身異常の発症または悪化の一因となります[4、5]。この現在のシナリオは、腸の恒常性を維持し、腸の共生を予防または逆転させることが知られているプロバイオティクス栄養補助食品の使用に対する関心を高めています[6-8]。

　腸内細菌叢とは、腸細胞と共生する共病原性の非病原性微生物の広いコミュニティを指します[4-6]、細胞および/または液性メカニズムを介して腸粘膜を保護することに加えて、病原微生物を殺し、利用可能なニッチに定着させ、栄養素を消費および生産することにより、病原微生物に対するバリアを作成することにより、宿主にさまざまな効果を提供します[5-7]。宿主微生物叢動態の評価は、正常な腸内微生物叢が自律神経系の成分（腸、求心性および遠心性経路）を介して宿主の統合脳領域と相互作用し、循環系および内分泌系を介して標的全身器官と相互作用することも示唆している[8-13 ]。図1に示すように、消化管の急性および慢性感染症、抗生物質療法、全身疾患、老化、食事、ライフスタイルなど、いくつかの要因が腸内細菌叢の乱れ（共生）につながる可能性があります[14-17]。

　ここでは、心臓の自律神経障害、内皮機能不全、動脈高血圧性異常脂質血症、およびインスリン抵抗性に対する乳機能性食品の有益な効果に関する実験的および臨床データを簡単に確認します。

機能性食品とケフィア

　機能性食品は、通常の食事と一緒に摂取すると基本的な栄養を超えた利点を提供し、栄養補助食品は、食品以外の形で供給される生物学的に活性な食品成分を含む抽出物です[17、18]。機能性食品の利点に関する累積的な知識の結果として、さまざまな食品成分の有益な作用のメカニズムを理解しようとするために、ますます多くの調査が行われています[19-22]。人々はまだ一般的に細菌を病気の原因と考えていますが、ノーベル賞受賞者のエリー・メチニコフは、1910年には早くも乳酸菌の利点を理論化しました。現在、機能性食品を添加した健康的な食事は、腸の共生に健康増進効果をもたらし、身体器官の免疫系と機能を改善することがよく知られています[4、23]。

　プロバイオティクスとシンバイオティクスは、腸のホメオスタシスを改善することが知られている食物サプリメントとしてすでに消費されており[24]、安全に使用でき、低コストで生産されています[8、25]。プロバイオティクスは、生菌や他の微生物で構成される生体調節物質であり、適切な量を投与すると、腸内微生物叢の乱れを予防または軽減し、ホストに健康上の利益を与えることが期待される重要なツールです[24-28]。プロバイオティクス製品で一般的に使用される生きた微生物は、主にラクトバチルス、ラクトコッカス、連鎖球菌、腸球菌、グラム陽性菌の株、および特定の酵母株（サッカロミセス）です[6、25、28]。

　宿主の腸に対するプロバイオティクスの効果の根底にあるメカニズムには、次のような証拠が増えています[28-30]

（a）抗菌物質（バクテリオシン、ミクロシン、デフェンシン、遊離脂肪酸、過酸化水素など）の生産、(b）上皮への接着および栄養素の競合、（c）免疫調節作用および（d）細菌毒素産生の阻害。現在、これらのメカニズムはすべて、腸内微生物叢障害の進行と体内器官の機能不全を軽減するための重要なツールとして特徴付けられ、研究されています。並行して、消化管微生物叢を変更する大きな可能性を持つプレバイオティクスである特定のオリゴ糖（例えば、イヌリン、オリゴフルクトース、ラクツロース）などの非消化性食品成分を加えることにより、プロバイオティクスの有益な効果を増強できることが知られています[8、 31、32]。興味深いことに、プレバイオティクスは、消化管内のプロバイオティクス微生物の生存率を向上させますが、他の微生物への影響は限定的です[33]。この組み合わせを説明するために「synbiotic」と「symbiotic」の両方の用語が使用されていますが、「synbiotic」はプレバイオティクスとプロバイオティクスの相乗的なブレンドと呼ばれ、ホストの健康に役立つ目的で使用または管理されます。逆に、私たちは「symbiotic」という用語を使用して、腸内微生物叢内で互いに共生する特定の利点をそれぞれが共生するさまざまな生きている微生物を説明します。

　発酵乳製品が健康に良い影響を与えるという発見は、数世紀前に起こりました。ケフィアの起源はコーカサス山脈の北部[9、34]であり、その使用は手渡されたため[33、34]世界中に広がっています。ケフィア粒は、乳酸菌および酢酸菌と酵母の種を含む複雑な微生物群集によって構成され、ケフィアと呼ばれる発酵乳を得るために使用されます[9、34、35]。私たちの地域（ブラジル、グランビトリア）で消費されているケフィア粒の最近の微生物学的分析[36、37]は、 消化管粘液に付着することにより、腸のユビオシスを維持し、腸内細菌症を修正します[31、38]。これらの有益な微生物は、病原性微生物の侵入[7、39、40]および病原性微生物毒素の細胞毒性効果[41]から保護します。

心血管疾患におけるケフィア効果からの洞察

　ケフィアは有益な効果があるという信念に基づいて世界中で長い間消費されてきましたが、心血管疾患における保護効果の大きさを研究したのはごく最近のことです。 私たちのグループの最初の目標は、ケフィアの時間経過と濃度を決定して、高血圧（BP）に大きな価値をもたらすことでした。これらの研究は、自然発症高血圧ラット（SHR）で実施されました[36]。

ケフィアの降圧効果

　さまざまな研究者が、ケフィア粒とその派生微生物または生体化合物で発酵させた牛乳の血圧降下作用を、動脈高血圧の実験モデルで示しています[42-44]。 同意して、私たちの研究室は、プロバイオティクスケフィアを高血圧レベルの大幅な低下を達成するために少なくとも30日間投与しなければならないと報告しました[36、45、46]。興味深いことに、ケフィアのこの血圧降下作用には、SHRモデルの特徴である頻脈と左心室肥大の有意な減少が伴いました[36、45、46]。降圧効果は、投与された乳がLactobacillus fermentum [47]、Lactobacillus coryniformisとLactobacillus gasseri [47]、Lactobacillus helveticus [48]、Lactobacillus paracasei [49]、Lactococcus lactis [50]によって発酵された場合にも観察されました。

　ケフィアがBPの減少を引き起こす重要なメカニズムは、活性酸素種（ROS）（O2-、ONOO-、H2O2など）の過剰な生成の抑制によることが明らかになっています[36]。酸化ストレスの上昇は、血管の炎症、血流の乱れ、異常なせん断応力、内皮機能障害、動脈壁のリモデリングなど、他の心血管異常の出現と維持にも寄与します[51-54]。ケフィアおよびケフィア由来の生物活性製品は、圧反射感受性のエンハンサーおよびアンジオテンシン変換酵素（ACE）の阻害剤として作用することによりBPを低下させます[43、54、55]。したがって、ケフィアは、腸内共生を予防または逆転することにより、および/または以下により詳細に説明する他の全身機構により、BPの低下に寄与する神経および生化学的変化をもたらす。

ケフィアと心血管機能の自律神経制御

　私たちのグループは、SHRモデルにおけるBPと心機能の異常な自律神経制御に対するケフィアの効果を評価しました。最初に、我々は、変時性の制御に関連する基底心臓副交感神経（迷走神経）および交感神経緊張を調査しました[56、57]。これらのデータは、SHRの迷走神経緊張の低下と交感神経緊張の増加を示し、60日間のケフィアによる治療後に部分的に回復しました[46]。心臓の自律神経制御に対するケフィア効果の大きさは、他の介入によって得られたものと類似していた[54、58-60]。現在の課題は、異常の原因が中枢領域にあるのか、末梢神経/受容体にあるのかを判断することを目的とした新しい研究を設計することです。高血圧のSHRモデルで実証されているように、圧反射が心血管疾患および代謝疾患で損なわれることは十分に確立されています[36、45、46]。 それらの著者は、伝統的な方法（参考文献[59]の詳細な説明を参照）を使用して、ケフィアで60日間処理した意識SHR動物の動脈圧の圧反射制御を評価し、結果はケフィアが圧反射機能を改善することを実証しました[46]。使用された薬理学的アプローチに基づいて、著者らはケフィアが心臓への副交感神経と交感神経の活動のバランスを回復すること（HR）[61]により圧反射を改善したと結論しました[46]。しかし、上記の研究から導き出された未解決の問題は次のとおりです。プロバイオティクスとシンバイオティクスはどのメカニズムによって脳領域に影響を与えることができますか？この質問に答えるには追加の研究が必要ですが、関連する研究は、腸の化学感知メカニズムを介した腸内分泌細胞と迷走神経求心性の相互作用を示唆しています[5、10]。興味深いことに、2011年にBravoらは、マウスの迷走神経切断が中枢神経系と腸神経系の間のこの双方向のコミュニケーションを緩和したことを実証しました[62]。並行して、多くの研究者は、腸内細菌叢の細菌が、アセチルコリン、ガンマアミノ酪酸（GABA）、セロトニン、カテコールアミンなどのホルモンや神経伝達物質を合成し、応答できることを実証しました[63]。したがって、ケフィアが正常な腸内細菌叢を回復するため、高血圧動物の圧反射機能と動脈血圧および心拍変動の改善が起こると推測されます[38] その結果、腸管腔での神経活性化合物の生成と、腸と脳の双方向の相互作用に対するその後の影響が回復します[5、63]。

内皮機能障害に対するケフィアの効果

　通常の状態では、内皮は弛緩と収縮のバランスを維持しますが、この平衡は、慢性心血管疾患（酸化ストレス、動脈性高血圧、アテローム性動脈硬化症など）および代謝性疾患（糖尿病など）で破壊される可能性があります[36、64]。生理学的に、血管がゴールドスタンダードの血管拡張剤アセチルコリンに対する障害のある反応および/またはα1血管収縮作用薬に対する悪化した反応を示す場合、内皮機能障害は一酸化窒素（NO）依存性メカニズムを介して容易に特定できます。酸化ストレスは、NOの可用性とその結果としての機能性を損なう可能性があるため、内皮機能障害の一般的な原因です。薬理学的および非薬理学的（例、機能性食品療法）療法は、酸化ストレスを軽減するための関連戦略です。プロバイオティクスが総胆管結紮ラットの腸間膜動脈輪の内皮機能障害を予防したというRashid et al（2014）の知見[65]の後、我々のグループはSHRの内皮機能障害に対するプロバイオティックケフィアの効果を評価しました[36]。治療の時間経過は、ケフィアによる治療の少なくとも8週間が、この動脈高血圧のモデルにおける内皮機能障害に対する著しく有益な効果を観察するために必要であることを示した[36]。著者らは、アセチルコリンに反応した大動脈リングの血管拡張障害が、ケフィアによる慢性治療によって著しく改善されたことを実証した[36]。さらに、ケフィアは残りの収縮を緩和することができました。これは、アセチルコリンに対する血管反応性のテストが、NOシンターゼブロッカーL-NAMEとのプレインキュベーションの条件下で繰り返されるときに観察されます[36]。他の著者は、分離されたLactobacillus fermentumまたはLactobacillus coryniformisによるSHRまたは肥満動物の治療が、おそらく、シンバイオティクスケフィアと同じメカニズムによるものです（バランスの改善∙O2-/ NO）によって、障害のある大動脈弛緩を逆転させることができることを示しました[66、67]、同じ研究者グループは、ケフィアが∙O2-、ONOO- H2O2の血管内産生を減少させ、血管内NOバイオアベイラビリティを回復することにより、SHRからの大血管の内皮機能障害も軽減できることを示した[36、45]。合意では、大動脈環とNADPHオキシダーゼアポシニンの阻害剤とのプレインキュベーションにより、SHRの血管拡張が改善されましたが、対照群および/またはSHRケフィア治療動物[36、67]の血管拡張は改善されませんでした。 治療は、NOバイオアベイラビリティを高め、ROS生産を高めるための有用な栄養補助食品となります。さらに、プロバイオティクスは、高血圧のその動物モデルにおいて、toll様受容体-4（TLR4）誘発ROSおよびNADPHオキシダーゼ活性のレベルを低下させる可能性があります[66]。したがって、累積データは、ケフィア治療が、心血管疾患で観察され、さまざまな経路機構を伴う内皮血管拡張障害の治療に有効なアプローチであることを示しています。α1アドレナリン受容体アゴニストに対する収縮力の増加は、慢性心血管疾患および代謝疾患の特徴でもあります[67、68]。しかし、心血管疾患で観察される悪化した血管収縮を予防または逆転させるケフィアの有効性は未解決の問題です。私たちの研究グループは、内皮機能障害も血管層の物理的損傷と関連しているという仮説に焦点を当てています。この可能性は、Lactobacillus paracaseiおよびLactobacillus plantarumで発酵させたミルクで投与したSHRからの大動脈血管の中膜層の破壊の修復を示す発見によって裏付けられています[11、12]。最近、私たちの研究グループは、走査顕微鏡分析により、ケフィアがSHRラットの血管内皮表面で観察された損傷を減衰できることを実証しました[36]。これらの観察結果は、ケフィアが動脈性高血圧に伴う内皮機能障害を改善する主なメカニズムはその抗酸化作用によるものであるが、後述するように内皮前駆細胞の動員も含まれることを示唆している。ほとんどの出版物はケフィアの抗酸化特性を報告していますが[11、17、36、43、45]、このプロセスに寄与する分子経路は、さらなる調査のために開かれたままです。これが継続的な課題である理由の1つは、ケフィア粒には複数の単一の化学物質が含まれており、各単一分子または微生物の相対的寄与を拡大することが困難だからです。最近、一部の著者は、ケフィアに存在するいくつかのプロバイオティクス株が、抗酸化酵素（ペルオキシダーゼ、スーパーオキシドジスムターゼ、グルタチオンレダクターゼ、フェルロイルエステラーゼおよび擬似カタラーゼ酵素）およびROSに対抗するラジカル消去能を持つ非酵素物質を合成することを明らかにしました[69-71] 。並行して、我々のグループは、可溶性の非細菌画分がACE活性の阻害により酸化促進性アンジオテンシンIIの産生を減少させることを示した[54]。

抗アテローム性動脈硬化および抗炎症効果

　アテローム性動脈硬化の合併症は、世界中の罹患率と死亡率の主な原因となっています。したがって、この複雑な疾患の予防と治療のために、プロバイオティクスを含む複数のオプションを検討することが重要です。プロバイオティクスの使用の利点は、プロバイオティクスには、通常ヒトの消化管に存在せず、糞便からすぐに排除される生きた細菌が含まれていることです[72、73]。以下で説明するように、ケフィアとケフィア由来の製品の毎日の摂取が、有意な低コレステロール血症[74-76]および免疫調節[77-79]効果をもたらす可能性があることを示す研究があります。ケフィアによって示されるコレステロール低下効果は、腸内微生物叢に生息するこの共生生物の微生物および派生生体化合物に起因する可能性があります[72、73、79-81]。消化管に対するシンバイオティクスケフィアの効果の1つは、内因性コレステロール代謝経路に関係し、微生物による同化と代謝を確保し、小腸でのコレステロール吸収を阻害するようです[82-88]。さらに、ケフィアは1）コレステロール合成の重要な酵素であるHMG-CoAレダクターゼ酵素の阻害[11、86]および2）胆汁酸塩の脱共役によってコレステロールの需要を増加させることにより、高コレステロール血症に対抗できることを示唆するデータがあります「de novo」合成[80、86、88]。実際、ケフィアへの特定の酵母菌株は、高レベルの胆汁酸塩加水分解酵素活性を示し[89]、これは胆汁酸を脱共役させ、糞便中の排泄を増加させ[78、79、90]、コレステロールの低下を助けます。高コレステロール血症マウスに投与されたケフィアまたは生体化合物、および消化酵素の製剤は、HDLを増強し、LDLを低下させ[76]、抗炎症および免疫調節活性を示し[84、85、91、92]、ケフィアを含むプロバイオティクスおよびシンバイオティクスの概念を裏付ける、脂質異常症の治療に有望です。ケフィアの摂取は、in vivo [83、84]およびin vitro実験[93]の両方で、サイトカイン[92-94]、TNFαおよびINFγのレベルの一時的な変化をもたらします。ケフィア全体、ケフィア画分、またはケフィアから分離された生物を用いたいくつかの研究により、抗炎症性サイトカインはTh2応答を促進すると同時に炎症性Th1応答を阻害することが示された[39、78、92-95]。興味深いことに、最近では、Lactobacillus plantarumに由来するタンパク質が、腸のバリア、微生物叢、炎症性サイトカインの調節を通じて、重要な抗炎症作用を持っていることが発見されました[96]。したがって、ケフィアおよび派生した分離微生物は、抗炎症性サイトカインを増加させ、炎症誘発性反応を減少させ、その抗アテローム性動脈硬化の可能性を正当化します。ケフィアの抗アテローム生成特性の最初のデモンストレーションが最近研究グループによって発表され、ケフィアの可溶性非細菌画分の慢性投与は、高コレステロール血症とは無関係にアテローム性動脈硬化マウスの脂質沈着を減衰させることができることを示しました（〜100％）これは、サイトカインプロファイルの変化によって正当化されました[97]。これらのデータは、内田らの以前の発見を裏付けています[98]。Lactobacillus kefiranofaciensを使用して高コレステロール血症ウサギのアテローム性動脈硬化の減少を報告した。したがって、アテローム性動脈硬化症に対する治療は従来、高コレステロール血症に焦点が当てられてきましたが、ケフィアは免疫調節効果によって疾患の進行を遅らせるための貴重な代替手段となり、治療の新しい視点を開きます。

メタボリックシンドロームに対するケフィアの利点：インスリン抵抗性に焦点を当てる

　都市化と現代の座りがちなライフスタイルがメタボリックシンドローム（MS）の増加と密接に関連していることはよく知られています[99-101]。MSは、心血管リスクの増加（2倍）、2型糖尿病（5倍）、および全死因死亡率（1.5倍）に寄与する[99-102]ところの一連の相互に関連する生理学的および生化学的要因（インスリン抵抗性、高血糖、内臓脂肪過多症、異脂肪血症、肝脂肪症、高血圧、内皮機能障害、慢性炎症）によって特徴付けられます。MSの世界的な有病率は、地域、人口、およびその他の関連要因に応じて10％から84％の範囲です[103-105]。肥満とインスリン抵抗性は、2型糖尿病、心血管疾患、神経変性疾患などの併存疾患の主要な素因となるようです。

　従来のライフスタイルの変更と薬物療法は、MSの進行を制御するための主要な戦略ですが、これらの行動は部分的な成功のみをもたらします[33、34]。過去10年間で、健康な腸内微生物叢が肥満とインスリン抵抗性の制御に役立つことが示されました[106-110]。腸内微生物叢はやせ型と肥満の被験者で異なり、インスリン抵抗性患者は、やせ型ドナーからの「健康な腸内微生物叢」を移植した後の代謝プロファイルの改善を開発しました[108、111]。Liou et al. [112]は、胃バイパス治療マウスから非手術無菌マウスへの腸内微生物叢の移動が、提案と一致して体重と脂肪量の減少をもたらすことを実証しました。腸内微生物叢の変化は、肥満手術後のMSの減少に寄与することを示しています[109]。

　生理学的には、腸内微生物叢が炭水化物と脂質の代謝、肝グリコーゲンと脂肪の貯蔵、腸の運動性と食欲を調節できることが知られており[109、111]、微生物叢がMS治療の重要なアジュバントであることを示唆しています。これらの観察は、実験的な脂肪肝モデルで確認されました。ケフィアは、脂質生成経路（脂肪酸シンターゼとアセチルCoAカルボキシラーゼ）の活性を低下させることができました。リン酸化AMP活性化プロテインキナーゼ、肝臓のカルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ1およびペルオキシソーム増殖因子活性化受容体αのタンパク質過剰発現による脂肪酸酸化の増加、MSに強く関連する脂肪肝への適用性の拡大[113、114 ]。したがって、主にケフィアであるプロバイオティクスおよびシンバイオティクスの使用は、MSおよび関連障害の予防および治療の有望な代替法です[89、113、114]。2002年、照屋等[115]はそのケフィアはインスリンシグナル伝達経路を活性化する可能性があり（おそらくPI 3-キナーゼまたは他の上流分子の活性化による）、骨格筋細胞におけるグルコース流入の強化に至りますと報告している。10年後、Hadisaputroら[94]が実施したin vivoの研究により、1型糖尿病の実験モデルでケフィアの補充が血糖を低下させ、炎症性サイトカインと抗炎症性サイトカイン（IL1、IL6、TNF / IL-10比）のバランスを改善することが明らかになりました [94]。これらの結果は、MSの実験モデルで最近確認されました[116]。この研究の結果と一致して、Punaro et al. [117]は、STZ糖尿病ラットを使用したケフィア補充後の抗酸化および腎保護効果も実証しました。

Ostadrahimiら[118]は、ケフィアが2型糖尿病患者の血糖値とHbA1cを低下させることを示し、この共生療法が糖尿病の治療における興味深いアジュバントである可能性を示唆しています。他の著者は、ケフィアがインスリン反応性筋細胞[117]およびラットのSTZ誘発糖尿病[118]のROS細胞内レベルを低下させることができることを示しました。さらに、I型糖尿病のラットで観察されたタンパク尿と高窒素血症は、ケフィアでの治療により減少しましたが、その効果は明ら​​かに抗酸化能力に関連しています[115]。上記の報告にもかかわらず、ケフィアが高血圧を低下させる可能性のあるメカニズムであるアンジオテンシンIからIIへの酵素変換[119]に関連する動脈高血圧の他のモデルを含む、追加の臨床的および実験的研究が必要である[54]。図2は、ケフィアのさまざまな標的に対する潜在的な有益な効果をまとめたもので、腸内細菌叢と脂質異常症、2型糖尿病、動脈性高血圧などの複雑な疾患との双方向の相互作用を強調しています。

　最後に、血糖プロファイルに対するケフィアのこれらの有益な効果はすべて、別の観点に値します。腸内微生物叢は、胃腸管の微生物組成と空腹または満腹の状態を調節できることが知られています。興味深いことに、この仮説は最近、発達研究に最も広く使用されている動物モデルの1つであるゼブラフィッシュで確認されました[120]。プロバイオティクスのLactobacillus rhamnosus（ケフィアに広く存在する）を8日間摂取した後、これらの動物は食欲抑制遺伝子と食欲促進遺伝子の上方制御と下方制御をそれぞれ示し、プロバイオティクスがグルコース代謝と食欲制御に関与する遺伝子を調節する可能性があることを示唆している[120]。MSにおけるケフィアの有益な効果は、その有効成分の生物学的利用能だけでなく、腸内微生物叢の変化にも関係している可能性があります。

結論と展望

　腸内微生物叢と心血管疾患および代謝性疾患との双方向の相互作用を示唆するいくつかの証拠があり、ミクロビオーム由来の生体化合物、中枢神経系、免疫系、代謝経路、および循環系を介して互いに影響を及ぼします。このレビューでは、腸内細菌叢と心血管および代謝性疾患の相互作用のメカニズムについて議論しました。これには、自律神経制御または心血管機能、異脂肪血症、インスリン抵抗性が含まれます。そして、我々は、共生ケフィアがそれらの異常を改善するように見えるいくつかのメカニズムを提案しました。ただし、異なる起源および生産プロセスのケフィア粒で発酵した乳が同様の有益な効果を発揮できるかどうかを検証するには、追加の研究が必要です。また、近い将来、腸内マイクロバイオームの分析を日常的に使用して、心血管疾患および代謝疾患に苦しむ患者に対するシンバイオティクスの適切な処方を決定で​​きると予想されます。

この文献はCell Physiol Biochem 2018;48:1901-1914に掲載されたMechanisms of Action of Kefir in Chronic Cardiovascular and Metabolic Diseases.を日本語に訳したものです。タイトルをクリックして原文を読むことが出来ます。