《Steroids》：Circulating 4β-hydroxycholesterol as a biomarker of CYP3A4 activity: beyond drug development
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迈克尔·N·帕萨雷利（Michael N. Passarelli）
美国纽约州石溪大学文艺复兴医学院家庭、人口与预防医学系，石溪癌症中心
摘要
细胞色素P450 3A4（CYP3A4）在肠道和肝脏中的表达对于许多类固醇、环境毒素和药物的氧化代谢至关重要。该酶还能将胆固醇转化为
迈克尔·N·帕萨雷利（Michael N. Passarelli）
美国纽约州石溪大学文艺复兴医学院家庭、人口与预防医学系，石溪癌症中心
摘要
细胞色素P450 3A4（CYP3A4）在肠道和肝脏中的表达对于许多类固醇、环境毒素和药物的氧化代谢至关重要。该酶还能将胆固醇转化为4β-羟基胆固醇（4β-OHC），这是一种参与多种代谢信号通路的氧化甾醇，并可在人体循环系统中检测到。循环中的4β-OHC越来越多地被用于药物开发研究，作为CYP3A4活性的内源性生物标志物，以了解药物代谢情况以及潜在的药物相互作用。4β-OHC在血液中的半衰期相对较长，这为其提供了时间稳定性，同时在强效CYP3A4诱导剂的作用下，其浓度可在一周内增加2到4倍。除了药代动力学研究外，循环中的4β-OHC还逐渐成为流行病学研究中评估肝脏疾病、肾脏疾病、高血压、糖尿病和癌症等病症中CYP3A4相关解毒能力的生物标志物。脂质生物学的发现使4β-OHC与其他氧化甾醇区分开来，揭示了内源性和外源性物质代谢如何破坏胆固醇、脂肪酸和葡萄糖的稳态。本文总结了循环中4β-OHC在流行病学研究中的日益重要的意义，重点关注临床和人口统计特征作为变异的来源。
引言
胆固醇的一羟基化通常发生在类固醇环结构的C4或C7位置，或侧链的多个位置，从而产生称为氧化甾醇的功能性脂质[1]。在所有氧化甾醇中，4β-羟基胆固醇（4β-OHC；cholest-5-ene-3β,4β-diol，图1）是由细胞色素P450 3A（CYP3A）亚家族（如CYP3A4和CYP3A5）[2] [3]产生的，这些酶参与许多化合物的代谢，包括几乎所有药物的代谢[4]。4β-OHC的主要来源是自氧化和活性氧物种引起的氧化应激，而其立体异构体4α-羟基胆固醇（4α-OHC）则被认为完全由这些过程产生，不涉及CYP3A4[2] [5] [6]。为简便起见，本文在提到适用于CYP3A4和CYP3A5的发现时，主要使用CYP3A4这一名称，因为这两种酶的基因高度同源[7]。
长期以来，4β-OHC被认为是一种“孤儿氧化甾醇”[8]，但最近的研究[9] [10]表明，它引起了药理学研究的极大兴趣，循环中的4β-OHC浓度被用来表征个体间CYP3A4活性的差异，并识别潜在的药物相互作用[11]。监管机构对制药行业的指导虽然没有正式认可，但也承认循环中的4β-OHC可以补充CYP3A4活性的探针药物研究[12] [13]。因此，循环中的4β-OHC开始被整合到基于生理学的药代动力学建模软件[14] [15] [16]和候选药物筛选方案[17]中。关于4β-OHC的转化研究正朝着另一个方向发展，即将其作为疾病发生和进展的风险因素进行测试。药理学研究关注的是循环中4β-OHC在几小时到几周内的变化，而以疾病为导向的研究则关注的是几个月到几年内累积的CYP3A4相关解毒能力。这种新兴的应用基于这样一个事实：循环中的4β-OHC的半衰期明显长于其他内源性CYP3A4生物标志物。
章节摘录
循环中的4β-OHC浓度
人体血浆或血清中的4β-OHC浓度通常在10到60 ng/mL之间，与其他氧化甾醇（如7α-羟基胆固醇（7α-OHC）和27-羟基胆固醇（27-OHC）相当，约占循环总胆固醇（TC）浓度的0.01%到0.001%[2] [6]。在服用已知能强烈诱导CYP3A4的抗癫痫药物的人群中观察到极高的4β-OHC浓度（200至>600 ng/mL）[18]，这初步表明CYP3A4参与了4β-OHC的生成
肠道和肝脏中的CYP3A4活性
CYP3A4既参与首过代谢也参与全身代谢[38]。尽管CYP3A4在小肠中表达，且来自膳食胆固醇的氧化甾醇可以通过乳糜微粒进入血液循环[39]，但大多数证据表明肝脏是循环中4β-OHC的主要来源[40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47]。那些不会转化为胆汁酸并分布在胆汁中的氧化甾醇（包括4β-OHC）可以直接从肝细胞释放到血液循环中
C4和C7氧化甾醇的二元性
越来越多的证据表明，C4和C7氧化甾醇在许多代谢途径中起着相反的作用。因此，理解4β-OHC的生物学活性需要将其与7β-羟基胆固醇（7β-OHC）和7-酮胆固醇等氧化甾醇进行对比，这两种物质都不是由CYP3A4产生的。7β-OHC和7-酮胆固醇都是由7β-羟基甾醇脱氢酶2型（11β-HSD2）产生的活性羰基化合物，它们对细胞具有特别大的损害作用，会引发氧化应激
涉及4β-OHC的代谢信号通路
CYP3A4的表达受多种核受体的调控，包括孕烷X受体（PXR；NR1I2）和组成型雄烷受体（CAR；NR1I3），这两种受体均可被多种药物、类固醇和环境污染物激活[60] [61]。用强效PXR激动剂孕烯醇酮-16α-碳腈处理的小鼠，其循环中的4β-OHC浓度在一周内增加了6倍[62]，但4α-OHC浓度没有变化[49]。CYP3A4的表达还受到过氧化物酶体增殖激活因子的调控
血液中4β-OHC的定量实验室方法
已经开发了几种使用GC-MS或LC-MS定量4β-OHC浓度的实验室方法。这些方法通常包括Bligh和Dyer法或类似的方法来破坏脂蛋白并提取脂质，碱性或酶促水解步骤来降解酯类，以及固相或液-液萃取来分离氧化甾醇。常用的LC-MS方法包括为氧化甾醇面板开发的那些[87] [88]（Griffiths等人进行了综述[89]），或者专门针对4β-OHC的方法
给予CYP3A4探针药物后循环中4β-OHC的时间变化
早期临床试验中使用米达唑仑或利福平等探针药物，是了解CYP3A4介导的代谢和潜在药物相互作用的主要手段[96]。Marschall等人[97]和Niemi等人[98]证明，每天口服600毫克利福平1-2周后，循环中的4β-OHC浓度增加了2到4倍（表1）。后续多项研究也证实了这一剂量可使4β-OHC浓度增加2到5倍
循环中4β-OHC的变异来源
横断面流行病学研究可以有效地确定循环中4β-OHC与人口统计和生活方式特征之间的关联，从而确定CYP3A4介导的胆固醇代谢的主要决定因素。这类研究还可以初步揭示循环中4β-OHC与更成熟的临床生物标志物（如维生素D或C反应蛋白）之间的关联，以阐明潜在的生物学机制。由于观察性研究设计的普遍使用
循环中的4β-OHC作为疾病发生和进展的生物标志物
随着对CYP3A4在疾病发展中的作用了解得越来越清楚[160]，人们越来越有兴趣将循环中的4β-OHC作为临床生物标志物，而不仅仅用于药物开发研究。目前的大部分证据都是初步的，通常来自需要进一步严格验证的小规模探索性研究。然而，回顾这一领域之前的研究有助于确定进一步研究的最有前景的方向。这项工作的基础是这样一个前提：CYP3A4的代谢产物可以
结论
在适当考虑特定背景挑战的情况下，循环中的4β-OHC可以作为一种有用的CYP3A4生物标志物。在药物开发研究中，主要关注的是几周内血液中4β-OHC浓度的变化，而这些变化可能取决于治疗前的水平以及影响4β-OHC代谢的多种个人因素。在疾病研究中，稳态下的循环4β-OHC可能比时间变化更为重要，前提是能够测量生理效应
CRediT作者贡献声明
迈克尔·N·帕萨雷利（Michael N. Passarelli）：负责撰写和编辑、初稿撰写、项目管理、数据整理以及概念构思。
资金支持
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。作者得到了石溪癌症中心的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
