10 грудня, 2016
Патогенетическая роль кишечного дисбиоза в развитии ожирения, инсулинорезистентности и сахарного диабета 2 типа
А.С. ЛаринРаспространенность ожирения и сахарного диабета (СД) 2 типа во всем мире продолжает возрастать угрожающими темпами. Так, с 1980 по 2008 г. число людей с диагностированным CД, 90% из которых больны СД 2 типа, увеличилось со 153 до 347 млн. Пропорционально этому отмечается и увеличение распространенности ожирения. За последние 40 лет (с 1975 по 2014 гг.) количество людей, страдающих ожирением, выросло со 105 до 641 млн человек, причем доля тучных мужчин за это время утроилась, а женщин – удвоилась. Согласно выводам исследователей число людей в мире, страдающих от ожирения, превысило число жителей планеты, которые имеют недостаток веса. Если нынешняя тенденция сохранится, то к 2025 г. от ожирения будут страдать 18% мужчин и 21% женщин.
Таким образом, рост ожирения, сопровождающийся изменением в привычках и характере питания, рассматривается сейчас как основной фактор, способствующий росту заболеваемости СД. На фоне ожирения развиваются нарушения обмена веществ, такие как дислипидемия и инсулинорезистентность (ИР), являющиеся частью метаболического синдрома и одними из основных факторов риска развития таких сопутствующих заболеваний, как сердечно- сосудистая патология, неалкогольная жировая болезнь печени и различные виды рака.
С.М. ТкачОсновную причину высокой распространенности ожирения и CД связывают с наблюдающимся в последние десятилетия экономическим ростом и изменениями образа жизни людей в целом, в том числе со снижением физической активности в сочетании с доступностью высококалорийной пищи. В настоящее время даже сильно мотивированные люди с большим трудом способны изменить свой образ жизни и характер питания с целью снижения массы тела. В этом отношении очень важно продолжать подробные и углубленные исследования мощной биологической системы регуляции, сопротивляющейся когнитивным сигналам, помогающим поддерживать массу тела в относительно строгом диапазоне. По этой причине ожирение в настоящее время рассматривается не как преднамеренный выбор человека, а как заболевание, что, в свою очередь, должно побуждать ученых к дальнейшему изучению патофизиологических путей и поиску новых терапевтических мишеней.
Наблюдающаяся в последние десятилетия тенденция к ожирению и CД бросила ученым серьезный вызов и побудила их более глубоко исследовать новые патофизиологические механизмы, лежащие в их основе. Исследования последних лет позволили установить, что важнейшим «соучастником» развития ожирения и СД 2 типа является кишечная микробиота (КМ). Поэтому наряду с генетическими факторами и образом жизни, которые существенно способствуют восприимчивости к этим метаболическим нарушениям, КМ организма в последние годы стала интенсивно изучаться в качестве потенциального и полноценного участника развития ожирения и ИР. В настоящее время установлено, что в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека обитает по крайней мере 1014 различных бактерий, что в 10 раз превышает общее количество всех клеток организма, которые содержат основную часть генетического материала, превышающую геном человека не менее чем в 100 раз. КМ состоит из 2000-4000 различных видов в основном анаэробных бактерий, 80% из которых до настоящего времени не культивированы, а могут быть определены только молекулярно-генетическими методами (секвенирование гена 16S рибосомальной РНК амплифицированных бактериальных нуклеиновых кислот, полученных из фекалий или биоптатов слизистой оболочки кишечника). Среди 10 основных бактериальных филотипов, обнаруженных в кишечнике, преобладают Firmicutes (наиболее распространенный филотип) и Bacteroidetes, на которые приходится более 90% всех бактерий; в меньшем количестве представлены Actinobacteria и Proteobacteria.
Новые исследования позволили ученым определить основные пути влияния КМ на человеческий метаболизм, включая потенциальную роль в развитии метаболических нарушений – ожирения и СД 2 типа. Установлено, что синергизм огромного числа анаэробных кишечных бактерий оказывает значительное влияние на многие функции организма-хозяина. У взрослых этот синергизм является относительно стабильным, однако может быстро подвергаться разнообразным динамическим изменениям в результате изменения диеты, генотипа/эпигенетического состава, иммунных и метаболических функций, применения различных лекарственных средств или манипуляций. Более того, установленные существенные различия состава КМ в дистальных отделах ЖКТ у индивидуумов с избыточной и недостаточной массой тела позволили предположить, что кишечный дисбиоз может способствовать развитию ожирения и его последствий. В частности, Cani и соавт. показали, что снижение разнообразия грамположительных бутират-продуцирующих анаэробных бактерий ассоциируется с эндотоксемией, хроническим воспалением и развитием ИР у мышей. Тем не менее вопрос относительно того, являются эти изменения КМ причиной или следствием ожирения, пока остается открытым. Ниже более подробно представлены и с клинической точки зрения рассмотрены конкретные нарушения КМ при этих заболеваниях.
Изменения КМ при ожирении и ИР: вялотекущая эндотоксемия как объединяющий механизм
В настоящее время существуют убедительные доказательства того, что состав КМ у людей с избыточной массой тела, находящихся на западной диете, существенно изменен по сравнению с людьми с недостаточной массой тела. Более того, предполагается, что состав диеты является одним из наиболее важных факторов, определяющих разнообразие КМ, способствующей ожирению. Уровни Bacteroidetes по мере снижения индекса массы тела возрастают, что может быть следствием диеты с низким содержанием жира и углеводов и предполагает, что потребление калорий может позитивно коррелировать с Bacteroidetes. Различное содержание пищевых жиров в диете жителей США и Европы могут частично объяснить встречающиеся противоречия относительно диет-индуцированных изменений состава КМ в человеческой популяции, в частности различное соотношение Firmicutes/Bacteroidetes. Тем не менее сегодня принято считать, что КМ непосредственно участвует в развитии ожирения, поскольку новорожденные мыши линии ob/ob, выращенные в стерильных условиях со стерильным кишечником и находящиеся на диете и с нормальным, и с высоким содержанием жира, несмотря на повышенное потребление пищи, имеют значительно меньшую массу тела, чем мыши, выращенные в обычных условиях. Метагеномное секвенирование микробиома слепой кишки таких ob/ob мышей показало, что обогащение генами способствует распаду сложных полисахаридов, присутствующих в рационе. Аналогичные изменения, свидетельствующие о влиянии обогащения бактериальными генами на деградацию углеводов, наблюдались также и у людей с избыточной массой тела.
Кроме того, уже достаточно давно известно, что ИР и развитие СД 2 типа характеризуется системным воспалением и воспалением жировой ткани. Липополисахариды (ЛПС), продуцируемые в кишечнике при лизисе грамотрицательных бактерий, активируют провоспалительные цитокины, которые приводят к развитию ИР как у мышей, так и у людей. Когда ЖКТ «стерильных» мышей колонизировали бактерией Escherichia coli (E. coli), это способствовало накоплению макрофагов и повышению регуляции провоспалительных цитокинов, что проявлялось развитием вялотекущего воспаления. Механизм, путем которого ЛПС перемещаются в плазму крови, может быть как непрямым (за счет транспорта пищевых хиломикронов), так и прямым (за счет непосредственной «утечки» вследствие снижения барьерной функции кишечника). Таким образом, проведенные на сегодняшний день исследования позволили сделать вывод о том, что изменения состава КМ могут влиять на метаболизм хозяина посредством нарушения кишечного барьера и эндотоксемии.
Диагностическая ценность изучения кишечной микробиоты при СД 2 типа
Хотя бактерии, как правило, считаются патогенными микроорганизмами, значительно чаще имеется симбиотическое взаимодействие между человеческим организмом и кишечными бактериями, что обеспечивает поддержание иммунной системы кишечника. Этот вывод был первоначально сделан после того, как было обнаружено, что у мышей со стерильным кишечником имеются серьезные дефекты развития и функционирования иммунной системы. После этого было установлено, что КМ также выполняет важнейшую метаболическую эндогенную функцию, обеспечивая переваривание компонентов пищи, таких как растительные полисахариды. В этом отношении особый интерес вызвали результаты исследований на мышах и на людях, показавшие, что состав КМ у полных и худых особей существенно отличается. Так, на модели лептин-дефицитных ob/ob мышей Ley и соавт. впервые обнаружили различия в cоотношении Bacteroidetes и Firmicutes, двух доминирующих бактериальных кишечных филотипов. У мышей с ожирением по сравнению с худыми особями отмечалось снижение Bacteroidetes и соответствующее увеличение Firmicutes. Когда Ley и соавт. сравнили состав кишечной микробиоты людей с недостаточной и избыточной массой тела, они обнаружили аналогичные различия в этом отношении. Другие экспериментальные исследования на мышах подтвердили эти результаты. Тем не менее некоторые исследования на людях показали противоречивые результаты. Считается, что имеющиеся противоречия могут быть связаны как с особенностями питания популяций людей, проживающих в разных частях земного шара, так и с различными методиками, применяющимися для определения состава КМ.
Кроме того, было установлено непосредственное участие КМ в регуляции энергетического баланса. Так, мыши со стерильным кишечником, несмотря на усиленное питание, были более худыми по сравнению с особями, выращенными в обычных условиях. При переносе фекальной микробиоты от нормальных мышей особям со стерильным кишечником у них в течение 10-14 дней наблюдалось увеличение количества жира на 60%, даже несмотря на гипокалорийную диету. Эти результаты привели к пониманию того, что КМ при ожирении способна более эффективно извлекать и утилизировать энергию из пищевого рациона. Исследования показали, что общее содержание жира в организме мышей со стерильным кишечником, колонизированных КМ от тучных особей, значительно возрастало по сравнению с мышами, колонизированными КМ от худых особей. В настоящее время методика, которая использовалась в этих исследованиях, известна как фекальная трансплантация, или трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ).
Первое клиническое применение ТФМ стало успешным в лечении больных с псевдомембранозным колитом, ассоциированным с рецидивирующей Clostridium difficile вследствие применения антибиотиков. С тех пор ТФМ признана эффективным методом лечения других хронических гастроинтестинальных инфекций и воспалительных заболеваний кишечника. Терапевтический эффект ТФМ связан с улучшением/восстановлением нормального баланса нарушенной КМ за счет замены патогенных бактерий на более благоприятные штаммы.
В настоящее время интерес к клиническому использованию ТФМ у людей фокусируется на метаболических и сердечно-сосудистых заболеваниях. В частности, Vrieze A. и соавт. впервые провели двойное слепое рандомизированное контролируемое исследование у мужчин с ИР и метаболическим синдромом, которым проводилась ТФМ от худых доноров. При этом наблюдались положительные метаболические эффекты в виде улучшения чувствительности к инсулину, а также значительное увеличение разнообразия КМ наряду с отчетливым повышением уровня бутират-продуцирующих бактерий, таких как Roseburia в кале и Eubacterium hallii в тонком кишечнике. Интересно, что не все худые доноры, а только их определенная часть демонстрировали благоприятные эффекты на организм хозяина с ожирением, что может свидетельствовать о наличии отдельной когорты так называемых суперфекальных доноров. Результаты данного исследования соответствуют аналогичным выводам, содержащимся в двух масштабных метагеномных исследованиях, проведенных ранее F. Karlsson и соавт. и J. Qin и соавт. независимо друг от друга, обнаруживших снижение количества бутират-продуцирующих бактерий (Roseburia и Faecalibacterium prausnitzii) в КМ пациентов с СД 2 типа по сравнению со здоровыми людьми. Кроме того, было показано, что увеличение фекальной концентрации Lactobacillus gasseri и Streptococcus mutans, обитающих в проксимальных отделах кишечника, так же как и E. coli, были предикторами развития ИР у женщин с ожирением в постменопаузе. Пока до конца не понятно, являются эти изменения состава КМ первичными или вторичными по отношению к нарушениям гастроинтестинальной моторики и избыточному бактериальному росту в тонкой кишке, часто наблюдаемым при СД 2 типа. Тем не менее такие бактериальные штаммы могут использоваться в качестве маркеров ранней диагностики для улучшения идентификации тех пациентов, страдающих ожирением, которые склонны к развитию СД 2 типа (табл.).
Роль продуктов кишечных бактерий в патофизиологии СД 2 типа
Бутират, ацетат и пропионат – короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), ферментируемые кишечными бактериями из пищевых волокон, которые играют важную роль в энергетическом метаболизме. Эти КЦЖК всасываются в кишечнике, где бутират, в частности, обеспечивает энергией эпителиальные клетки кишечника, а другие КЦЖК поступают в портальный венозный кровоток. Данные, полученные в исследованиях на животных, позволили сделать предположение о том, что пропионат влияет на печеночный липогенез и глюконеогенез, в то время как ацетат выступает в качестве субстрата для синтеза холестерина. Состояние слизистой кишечника напрямую зависит от наличия в просвете бутирата как источника энергии. Предполагается, что недостаток этих КЦЖК может играть важную роль в патогенезе воспалительных заболеваний кишечника. Так, низкие концентрации КЦЖК были обнаружены у пациентов с язвенным колитом, а введение бутирата в клизмах показало уменьшение воспаления у этой группы пациентов. Кроме того, пероральное применение бутирата натрия сопровождалось системным противовоспалительным эффектом и зарекомендовало себя как безопасный и хорошо переносимый метод лечения болезни Крона и язвенного колита, способствующий наступлению ремиссии. У мышей пероральное использование бутирата продемонстрировало улучшение чувствительности к инсулину и увеличило расход энергии за счет повышения митохондриальной функции.
Детальные механизмы позитивного влияния бутирата на метаболизм до конца не ясны. Тем не менее существуют данные об ингибирующих эффектах бутирата на гистондеацетилазу в культивируемых клетках млекопитающих, которые регулируют экспрессию генов путем деацетилирования гистонов белков и факторов транскрипции. Это может способствовать повышению экспрессии PGC‑1a, коактиватора транскрипции, ассоциированного с увеличением окисления жирных кислот и митохондриальной активностью. Бутират в митохондриях колоноцитов окисляется в ацетил-коэнзим A и через цикл трикарбоновых кислот способствует продукции аденозинтрифосфата (АТФ). Установлено, что у мышей со стерильным кишечником важные катализирующие ферменты в этом процессе подавлены, в результате чего уровень АТФ в колоноцитах значительно снижается. Это указывает на потенциальную стимулирующую роль КМ, в частности бутират-продуцирующих бактерий, в экспрессии этих ферментов, регуляции митохондриальной функции и энергетического метаболизма. Другой путь влияния КЦЖК на энергетический баланс хозяина заключается в том, что они выступают в качестве специфических сигнальных продуктов. КЦЖК связываются с G-протеин-связанными рецепторами (GPR41 и GPR43), которые экспрессируются на энтероэндокринных клетках кишечного эпителия. Это приводит к секреции некоторых пептидных гормонов, таких как PYY, которые высвобождаются в кишечный кровоток и выступают как форма взаимодействия между содержимым кишечника и организмом хозяина. Дефицит GPR41 был связан со снижением продукции гормона PYY, в результате чего увеличивалось время кишечного транзита и снижалось извлечение энергии из пищи.
Другая полезная функция бутирата, которая также может вносить свой положительный вклад в обмен веществ хозяина, заключается в поддержании целостности кишечной стенки. Это способствует профилактике эндотоксемии – процесса транслокации эндотоксинов ЛПС грамотрицательных бактерий. Благодаря исследованиям последних лет стало очевидно, что ИР и СД 2 типа характеризуются вялотекущим воспалением. В этом отношении ЛПС выступают как триггеры низкоинтенсивного воспалительного ответа, а сама эндотоксемия может приводить к развитию ИР и других метаболических нарушений. Также предполагается, что бутират играет роль в недавно открытой способности кишечника самостоятельно продуцировать глюкозу. Глюкоза, образованная путем кишечного глюконеогенеза (КГН), обнаруживается в портальном кровотоке и через периферическую нервную систему посылает сигнал в головной мозг, таким образом положительно влияя на общий метаболизм глюкозы и прием пищи. De Vadder и соавт. подтвердили положительные эффекты КЦЖК и КГН на метаболизм глюкозы у крыс и показали, что бутират вовлечен в активацию генной экспрессии КГН у мышей. Тем не менее эти данные все еще нуждаются в верификации путем проведения исследований на людях.
Инновационные стратегии в терапии СД 2 типа
Интересно отметить, что в моделях на животных бутират также показал влияние на уровень интестинального серотонина и увеличение транспортеров серотонина (SERTs) в гипоталамусе. Более того, бутират оказывает непосредственное влияние на симпатический тонус и время кишечного транзита, так же как и на физическую активность. Интересно, что серотонин может самостоятельно регулировать кишечную проницаемость и, кроме того, является важным сигнальным нейромедиатором в кишечнике и головном мозге, участвующим в регуляции массы тела и приема пищи путем повышения чувства насыщения. Снижение церебральных SERTs, обязательных регуляторов серотонинергической трансмиссии, ассоциируется с ожирением. В исследованиях на людях, когда здоровые пациенты с низкой массой тела находились на 6-недельной гиперкаллорийной диете, было зафиксировано значительное снижение (на 30%) гипоталамического связывания SERTs.
В связи с этим интересно отметить, что проведенные исследования предположили регулирующее влияние кишечных бактерий на обмен серотонина. Например, такая бариатрическая операция, как желудочное шунтирование (ЖШ) по Roux-en-Y, продемонстрировала существенный эффект на метаболизм серотонина как у животных, так и у людей. Наряду с тем, что ЖШ является очень эффективным методом лечения пациентов с морбидным ожирением, индуцируя потерю до 50% от изначальной массы тела, она также уменьшает риск развития СД 2 типа и кардиоваскулярной патологии. В результате ЖШ отмечается более быстрое устранение ИР, чем фактическая потеря веса, что может свидетельствовать о потенциально независимом от веса эффекте ЖШ на метаболизм. Этому может способствовать то, что ЖШ способно изменять состав КМ и у людей, и у мышей. Когда мышам с СД проводили ТФМ от мышей, подвергшихся ЖШ, у них не только снижалась масса тела, но и улучшался метаболизм глюкозы и липидов со специфическими изменениями со стороны бутират-продуцирующих бактерий. Эти данные позволили предположить, что изменения со стороны бутират-продуцирующей КМ, наблюдающиеся после ЖШ, могут играть важную роль как в процессе насыщения, так и в регулировании метаболизма глюкозы и липидов.
Таким образом, становится все более очевидным, что состав КМ играет определенную роль в регуляции липидного и углеводного обмена. Установленная ассоциация между бутират-продуцирующими бактериями и положительными метаболическими эффектами свидетельствует о том, что различные изменения состава КМ могут влиять на развитие ожирения и СД 2 типа. Для того чтобы подтвердить причинно-следственную связь между количеством бутират-продуцирующих кишечных бактерий и развитием ИР и СД 2 типа, безусловно, необходимы дальнейшие исследования. В частности, желательно проведение двойного слепого рандомизированного исследования с использованием КЦЖК (введение per os/per rectum) или ТФМ от различных доноров (например, находящихся на разных диетах). Кроме того, необходимо продолжение изучения терапевтической эффективности различных специфических бактериальных штаммов для установления наиболее полезных характеристик состава КМ.
Другой областью терапевтического интереса в этом отношении являются неперевариваемые, но ферментируемые пищевые волокна, такие как инулин, фрукто-олигосахариды, галакто-олигосахариды и лактулоза. Эти продукты известны как пребиотики, которые способны менять состав КМ, стимулируя рост или активность полезных видов. В этом отношении при лечении пребиотиком количество углевод-ферментирующих бактерий, таких как Bifidobacteria и Lactobacilli, возрастает в различных возрастных группах. Как уже было сказано выше, диета с высоким содержанием жира ассоциируется с эндотоксемией, которая, в свою очередь, связана с уменьшением количества бифидобактерий и сопутствующим увеличением числа грамотрицательных ЛПС-содержащих бактерий. Когда мышам, находящимся на диете с высоким содержанием жиров, давали пребиотик, содержащий олигофруктозу, отмечалось восстановление уровня бифидобактерий, уменьшение эндотоксемии и улучшение толерантности к глюкозе.
Еще одним терапевтическим подходом является применение пробиотиков, представляющих собой пищевые добавки, обогащенные штаммами живых бактерий, в том числе Bifidobacteria и Lactobacilli, которые способны позитивно влиять на КМ хозяина. У мышей при использовании пробиотиков, содержащих некоторые штаммы Lactobacilli, были отмечены антидиабетические эффекты с сопутствующим снижением эндотоксемии. Поскольку нельзя исключить плацебо-эффекты этих продуктов, для выявления реальных потенциально полезных метаболических эффектов пробиотических штаммов по отношению к составу КМ необходимы двойные слепые рандомизированные контролируемые исследования со строгими конечными точками.
Хотя после открытия антибиотиков здравоохранение в целом значительно выиграло, быстрый рост их применения привел к новым проблемам. Так, вслед за проблемой антибиотикорезистентности на повестку дня вышел вопрос о том, не является ли широкое применение антибиотиков по всему миру одной из причин ожирения. Хотя антибиотики эффективно искореняют патогенные бактерии, они негативно воздействуют и на полезную КМ, что может сопровождаться неблагоприятными метаболическими эффектами. Так, длительное внутривенное лечение ванкомицином, направленное на грамположительные бактерии, было связано с повышенным риском развития ожирения, в то время как лечение амоксициллином, направленное на грамотрицательную и анаэробную флору, имело лишь незначительные последствия. При кратковременном пероральном применении ванкомицина (но не амоксициллина) у мужчин с метаболическим синдромом значительно ухудшалась периферическая чувствительность к инсулину, что сопровождалось нарушением дегидроксилирования желчных кислот и ассоциировалось с изменением состава КМ. Более того, даже кратковременные пероральные курсы антибиотиков показали необратимые эффекты на разнообразие состава КМ. Последние тревожные данные, связывающие прием антибиотиков в раннем младенческом возрасте c риском избыточного веса в детском возрасте и негативным долгосрочным влиянием на разнообразие состава КМ, также не стали для исследователей сюрпризом. В последние 50 лет cубтерапевтическая антибактериальная терапия у сельскохозяйственных животных применяется крайне широко, поскольку это ускоряет рост животных и, соответственно, увеличивает производство продуктов питания. У мышей субтерапевтические дозы антибиотиков негативно влияют на состав КМ и, соответственно, на метаболические пути, особенно в отношении метаболизма КЦЖК. Эти результаты не только подчеркивают причинную связь между КМ и метаболизмом, но и дают основания для более осторожного применения антибиотиков, чем когда-либо.
Тем не менее самым простым решением при восстановлении патологических изменений КМ является изменение привычек питания. Как известно, диета сильно влияет на состав КМ. Когда пациенты с ожирением переводились на низкокалорийную диету с ограничением жира и углеводов, у них увеличивалось количество Bacteroidetes и снижалось количество Firmicutes. В другом исследовании диет-индуцированная потеря веса по сравнению с потерей веса вследствие различных других вмешательств сопровождалась генным обогащением КМ и ассоциировалась с уменьшением системного воспаления. Эти данные совместно с другими контролируемыми исследованиями показали, что определенные доминирующие микробные группы, или энтеротипы, коррелируют с конкретными видами диет. К примеру, количество Bacteroides ассоциировалось с диетой, богатой белками, в то время как количество Prevotella – с диетой, богатой волокнами. Кроме того, состав КМ может быть изменен в течение 24 ч, в то время как энтеротипы остаются неизменными в течение не менее 10 дней. Учитывая такую быструю изменчивость КМ, существует конкретная потребность в определении ее состава стандартизованным методом (например, секвенирование нескольких образцов фекалий одного пациента в динамике, когда он соблюдает определенную диету или принимает какие-либо медикаменты).
Выводы
Кишечная микробиота все чаще рассматривается в качестве важного фактора влияния окружающей среды на метаболизм организма человека и может способствовать развитию ожирения, ИР и СД 2 типа. Знание оптимального состава КМ и основных видов анаэробных кишечных бактерий имеет важнейшее значение для понимания того, как восстанавливать и поддерживать здоровье человека. Изучение особенностей КМ при ожирении и СД 2 типа привело к показательному росту научных исследований в этой области. Множество экспериментальных и клинических исследований раскрыли принципиально новые патогенетические механизмы развития ожирения и СД 2 типа, связанные с КМ. Наше понимание внешних факторов, влияющих на КМ, таких как диета, повторные инфекции и употребление антибиотиков, значительно улучшилось. Быстрое развитие новых методов модификации КМ, включая применение пребиотиков, пробиотиков и ТФМ, уже продемонстрировало обнадеживающие результаты. Поэтому есть надежда на то, что в будущем микробиотная терапия внесет свой вклад и в решение проблемы глобальной эпидемии ожирения и СД 2 типа.
Список литературы, включающий 62 источника, находится в редакции.