10 травня, 2023

Нові молекулярні механізми дії та терапевтичні перспективи метформіну

Метформін – найбільш використовуваний протидіабетичний препарат, що покращує толерантність до глюкози, знижуючи як базальний, так і постпрандіальний рівень глюкози в плазмі. Метформін пригнічує продукцію глюкози в печінці та всмоктування глюкози в кишечнику, а також покращує чутливість тканин до інсуліну за рахунок підвищення периферичного поглинання і використання глюкози. Завдяки ефективному зниженню рівня цукру в крові та сприятливому профілю безпеки метформін залишається препаратом першої лінії лікування цукрового діабету 2 типу.

Крім своєї основної ролі при діабеті, метформін також чинить сприятливий вплив на перебіг інших захворювань та станів, як-от серцево-судинні захворювання, рак і старіння. Метформін має плейотропну біологічну активність і може впливати на численні клітинні процеси. Двома основними механізмами, що лежать в основі різноманітних сприятливих ефектів метформіну, вважаються активація шляху кінази, яка активується аденозинмонофосфатом (АМФК), і модуляція мітохондріального метаболізму. Останні дослідження виявили нові молекулярні мішені дії метформіну, що розширює його можливості в лікуванні різноманітних патологічних станів.

Нові механізми кардіопротекції

Великі дослідження на тваринних моделях показали важливу роль метформіну в захисті від серцево-судинних захворювань, включаючи атеросклероз, гіпертензію, ішемічне ураження міокарда та серцеву недостатність. Результати багатьох обсерваційних і рандомізованих клінічних досліджень також свідчать про захисну дію метформіну для серцево-судинної системи як у пацієнтів із діабетом, так і без нього. Передання сигналів AMФK відіграє ключову роль у підтримці фізіологічного гомеостазу серцево-судинної системи шляхом контролю запалення та окислювального стресу, а також сигналізації mTOR. Але нещодавні дослідження виявили ще декілька нових AMФK-залежних і AMФK-незалежних сигнальних шляхів, що лежать в основі захисту серцево-судинної системи при лікуванні метформіном.

Сигнальний шлях AMФK/Sirt3/Nrf2

Сиртуїни – це сімейство сигнальних білків, які беруть участь у регуляції метаболізму. Сиртуїни ссавців включають 7 членів: Sirt 1-7. Сиртуїни є захисними молекулами при метаболічних і пов’язаних зі старінням патологіях, включаючи серцево-судинні захворювання. В ранніх дослідженнях Tang і співавт. Sirt2 зменшував пов’язану зі старінням та спричинену стресом гіпертрофію серця в мишей, а це щонайменше частково пояснювалося сигналізацією через шлях печінкової кінази B1 (LKB1)/AMФK. А невдовзі було показано, що активація Sirt3/AMФK метформіном зменшує гіперглікемію та легеневу гіпертензію, пов’язану із серцевою недостатністю зі збереженою фракцією викиду в щурів (Lai Y.C. et al., 2016). Зовсім нещодавно, використовуючи мишачу модель індукованого сіллю запалення печінки, що супроводжується гіпертензією і серцевою дисфункцією, Gao та співавт. (2022) окреслили новий механізм кардіопротекції метформіну, що включає Nrf2-регульовану експресію Sirt3. Їхнє дослідження показало, що лікування метформіном полегшує запалення печінки та ушкодження серцево-судинної системи, спричинене дієтою з високим умістом солі.

Вісь AMФK/автофагія

Автофагія є важливим клітинним механізмом видалення агрегованих білків і ушкоджених органел. Ранні дослідження на діабетичних мишах продемонстрували, що зменшення активності AMФK і подальше зниження серцевої автофагії є важливими подіями в розвитку діабетичної кардіоміопатії. Хронічна активація AMФK метформіном (200 мг/кг на добу протягом 4 тиж) запобігала кардіоміопатії підвищенням активності автофагії у діабетичних мишей (Xie Z. et al., 2011). Нещодавно Robichaud і співавт. (2022) виявили в метформіну новий (залежний від автофагії) механізм захисту від атеросклерозу. Лікування метформіном покращує опосередкований автофагією ефлюкс холестерину з пінистих клітин, які походять з посмугованих м’язів судин. Оскільки пінисті клітини, що походять з посмугованих м’язів судин, є переважаючим типом пінистих клітин у прогресувальних атеросклеротичних бляшках, відкриття Robichaud і співавт. надає важливе розуміння молекулярних механізмів, котрі лежать в основі антиатеросклеротичної дії метформіну.

Нові молекулярні мішені проти раку

Численні випробування на тваринних моделях і когортні дослідження в людській популяції демонструють протипухлинну активність метформіну. Вважається, що опосередкована метформіном активація AMФK, зниження глюконеогенезу та гіперінсулінемії сприяють пригніченню росту і прогресуванню ракових клітин. З іншого боку, вважається, що метформін, пригнічуючи активність мітохондрій, знижує доступність АТФ і біосинтетичних попередників, необхідних для росту пухлинних клітин. Окрім того, метформін також пригнічує передання сигналів mTOR, що зумовлює зниження клітинної проліферації та канцерогенез. Дійсно, mTOR є критично важливим регулятором клітинного анаболізму та росту, а нерегульоване передання сигналів mTOR відіграє важливу роль у розвитку та прогресуванні раку. На додаток до вищезазначених механізмів останні дослідження виявили нову мішень, яка лежить в основі протипухлинної дії метформіну, – вісь PD-L1/PD-1.

Вісь PD‑L1/PD‑1

Ліганд-1 програмованої смерті (PD-L1) – важлива молекула, т. зв. імунна контрольна точка, яка бере участь у регуляції імунної відповіді на антигени й атипові клітини. В нормальних умовах PD-L1 експресується в антигенпрезентувальних клітинах (наприклад, макрофагах) і зв’язується з білком клітинної смерті-1 (PD-1) на активованих цитотоксичних Т-лімфоцитах, щоб знизити їхню активність. Але PD-L1 активується також у ракових клітинах і використовується ними, щоб уникнути імунного нагляду з боку організму господаря. Відомо, що метформін підвищує активність CD8+-Т-клітин, які інфільтрують пухлину. Cha та співавт. (2018) уперше повідомили, що метформін сприяє розвитку протипухлинного імунітету через деградацію PD-L1 на ендоплазматичному ретикулумі. Зокрема, Cha та співавт. також виявили, що пухлинні тканини пацієнтів із раком молочної залози, які отримували метформін (0,5 г/день протягом 1 тиж, згодом – 2 г/день упродовж наступного тижня), демонструють знижені рівні PD-L1 з активацією AMФK. Окрім того, комбінація метформіну та антитіл до CTLA4 (іншої імунної контрольної точки) спричиняла синергічне пригнічення росту пухлини in vivo.

На додаток до вищезазначеного AMФK-залежного шляху деградація PD-L1 також може відбуватися через прямий електростатичний ефект метформіну, що продемонстрували Wen і співавт. (2021). За допомогою ядерного магнітного резонансу та біохімічних методів автори показали, що мембранна асоціація цитозольного домену PD-L1 опосередкована електростатичною взаємодією між кислими фосфоліпідами внутрішнього шару плазматичної мембрани та основними залишками аргініну в N-кінцевій ділянці цитозольного домену.

Руйнування такої електростатичної взаємодії зумовлює зниження рівнів PD-L1 у клітині. Зокрема, Wen і співавт. виявили, що метформін (позитивно заряджена молекула) сприяє мембранній дисоціації цитозольного домену PD-L1, порушуючи електростатичну взаємодію та зменшуючи в такий спосіб кількість PD-L1 у клітинах.

Метформін як протизапальний засіб

Протизапальну дію метформіну спостерігали на різних тваринних моделях і в людей. Ранні дослідження довели, що метформін пригнічує STAT3-залежну експресію гена прозапальних цитокінів через активацію AMФK і пригнічення mTOR як у культивованих клітинах, так і in vivo. Нещодавно Xian і співавт. (2021) повідомили про новий механізм, що включає пригнічення активації інфламасоми окисленою мітохондріальною ДНК (oкс-мтДНК). Зокрема, автори виявили, що метформін у клінічно значущій концентрації 0,5 ммоль інгібує мітохондріальний транспортний ланцюг електронів, спричиняючи зниження АТФ-залежного синтезу мтДНК і зменшення продукування цитоплазматичної oкс-мтДНК. Зменшення oкс-мтДНК (ліганду NLRP3), своєю чергою, зумовлює пригнічення активації інфламасом у макрофагах, отже, і зниження вивільнення IL-1β у відповідь на вплив ліпополісахаридів (ЛПС). Цікаво, що цей новий ефект метформіну не залежить від активації AMФK або ядерного фактора транскрипції NF-κB. Також автори показали, що пригнічення осі АТФ/мтДНК/oкс-мтДНК/NLRP3/IL-1β метформіном у клінічно значущій дозі 50 мг/кг/день зменшує ЛПС-індукований гострий респіраторний дистрес-синдром (ГРДС) у мишей. Аналогічно ні NF-κB, ні AMФK не беруть участі в захисній активності метформіну щодо ГРДС. Показово, що лікування метформіном у дозі 50 мг/кг/день також послаблювало запалення легень в інфікованих коронавірусом SARS-CoV-2 трансгенних мишей, що мають людський ангіотензинперетворювальний фермент-2. Отже, дослідження Xian і співавт. розкриває новий механізм, залежний від мітохондріальної ДНК/NLRP3, який лежить в основі протизапальної дії метформіну.

Активність метформіну проти старіння

Старіння характеризується прогресувальною втратою фізіологічної цілісності організму, що спричиняє порушення функцій, а також підвищену уразливість до розвитку хронічних захворювань, як-от серцево-судинні, нейродегенеративні, деякі типи раку. Саме тому ці хронічні захворювання часто називають захворюваннями, пов’язаними зі старінням.

López-Otín у 2013 році запропонував 9 характерних ознак старіння організму ссавців:

геномна нестабільність;
зношування теломер;
епігенетичні зміни;
втрата протеостазу;
дерегульована утилізація поживних речовин;
мітохондріальна дисфункція;
клітинне старіння;
виснаження стовбурових клітин;
змінена міжклітинна комунікація.

В нещодавньому огляді Kulkarni та співавт. (2020) узагальнили результати досліджень на експериментальних моделях, а також продемонстрували, що метформін сприятливо впливає на всі 9 характерних ознак старіння.

Істотні докази підтверджують те, що метформін – ефективний препарат проти старіння у ссавців та, імовірно, в людей. Зокрема, за допомогою профілювання цитокінів і біоінформаційного аналізу CD4+-Т-клітин старших (60 років) і молодших (30 років) людей у нещодавньому випробуванні Bharath і співавт. (2020) показали, що метформін посилює автофагію, нормалізує функцію мітохондрій та модулює запалення, пов’язане зі старінням.

Контроль маси тіла та енергетичний баланс

Достовірно встановлено, що лікування метформіном пов’язане із втратою маси тіла в людей із діабетом і без нього. Останні дослідження свідчать про критичну роль фактора диференціації росту 15 (GDF15) у реалізації впливу метформіну на масу тіла й енергетичний баланс. Gerstein і співавт. (2017) уперше продемонстрували підвищення рівня GDF15 у сироватці крові в пацієнтів, які отримували метформін, порівняно з контрольною групою, а також заявили, що рівень GDF15 у крові може стати новим біомаркером дії метформіну в людей із гіперглікемією, оскільки його концентрація відображає дозу метформіну. Пізніше під час аналізування зразків крові окремих осіб у двох незалежних рандомізованих контрольованих дослідженнях Coll і співавт. (2020) установили, що лікування метформіном підвищує рівень циркулювального GDF15, підтвердивши в такий спосіб ранні висновки. Показово, що метформін не лише зменшує споживання енергії, а й збільшує її витрати; обидва ефекти залежать від GDF15. З іншого боку, за відсутності GDF15 метформін зберігає свою здатність знижувати рівень глюкози в крові, що свідчить про специфічну участь GDF15 у впливі метформіну на споживання їжі та енергетичний баланс.

Висновки та перспективи

Передові дослідження, опубліковані у впливових журналах, покращують наше розуміння молекулярних механізмів, за допомогою яких метформін реалізує свою різноманітну біологічну активність, включаючи поліпшення гомеостазу глюкози, захист серцево-судинної системи, протипухлинну, протизапальну дію, а також запобігає старінню та покращує енергетичний баланс. Декілька значних клінічних випробувань, заснованих на цих нових знаннях, були нещодавно завершені, плануються або тривають для вивчення ефективності метформіну в лікуванні основних захворювань людини, а також допомоги при старінні. Зокрема, випробування «Боротьба зі старінням за допомогою метформіну» (Targeting Aging with Metformin, TAME), що незабаром розпочнеться, є першим великим клінічним дослідженням у сучасній медицині, яке перевіряє можливість лікувати старіння людини за допомогою метформіну.

За матеріалами: Zhu H., Jia Z., Li Y.R., Danelisen I. Molecular mechanisms of action of metformin: latest advances and therapeutic implications. Clin Exp Med. 2023 Apr 4: 1-11. doi: 10.1007/s10238-023-01051-y.