Relationship of clinical efficacy of glucose lowering agents, gut microbiota, diet, and patient’s genotype in diabetes mellitus type 2

Full Text

О том, что полость кишечника у взрослых животных и людей не является стерильной, более того, она заселена различными микроорганизмами, известно давно. Однако реакции микробов в организмах живых людей при взаимодействии с лекарственными средствами остаются малоизученными. Специалисты в области клинической фармакологии уделяли недостаточное внимание этой теме, поэтому до сих пор сохраняется неясность в том, как лекарства воздействуют на функции микроорганизмов и микробиоты у здоровых и больных людей. В то же время, принимая во внимание индивидуальные особенности организма (состояние здоровья человека, пол, возраст, масса тела, различия в этническом и расовом происхождении, рацион питания, физические, химические и иммунологические характеристики среды обитания и другие факторы), нет сомнений в том, что микрофлора каждого человека — это индивидуальный набор микроорганизмов, которые также подвержены влиянию лекарственных средств, как и макроорганизм.

В ходе исследований было, в частности, показано, что полноценное формирование человека предполагает наличие у него «здорового» микробиома и их совместную адаптацию к изменяющимся условиям среды [7], а нормальная флора кишечника определяет гомеостаз, функционирование иммунной системы, нейроэндокринную регуляцию и функцию нервной системы [18]. В то же время состояние микрофлоры в кишечнике, видовое разнообразие микроорганизмов в кишечной полости, ферментативные процессы и продукты жизнедеятельности могут изменяться под влиянием многих факторов. Так, среди негативных факторов, воздействующих на целостность и функционирование микрофлоры, можно выделить «западный», индустриальный тип питания [1, 35], сдвинутые циркадные ритмы, нерациональное использование антибактериальных препаратов. Показано, что под влиянием указанных факторов нарушается гомеостаз, эубиоз, проницаемость мембран, метаболизм, формируется «метаболическая эндотоксемия» и изменяется функция нейроэндокринной системы [9, 36, 47, 56].

Отмечено также, что микробные белки могут изменить экспрессию генов и, наоборот, генетические особенности могут формировать абсолютно индивидуальную микрофлору [20, 53] и создовать предпосылки к развитию многих тяжелых заболеваний [29]. Среди них — болезнь Альцгеймера [49, 60], ожирение [12, 26], сахарный диабет 2-го типа [52], атеросклероз [38], почечная недостаточность [42], остеопороз [61] и многие другие патологии, в основе которых лежит воспаление [14], старение и нарушение полноценного функционирования связи кишечника с остальными системами организма [16, 40].

Возможное участие желудочно-кишечного тракта в патогенезе сахарного диабета 2-го типа (СД2) предполагалось еще в XIX веке. Но только в начале XX века был открыт так называемый нарушенный инкретиновый ответ у пациентов с СД2, связанный с неадекватной секрецией инсулина на пероральную нагрузку глюкозой. Поэтому глубокое изучение роли микрофлоры кишечника в формировании и течении СД2 становится актуальным [15].

Дело в том, что функция микробиоты заключается в реализации некоторых процессов, которые макроорганизм не способен выполнить самостоятельно. В частности, не секрет, что микробиота представляет собой индивидуальный набор видов, подобный отпечатку пальцев, который продуцируют определенный набор биологически активных веществ. Это, в свою очередь, может регулировать экспрессию множества генов, кодировать вторичный геном, что оказывает влияние на микрофлору индивидуума [21, 22]. Это свидетельствует о взаимном влиянии микробиоты, генотипа и экзогенных факторов, которые в конечном счете, образуют фенотип.

В литературе встречается такой термин, как АММП — ассоциированный с микроорганизмами молекулярный паттерн, свойственный тому или иному состоянию организма [50]. Исследование MGWAS продемонстрировало, что у пациентов с СД2, метаболическом синдроме и ожирении количество бактерий Bacteroides, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК) (ацетат, пропионат, бутират), значительно снижено, а число бактерий Firmicutes значительно увеличено. При этом показано, что КЦЖК стимулируют выделение глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1) и анорексигенного пептида [27, 32, 44, 45].

Такие микробные метаболиты, как КЦЖК (в особенности бутират), могут влиять на геном хозяина, что проявляется уменьшением заболевания трансплантата против хозяина (РТПХ) и может объясняться регуляцией ацетилирования гистонов [26]. При этом ацетилирование происходит при протекании двух событий: репликации ДНК и активации генов. С другой стороны, однонуклеотидные полиморфизмы (ОНП) генов хозяина формируют индивидуальную микробиоту пациента, свойственную именно данному индивидууму [21]. Так, микробиота в процессе своей жизнедеятельности воздействует на генетические локусы, стимулируя или, наоборот, подавляя тот или иной признак в организме человека (склонность к ожирению, астме, гипертензии и т. п.). Это взаимодействие микроорганизмов с макроорганизмом формирует определенный метаболом человека, оказывающий влияние на состояние здоровья человека. Поэтому предполагается, что изменение метаболома позволит найти индивидуализированные подходы к фармакотерапии пациентов при некоторых болезнях, включая СД2.

Индустриальный, западноевропейский тип питания, богатый насыщенными жирами, консервированными продуктами и характеризующийся избыточным поступлением антибиотиков с животными продуктами, недостатком клетчатки и избытком сахарозы, приводит к обеднению микрофлоры кишечника, изменению соотношения бактерий рода Firmicutes и Bacteroides, Proteobacteria и Bifido bacteria [1, 2, 9, 23]. В результате изменяется pH кишечника (что важно для ферментативных процессов, усвоения микро- и макронутриентов, всасывания и действия лекарственных препаратов [3], проницаемости стенок кишечника для эндотоксинов), нейроэндокринная функция, в том числе продукция таких важных для регуляции энергетического обмена и иммунного ответа сигнальных молекул, как КЦЖК [10].

При этом депривация насыщенных жиров в дие те приводит к уменьшению Firmicutes и росту Bacteroides, продуцирующих КЦЖК [33, 48, 57], следовательно, это ведет к уменьшению резистентности рецепторов ГПП-1 и улучшает передачу инкретиновго сигнала по оси «кишечник — ЦНС — периферия», а также, вероятно, влияет на уменьшение резистентности к инкретин-направленной фармакотерапии. Это в свою очередь доказывает, что состояние и функционирование микробиоты кишечника пациента сказывается на работе органов на периферии.

Более того, было показано, что пересадка микробиоты здоровых доноров пациентам с метаболическим синдромом приводила к снижению инсулинорезистентности [54].

Все большее значение в комплексном подходе к рациональной фармакотерапии СД 2-го типа приобретает функциональное питание и включение в рацион неперевариваемых углеводов, инулина, арабиноксилана, хитина и полифенолов в качестве пребиотиков [30].

В многочисленных работах показано, что дисбиоз вызывает резистентность к ГПП-1 путем снижения экспрессии рецепторов к ГПП-1 и нейрональной синтазы оксида азота энтеральной нервной системы, а, как известно, NO — нейротрансмиттер передачи сигнала от рецептров ГПП-1 в ЦНС и на периферические органы, что регулирует также и пищевое поведение, и моторику, и секрецию инсулина. В результате дисбиоза нарушается образование NO и ось «кишечник — ЦНС — периферия» (рис. 1, адаптировано из [31]).

 

Рис. 1. Нарушение передачи инкретинового сигнала при дисбиозе кишечника

 

При изучении не критической, но все же статистически значимой разницы в эффективности инкретин-направленной сахароснижающей терапии среди представителей различных этносов были выявлены не только генетически детерминированные особенности, как например, частота встречаемости полиморфизма генов [17], метаболические и лабораторные (масса тела, гликированный гемоглобин), но и особенности питания. Так, например, в Восточной Азии существует культура употребления достаточного количество «медленных» углеводов, в том числе риса, а также рыбы, богатой белком и фосфором, в то время как в западноевропейской культуре в рационе преобладают «быстрые» углеводы и большое количество насыщенных жиров. Такое питание способствует изменению микробного состава нормальной флоры кишечника, вследствие чего изменяются и процессы образования сигнальной молекулы NO, которая необходима для регуляции обмена, секреции инсулина и пищевого поведения. Продукты жизнедеятельности Bacteroides, такие как короткоцепочечные кислоты, напрямую стимулируют выделение ГПП-1 из L-клеток [55].

В эксперименте было показано, что уменьшение насыщенных жиров в диете позволяет восстановить нормальное соотношение микроорганизмов, что, в свою очередь, нормализует чувствительность рецепторов ГПП-1 и восстанавливает ось «кишечник — ЦНС — периферия» в инкретиновом ответе. Пища с высоким содержанием жира приводит к резистентности рецепторов ГПП-1 и снижению секреции ГПП-1 из-за дисбиоза. Известно, что умеренное количество углеводов и белок стимулируют инкретиновый ответ. В клиническом исследовании влияния нутриентов на эффективность инкретин-направленной терапии было показано, что употребление тунца перед основным приемом пищи способствует более эффективному снижению постпрандиальной гликемии под влиянием инкретинов благодаря высокому содержанию легкоусвояемого белка и омега-3-полиненасыщенных жирных кислот [59].

Вероятно, обмен аминокислот, поступающих с пищей, также вносит свой вклад в реализацию инкретинового ответа. Так, присутствие в диете аргинина, как субстрата для производства NO, может снизить толерантность к глюкозе, что улучшит передачу инкретиновго сигнала по оси «кишечник – ЦНС – периферия». Другими словами, аргинин снижает резистентность рецепторов ГПП-1 к сигналу инкретинов [19].

Основываясь на результатах исследований, можно заключить, что реализация сахароснижающего действия инкретин-направленной терапии с использованием агонистов ГПП-1 и ингибиторов дипептидилпептидазы-4 зависит от рациона, в котором должны преобладать белковые составляющие с высоким содержание аминокислоты аргинина, достаточно полиненасыщенных жирных кислот омега-3, но не омега-6. Благодаря такой диете, близкой к азиатскому типу питания, более эффективно реализуется инкретиновый ответ, нарушение которого лежит в основе развития СД2 у европейцев [46], в том числе на территории РФ [2].

Влияние сахароснижающей терапии на микробиоту кишечника пациента с сахарным диабетом 2-го типа

Сахароснижающая фармакотерапия также может влиять на микрофлору пациента. Механизмы, лежащие в основе такого плейотропного эффекта сахароснижающих препаратов, предстоит выяснить. Можно предположить, что, во-первых, нормализация углеводного обмена, компенсация гипергликемии в той или иной степени позволяют ограничить рост нежелательной микрофлоры и стимулировать размножение видов, необходимых для нормализации энергетического баланса и восстановления иммунной системы. Во-вторых, спровоцированное глюко- и липотоксичностью и окислительным стрессом хроническое воспаление в кишечнике устраняется сахароснижающими агентами, что, в свою очередь, позволяет нормализовать соотношение видового разнообразия микрофлоры.

Присутствие в микрофлоре Akkermansia muciniphila ассоциировано с противовоспалительным, иммуномодулирующим влиянием микробиоты на организм пациента, а также с более совершенным гомеостазом глюкозы и функцией эндотелия [25, 39].

Ключевой точкой приложения действия препаратов среди микроорганизмов микрофлоры пациента с СД2 принято считать бутират-продуцирующие бактерии, а точнее, отношение Bacteroides и Firmicutes (B : F), так как именно снижение этого отношения, как выяснилось ранее, строго ассоциировано с ожирением, инсулинорезистентностью, нарушенным инкретиновым ответом [43].

Наибольшее количество клинических исследований микрофлоры было проведено при использовании метформина как наиболее распространенного и исследованного препарата. Под влиянием метформина отношение B : F, количество Akkermansia и Bifidobacteria значительно возрастает, и с этим связано терапевтическое действие препарата. Примерно таким же образом изменяет микробиоту физическая активность — нивелирует преобладание Firmicutes и увеличивает число бутират-продуцирующей флоры [24]. В то же время показано, что физическая нагрузка по-разному влияет на уровень энергетического обмена в зависимости от полиморфизма генов (PPARА, TFAM и др.) [8].

Избыток E. coli (Proteobacteria) ответственен за проявление желудочно-кишечных побочных эффектов метформина (диарея, метеоризм) [28]. Вероятно, своевременная антибактериальная терапия по ограничению избыточного роста кишечной палочки устранит побочные эффекты метформина со стороны желудочно-кишечного тракта (ЖКТ).

В эксперименте была выявлена способность вилдаглиптина изменять микробиоту таким образом, что доля бутират-продуцирующих бактерий значительно возросла, а доля предположительно ответственных за воспаление и инсулинорезистентность (Firmicutes) снизилась. Короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, пропионат, бутират), производимые Bacteroides и Erysipelotrichaceae, участвуют в стимуляции выработки инкретинов, метаболизме глюкозы, регуляции местного иммунитета, выработке цитокинов. При ожирении наблюдается превалирование Firmicutes и общее обеднение бутират-продуцирующей микробиоты, что клинически значимо корригировалось применением вилдаглиптина. В результате применения вилдаглиптина ожидаемо снизилась гликемия, а также инсулинорезистентность и уровень провоспалительных цитокинов (интерлейкин-6) [62].

При применении в эксперименте ингибиторов натрий-глюкозного транспортера 2-го типа был отмечен рост Akkermansia muciniphila, что также сопровождалось снижением маркеров воспаления, массы тела и уровня глюкозы крови [37].

Ингибиторы альфа-глюкозидазы (акарбоза) реа лизуют свой сахароснижающий эффект, предотвращая усвоение полисахаридов. Неусвоенные сложные сахара используются бактериями, в том числе Lactobacillus gasseri, Bifidobacterium longum и бутират-продуцирующими микроорганизмами, что благотворно сказывается на гомеостазе глюкозы и чувствительности к инсулину. Также в исследовании было отмечено, что преобладание кластера Bacteroides является предиктором эффективности терапии акарбозой [34]. Следовательно, изменяя представителя микробиоты, можно создать предпосылки к более эффективной сахароснижающей фармакотерапии.

Тиазолидиндионы (глитазоны) — препараты, уменьшающие инсулинорезистентность жировой, мышечной ткани и печени, также известны противовоспалительной, противогрибковой и противомикробной активностью. В исследованиях глитазоны продемонстрировали свою способность подавлять рост эндотоксин-продуцирующей флоры Enterobacteriaceae и Desulfovibrionaceae [13], что способствует устранению хронического воспаления ЖКТ и эндотоксемии. В настоящее время проводятся разработки потенциальных агонистов PPAR-γ, способных повлиять на экспрессию генов микробиоты пациента с СД2, ответственных за инсулинорезистентность и гомеостаз глюкозы [51, 58].

Изученные данные многочисленных исследований позволяют сделать вывод о двусторонне направленном воздействии кишечной микробиоты и сахароснижающих препаратов. Уделяя внимание таким факторам, как режим и качество питания, поступление микронутриентов, достаточное количество клетчатки, своевременное ограничение и предупреждение инфекционного и неинфекционного воспаления в ЖКТ, умеренная физическая активность, можно не только повысить эффективность сахароснижающей терапии, но и предотвратить прогрессирование многих патологических состояний (рис. 2). Расширение информации позволит максимально индивидуализировать лечебный и профилактический фармакотерапевтический подход с учетом генетически детерминированных признаков — полиморфных генов, мутаций [4–6] и коррекции метаболома пациента, что значительно минимизирует прямые затраты на сахароснижающую фармакотерапию при СД2 [10].

 

Рис. 2. Взаимосвязь микробиоты кишечника, рациона, генотипа пациента и эффективности сахароснижающих препаратов при сахарном диабете 2-го типа (ОНП — однонуклеотидные полиморфизмы)

 

Выводы

1. Микробиота кишечника связана с развитием различных патологий: ожирения, сахарного диабета, сосудистых заболеваний.
2. Микробиота кишечника формируется под влиянием генетически детерминированных особенностей пациента, а также экзогенных вариабельных факторов: диеты и лекарственных препаратов.
3. Препараты могут изменять микробиоту, в то время как микробиота может влиять на эффективность лекарственных препаратов.
4. Микробиота и факторы ее жизнедеятельности (рН, короткоцепочечные жирные кислоты, ферментативные превращения) могут вызвать эндотоксемию, влияют на геном человека и могут изменять экспрессию генов, формируя определенный фенотип, что сказывается на реализации фармакологического ответа на тот или иной препарат.
5. Изменяя рацион, назначая сахароснижающие препараты, варьируя физическую нагрузку, можно повлиять на микробиоту кишечника пациента с сахарным диабетом 2-го типа таким образом, чтобы возросла эффективность фармакотерапии и снизилась интенсивность прогрессирования заболевания.

About the authors

Aleksandr L. Urakov

Izhevsk State Medical Academy

Author for correspondence.
Email: urakoval@live.ru

Dr. Med. Sci., Professor, Head, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Izhevsk

Konstantin G. Gurevich

Moscow State Medical and Stomatological University

Email: kgurevich@mail.ru

PhD, Professor, Head, Department of UNESCO

Russian Federation, Moscow

Iuliia A. Sorokina

Povolzhskii Research Medical University

Email: zwx@inbox.ru

PhD, Assistant Professor, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

Liubov V. Lovtsova

Povolzhskii Research Medical University

Email: lovcovalubov@mail.ru

Dr. Med. Sci., Assistant Professor, Head, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

Olga V. Zanozina

Povolzhskii Research Medical University

Email: zwx2@mail.ru

Dr. Med. Sci., Professor, Department of Hospital Therapy

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

Aleksandr L. Barsuk

Povolzhskii Research Medical University

Email: bar-suk@yandex.ru

PhD, Assistant Professor, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

References