Metformin and vildagliptin combination: A new approach of endothelial nitric oxide synthase activity regulation and metabolism in diabetes mellitus type 2

Full Text

С момента внедрения метформина в медицинскую практику прошло 60 лет, однако интерес к столь многоплановому и эффективному препарату с каждым годом только растет [35].

Многочисленные исследования профиля безопасности метформина позволили значительно расширить сферу применения препарата, например, уточнены показатели клиренса креатинина, которые являются лимитирующим фактором назначения препарата, а также проводятся исследования возможности применения препарата при сердечной недостаточности, в подростковом возрасте и при беременности [12, 32].

С другой стороны, обширная база данных по использованию метформина способствовала выявлению и нежелательных эффектов. В последнее время вызывает настороженность тот факт, что применение метформина снижает сывороточное содержание витамина В12, но внутриклеточный метаболизм и В12-зависимые реакции не только не угнетаются, а, наоборот, стимулируются [38]. Однако сниженное содержание цианокобаламина в сыворотке, вероятно, отражается на миелинизации периферических нервов. Обширный метаанализ исследований, охватывающий базу данных с 1957 по 2013 г., доказал, что даже после 6 месяцев применения метформина фиксируется снижение сывороточного кобаламина [24]. Выявлено, что у пациентов с сахарным диабетом 2-го типа (СД2) уровень витамина В12 сопоставим с таковым у лиц без диабета. Однако нарушено включение цианокобаламина в реакции, в том числе гемопоэз. Метформин способен нарушать физиологическую компартментализацию витамина В12 за счет увеличенного депонирования в эритроцитах и печени, при этом уровень всасывания значимо не изменяется [12].

С другой стороны, для клинически значимого дефицита цианокобаламина имеет значение только доза метформина, но не длительность его применения. В исследовании, в котором участвовало 550 пациентов с СД2, средней дозой метформина 1306 мг в сутки, длительностью 64 месяца каждое повышение дозы метформина на 10 мг было ассоциировано с уменьшением концентрации цианокобаламина, при этом длительность применения никак не отражалась на показателях голотранскобаламина и кобаламина [20]. Поэтому крайне необходимо дополнение или потенцирование действия метформина за счет синергизма с действием другого препарата, что позволит снизить дозу без потери эффективности, а также риск возникновения побочных эффектов [13].

Асимметричный диметиларгинин (АДМА) — это эндогенный ингибитор активности синтазы оксида азота, вызывает нарушение механизмов образования оксида азота в плазме крови и тканях. АДМА — один из метиларгининов, продуктов метилирования аргинина, наряду с N-монометил-L-аргинином (НММА) образующихся под действием протеин-аргинин N-метилтрансферазы (ПАМТ) первого типа, частично выводится с мочой, а в большей мере под действием ДДАГ (диметиларгинин диметиламиногидролаза) кумулирует в печени, поджелудочной железе в виде цитруллина. Средоточием ДДАГ второго типа являются клетки крови, костный мозг, сердечно-сосудистая, пищеварительная, выделительная системы, половая система женщин. Метил аргинины постоянно образуются и гидролизуются в организме, регулируя многие процессы, но повышения физиологического содержания АДМА с 1,4 до 2 мкмоль/л достаточно, чтобы снизить активность эндотелиальной синтазы оксида азота вдвое. Кроме того, в клинических исследованиях была показана четкая ассоциация повышенного уровня АДМА со следующими патологиями: атеросклероз, СД2, инсулинорезистентность, эссенциальная артериальная гипертензия, сердечная недостаточность, инсульт, гиперхолестеринемия, преэклампсия, гипергомоцистеинемия, почечная недостаточность, легочная гипертензия, тромботическая микроангиопатия, инфаркт миокарда. Существует гипотеза, что гиперактивность ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС) неразрывно связана с повышенным уровнем АДМА [11].

Интерес вызывает тот факт, что комбинированная терапия метформином и вилдаглиптином значительно более эффективно снижает уровень АДМА. В данном случае невозможно отрицать, что не только химически разнородные, но и имеющие разные механизмы действия препараты оказывают потенцирующее действие в отношении регуляции циркуляции АДМА и функционирования эндотелиальной синтазы оксида азота. При этом терапия одним вилдаглиптином также продемонстрировала снижение уровня АДМА у пациентов с СД2 [23]. С учетом того что АДМА служит маркером вышеупомянутых тяжелых осложнений СД2 и даже повышенного риска смертности [51], можно сделать вывод, что совместное воздействие на органы-мишени при комбинированной терапии положительно скажется на состоянии пациента с СД2 (рис. 1).

 

Рис. 1. Органы-мишени для воздействия комбинации вилдаглиптина и метформина: АДМА — асимметричный диметиларгинин; РААС — ренин-ангиотензин-альдостероновая система

 

Также было установлено, что уровень АДМА не коррелирует с уровнем гликогемоглобина и контролем гликемии, следовательно, снижение уровня метиларгинина под действием метформина и вилдаглиптина носит негликемический характер, то есть является негликемическим плейотропным эффектом [28].

Глиптины способны улучшать функционирование эндотелиальной синтазы оксида азота не только через снижение уровня провоспалительных цитокинов, в частности CD40 [36], но и за счет увеличения уровня нативного глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1). Интактный инкретин, независимо от уровня глюкозы, стимулирует высвобождение эндотелиального релаксирующего фактора — оксида азота (NO) [37], что в дальнейшем приведет к NO-зависимой утилизации глюкозы [8, 21].

Также известен механизм синергидного сахароснижающего действия вилдаглиптина и метформина. Вилдаглиптин увеличивает уровень интактного ГПП-1, а метформин уменьшает почечную экскрецию инкретина и стимулирует выделение из L-клеток [13]. Метформин активирует экспрессию ГПП-1-рецепторов на поверхности β-клеток поджелудочной железы [43]. Также было выявлено, что стимулирование метформином выделения ГПП-1 происходит только при пищевом стимуле, при отделении желчных кислот, то есть максимально физиологично [22]. Таким образом, можно предположить, что выраженное снижение уровня АДМА как при применении вилдаглиптина и метформина отдельно, так и при их комбинированном применении связано с ростом уровня ГПП-1.

Восстанавливающие сахара, такие как глюкоза, вступают в неферментативную реакцию с аминогруппами белков с образованием продуктов Амадори, которые, в свою очередь, при старении формируют конечные продукты гликирования (КПГ, англ. AGE) [17]. Так как при СД2 гипергликемия зачастую некомпенсирована, данные продукты являются провоцирующим фактором многих диабетических осложнений, в том числе со стороны сердечно-сосудистой системы [26], так как в эндотелии сосудов начинают более активно эскпрессироваться рецепторы к КПГ (англ. RAGE). При воздействии КПГ на соответствующие рецепторы запускается процесс продукции АФК (активных форм кислорода) [2, 9, 25].

Фермент ДДАГ крайне чувствителен к изменению окислительно-восстановительного потенциала. Поэтому интенсификация окислительных процессов — оксидативный стресс (ОС) — инактивирует каталитический центр фермента, в результате уровень АДМА нарастает. Также в различных исследованиях отмечается, что именно окисленные липопротеины низкой плотности (ЛПНП) стимулируют высвобождение АДМА из депо и повышение интенсивности фермента ПАМТ 1-го типа, ответственного за синтез [40]. Однако данные многих исследований свидетельствуют о том, что элементарного введения антиоксидантов, таких как витамин С или Е, недостаточно для преодоления сдвигов в равновесии синтеза и деградации АДМА [33], поэтому необходимо комплексное воздействие как на синтез, так и на распад молекулы диметиларгинина. Гипергомоцистеинемия, как одна из патологий, вызванных окислительным стрессом [1], также ассоциирована с высоким уровнем АДМА, так как S-аденозилгомоцистеин — мощный ингибитор ДДАГ [6]. Таким образом, прослеживается связь АДМА с холестероловым и гомоцистеиновым факторами риска диабетических осложнений. Нормализация повышенного гомоцистеина при применении витаминов группы В (фолиевая кислота, цианокобаламин, пиридоксин) снижает содержание АДМА и аргинина в плазме у пациентов с гипергомоцистеинемией [47]. Однако, как было отмечено выше, постоянное наращивание дозы метформина после определенного уровня снижает уровень цианокобаламина и его компартментализацию [3], что создает непреодолимую преграду для использования высоких доз препарата для регулирования активности эндотелиальной синтазы оксида азота (eNOS3).

В одном из исследований также доказано, что КПГ снижает непосредственно уровень мРНК фермента ДДАГ, ответственного за деградацию АДМА. Исследователи считают, что ось КПГ – ДДАГ – АДМА может стать мишенью для терапевтического воздействия при диабетических сосудистых осложнениях [17].

Метформин активирует АМФ-активируемую протеинкиназу (АМФ-ПК, англ. AMPK), которая, в свою очередь, снижает экспрессию рецепторов к конечным продуктам гликозилирования (RAGE), а также интенсивность сигналов NFkB (ответственных за активацию воспаления и окислительных процессов в макрофагах). В результате интенсивность окислительного стресса, в частности продукция АФК, снижается одновременно с повышением защитных свойств организма (каталаза, супероксиддисмутаза, гемоксигеназа-1) [49]. При одновременном использовании в эксперименте метформина и ингибитора AMPK не наблюдалось столь выраженного ослабления оси AGE – RAGE, что свидетельствует о связи активности AMPK и образовании КПГ [31].

Также известно, что метформин является структурным аналогом АДМА и по механизму конкурентного ингибирования не допускает образования неактивного комплекса синтаза оксида азота — АДМА [19], одновременно повышая активность фермента eNOS3.

Активированная бигуанидом AMPK подавляет стимулированное глюкагоном накопление цАМФ путем активации фосфодиэстеразы (ФДЭ), в результате процессы гликогенолиза, а также и глюконеогенез под действием метформина существенно снижаются [7, 44]. Таким образом, можно говорить о глюкагон-тормозящем действии метформина. Однонаправленным эффектом обладает и вилдаглиптин — протекторным действием на α-клетки поджелудочной железы и снижающим инсулинорезистентность.

ГПП-1 тормозит экспрессию гена ПАМТ-1 и снижает уровень мРНК ПАМТ-1 через снижение уровня рецепторов КПГ, что приводит к ограничению ОС. Стоит отметить, что ПАМТ 1 — это лимитирующий фермент синтеза АДМА [39]. Гипотеза однонаправленности воздействия метформина и вилдаглиптина на eNOS3 через регуляцию АДМА прослеживается в результатах одного клинического исследования [23].

Регуляция eNOS3 модифицируется многими факторами, в том числе ферментом, осуществляющим образование АДМА, стимулируется высокими концентрациями окисленных липидов и метионина в плазме. ДДАГ — фермент, осуществляющий деградацию АДМА, восприимчив к оксидативному повреждению. И в этом отношении метформин и вилдаглиптин действуют однонаправленно: ограничивают ОС через разрыв оси AGE – RAGE, зависимо и независимо от снижения глюкозотоксичности, а также нормализуя липидный обмен, ограничивая перекисное окисление липидов (ПОЛ), как было отмечено ранее [29]. Совместное применение вилдаглиптина и метформина также позволит избежать достижения предельных уровней бигуанида, при которых нарушается компартментализация витамина В12, которая может, в свою очередь, снова нарушить баланс синтеза и утилизации АДМА.

В одном из экспериментов было установлено, что ГПП-1 подавляет экспрессию генов RAGE, ПАМТ-1 в почках. Таким образом, можно говорить о способности ГПП-1 ослаблять связь КПГ – ОС – АДМА [29]. Особенно важную роль АДМА играет в развитии нефропатии при СД2, и снижение его уровня за счет инкретинотерапии значительно ограничивает развитие данного осложнения [10, 21] (рис. 2).

 

Рис. 2. Феномен взаимного дополнения вилдаглиптина и метформина при воздействии на регулятор активности эндотелиальной синтазы оксида азота (АДМА): AMPK — активируемая протеинкиназа; RAGE-AGE — рецепторы к конечным продуктам гликирования; ГПП-1 — глюкагоноподобный пептид-1; ПАМТ — протеин-аргинин N-метилтрансфераза; ДДАГ — диметиларгинин диметиламиногидролаза; АДМА — асимметричный диметиларгинин; eNOS3 — эндотелиальная синтаза оксида азота

 

Исследования показали, что желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) является важной точкой приложения действия метформина, однако препарат способен изменять не только всасывание глюкозы, но и микрофлору кишечника. Предполагают, что микробиота тесно связана с ожирением и СД2. На основании данного предположения выведена концепция «метаболической инфекции», в соответствии с которой микрофлора способствует развитию воспалительных процессов в жировой ткани. Так, препарат модулирует микробиоту и вследствие этого регулирует Т-клеточный и цитокиновый механизмы, устраняет субклиническое воспаление и инсулинорезистентность [12].

В эксперименте была обнаружена способность вилдаглиптина изменять микробиоту таким образом, что доля бутират-продуцирующих бактерий значительно увеличилась, а доля бактерий, предположительно ответственных за воспаление и инсулинорезистентность (Firmicutes), снизилась. Короткоцепочечные жирные кислоты (ацетат, пропионат, бутират), производимые Bacteroides и Erysipelotrichaeae, 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 коррегировалось применением вилдаглиптина [48].

В отношении защиты печени от липотоксичности и синтеза жирных кислот у метформина и вилдаглиптина также отмечается синергичное действие. Метформин статистически значимо ингибирует CD36 — транспортер жирных кислот, что ограничивает апоптоз β-клеток [12]. На фоне применения метформина улучшается липидный профиль и снижается атерогенность, уровни триглицеридов, общего холестерина и ЛПНП [10]. Предполагают также, что в реализации эффекта метформина на липидный обмен принимает участие и увеличение секреции ГПП-1. В пользу данного предположения свидетельствуют результаты, демонстрирующие уменьшение липопероксидации при применении метформина, что связано с увеличением активности диметиламиногидролазы, которая разрушает АДМА [45].

Ингибитор ДПП-4 вилдаглиптин, в свою очередь, напрямую не подавляет базальный глюконеогенез в печени, но увеличивает тормозное действие инсулина после приема пищи на данный процесс, что, в свою очередь, вносит вклад в нормализацию обмена триглициридов. Эффект на липидный обмен опосредован как увеличением активного ГПП-1, так и прямой способностью вилдаглиптина подавлять липопероксидацию и синтез пальмитата [34]. Уменьшение липопероксидации и уровня трансаминаз, а также снижение доли жировой ткани от общей массы печени подтверждено УЗ-исследованием [29].

Стоит отметить такое направление исследований эффекта метформина, как нейропротекция и нейрорегуляция. Действие метформина на функциональное состояние нейронов может осуществляться как через AMPK-зависимые, так и через независимые от AMPK сигнальные каскады. Метформин через инсулиновую и моноаминергическую систему регулирует функционирование нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой и других систем организма [30]. В гипоталамических нейронах метформин повышает уровень анорексигенных и снижает уровень орексигенных факторов, таким образом нормализуя пищевое поведение [15]. Однако остается неизученным вопрос о способности метформина проникать через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) в терапевтически значимых концентрациях [4], поэтому одним из механизмов нейропротекции можно считать как инкретинстимулирующие свойства метформина в отношении L-клеток, так и экспрессию генов рецепторов к инкретинам. Была сформулирована концепция оси ЖКТ – ЦНС – печень, в которой метформин через стимуляцию энтероэндокринных клеток, опосредованно через холинергические связи в ЦНС регулирует глюконеогенез [12]. Вилдаглиптин же, ингибируя разрушение эндогенных инкретинов, имеет такой же путь влияния на холинергические связи в ЦНС, как и препарат центрального действия — галантамин [16].

Метформин снижает выраженность ишемических поражений за счет опосредованного стимулирования синтазы оксида азота и подавления экспрессии ФНО-альфа, ИЛ-6, NF-κB-опосредованного пути воспаления [50]. Однако до конца вопрос о механизмах реализации нейропротективных эффектов метформина остается невыясненным. Но не в последнюю очередь он опосредован стимуляцией естественной инкретиновой системы [18]. Также существует предположение, что метформин способен снижать плазменную концентрацию ДПП-4 [27], что является неоспоримым аддитивным эффектом к действию ингибитора ДПП-4 вилдаглиптина.

Таким образом, воздействие комбинации препаратов метформина и вилдаглиптина на эндогенный регулятор активности eNOS3 — уровень АДМА — позволит не только добиваться целевых значений гликемии, но и снижать риск побочных эффектов, которые отрицательно сказываются и на эффективности терапии, и на течении заболевания, прогрессировании диабетических осложнений [14].

Эффективность и зачастую необходимость стартовой комбинированной терапии с развитием понимания патогенетических звеньев СД2 признается с течением времени многими специалистами, что находит отражение как в научных обзорах [41, 42, 46], так и в пересмотренных и обновляемых руководствах и алгоритмах [5].

About the authors

Aleksandr L. Urakov

Izhevsk State Medical Academy

Author for correspondence.
Email: urakoval@live.ru

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

Russian Federation, Izhevsk

Konstantin G. Gurevich

A.I. Yevdokimov Moscow State University of Medicine and Dentistry of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: kgurevich@mail.ru

PhD, Assistant Professor, Head, Department of UNESCO

Russian Federation, Moscow

Iuliia A. Sorokina

Privolzhskii Research Medical University

Email: zwx@inbox.ru

PhD, Assistant Professor, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

Liubov V. Lovtsova

Privolzhskii 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

Privolzhskii Research Medical University

Email: zwx@inbox.ru

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

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

Andrei A. Monakhov

Privolzhskii Research Medical University

Email: and.monahov2017@yandex.ru

PhD, Assistant Professor, Department of General and Clinical Pharmacology

Russian Federation, Nizhnii Novgorod

References