Микробиота и синдром повышенной кишечной проницаемости при сахарном диабете 1 и 2 типа

ВВЕДЕНИЕ

По мере расширения исследований кишечного микробиома (КМ) растет и наше понимание его сложной связи с организмом хозяина, хотя многие аспекты еще предстоит выяснить. При сахарном диабете 1 типа (СД1) сниженная экспрессия белков адгезии в эпителии кишечника способствует усилению иммунного ответа, что может привести к разрушению β-клеток поджелудочной железы CD8+ T-лимфоцитами и повышению экспрессии интерлейкина-17 [1]. При сахарном диабете 2 типа (СД2) нарушение микроокружения кишечника запускает воспалительные реакции, вызывая фосфорилирование остатков серина в субстрате-1 рецептора инсулина, снижая чувствительность к инсулину [1]. В связи с чем поддержание гомеостаза резидентных микроорганизмов играет немаловажную роль в поддержании гомеостаза эпителиальной выстилки кишечника и метаболизме ксенобиотиков (химических веществ, воздействию которых подвергается организм и которые не связаны с его нормальным метаболизмом), включая лекарства [2].

КОМПОНЕНТЫ КИШЕЧНОГО БАРЬЕРА

Микробиота

В макроорганизме КМ выполняет множество важных функций. К ним относятся ферментация неперевариваемых компонентов пищи в усвояемые метаболиты, синтез необходимых витаминов, удаление токсических соединений, подавление патогенных микроорганизмов [3]. КМ модулирует иммунную систему посредством выработки молекул с иммуномодулирующей и противовоспалительной функцией, которые способны воздействовать на иммунные клетки [4]. Путем анаэробной ферментации неперевариваемых углеводов (в основном пищевых волокон) кишечные микроорганизмы продуцируют короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), главным образом пропионовую, уксусную, изомасляную, масляную (бутират) и изовалериановую [5], которые оказывают противовоспалительное действие на слизистую оболочку кишечника, тем самым препятствуя развитию воспалительных заболеваний [6]. К тому же КЦЖК являются основным источником энергии для эпителиальных клеток толстой кишки (колоноцитов). Помимо КЦЖК, КМ производит другие метаболиты из переваренной пищи, которые обладают важной иммуномодулирующей функцией, такие как производные индола и полиамины. Эти метаболиты образуются из пищевого триптофана и аргинина и обладают косвенной иммунной функцией [7]. Производные индола способствуют целостности слизистой оболочки кишечника и барьерной защите от патогенов, стимулируя выработку антимикробных пептидов, муцинов и пролиферацию бокаловидных клеток кишечника [8].

Основными представителями КМ у здорового человека являются бактерии типа Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia, причем два типа Firmicutes и Bacteroidetes составляют 90% КМ [9]. Однако у пациентов с СД1 и СД2 наблюдается изменения КМ.

В исследовании TEDDY оценивались метагеномы образцов стула у 783 детей ежемесячно, в возрасте от 3 месяцев до явления сероконверсии (обнаружение специфических аутоантител). У детей с островковыми аутоантителами (ОААТ) наблюдалась более высокая распространенность Streptococcus group mitis/oralis/pneumoniae, тогда как в контрольной группе наблюдалось более высокое содержание Lactobacillus rhamnosus и Bifidobacterium dentium. На уровне типа численность Actinobacteria и Firmicutes, а также соотношение Firmicutes и Bacteroidetes были ниже у детей с СД1, чем у здоровых детей [10]. В другом лонгитюдном исследовании образцы крови и стула, а также клинические метаданные, собирались в возрасте от 1 месяца до 3 лет у 1000 новорожденных с гаплотипами HLA высокого риска из Финляндии, Эстонии и России. Данное исследование выявило уменьшение микробного разнообразия и содержание бактериальных генов у детей с положительными ОААТ во время прогрессирования СД1. У детей с манифестным СД1 обнаружено снижение количества Lachnospiraceae и Veillonellaceae и увеличение количества Streptococcus, Blautia и Ruminococcus [11].

Исследование, проведенное в Китае, показало, что КМ у пациентов с СД2 в основном представляет собой условно-патогенные микроорганизмы, такие как Escherichia coli, некоторые виды Clostridium, Bacteroides caccae и Eggerthella lenta, которые являются провоспалительными бактериями, в то время как число бактерий, продуцирующих бутират, включая Eubacterium Rectale, Clostridiales sp. SS3/4, Faecalibacterium prausnitzii, и Roseburia intestinalis у этих пациентов снижается [12].

В течение последних нескольких лет исследователей интересует роль КМ у пациентов с преддиабетом или впервые диагностированным СД2, чтобы лучше понять корреляцию между СД2 и КМ, так как сахароснижающая терапия изменят гомеостаз кишечника [13]. Kristine H. Allin et al. обнаружили, что уровень Clostridium и Akkermansia muciniphila значительно снизился у пациентов с преддиабетом, в то время как уровень Dorea, Ruminococcus, Sutterella и Streptococcus увеличился, что указывает на то, что аномальные изменения в КМ происходят еще в период преддиабета [14].

Слизистая оболочка

Слой слизи — это самая первая линия физической защиты, с которой сталкиваются внешние молекулы, когда попадают в просвет кишечника, и которая предотвращает прямой контакт бактерий с эпителиальными клетками [15]. Слизь покрывает эпителий двумя слоями: наружным рыхлым слоем, допускающим комменсальную микробиоту, и внутренним плотным слоем, практически исключающим микробиоту [16]. В состав этих слоев входит примерно 30 белков, большинство из которых продуцируется бокаловидными клетками, включая муцин 2, вспомогательный хлоридный канал-1, Fc-фрагмент IgG-связывающего белка и белок зимогенных гранул 16, а также липиды, ионы и воду (что составляет примерно 95%) [17]. Эти эффекторные молекулы образуют барьер, предотвращая адгезию патогенных организмов к эпителию [18]. К тому же слизь является частью врожденного кишечного барьера, участвуя в уменьшении воздействия антигенов и бактерий на иммунную систему, таким образом действуя в качестве первой линии иммунологической защиты от возможных вредных соединений [19]. Например, показана способность микроорганизмов, таких как Bacteroides thetaiotaomicron, Faecalibacterium prausnitzii и Ruminococcus spp., регулировать толщину слоя слизи и ее состав [2]. Кроме того, продуцируемые бактериями КЦЖК повышают экспрессию клаудинов 3, 4 и окклюдина, а полиамины (путресцин, спермидин, спермин) повышают экспрессию E-кадгерина и белка ZO-1.

Структурные изменения слоя слизи могут способствовать миграции бактерий и их метаболитов в собственную пластинку толстой кишки, что предрасполагает к развитию иммуноопосредованного воспаления [20].

Плотные соединения

Плотные соединения (ПС) играют важную роль в барьерной функции кишечника. Основные составляющие всех ПС включают интегральные мембранные белки, такие как окклюдин и различные клаудины, а также белки цитоплазматических бляшек, такие как зонулярные окклюдины-1 и зонулярные окклюдины-2 [21]. Они регулируют парацеллюлярную проницаемость воды, ионов и макромолекул в соседних клетках [22]. Одной из наиболее важных функций структуры ПС является обеспечение физического барьера для люминальных воспалительных молекул. Нарушение целостности и структуры кишечного барьера приводит к форсированной активации иммунных клеток и хроническому воспалению в различных тканях [23].

Исследования, проведенные на стерильных мышах с высоким содержанием жиров, обычных мышах и мышах, получавших стандартную диету, показали, что метаболические и иммунологические профили в основном зависят от микробного разнообразия и состава, независимо от типа диеты. Мыши с одинаковым генотипом и схожей диетой могут иметь разные модели метаболизма глюкозы (гипергликемические или гипогликемические) в зависимости от их профиля КМ [24]. Эти данные подтверждают взаимосвязь между КМ и метаболической функциональностью.

В настоящее время прямой причинно-следственной связи между дисбиозом кишечника и развитием СД не выявлено. Были обнаружены иммуномодулирующие механизмы, которые опосредованы липидными продуктами, полученными из резидентной микробиоты. Среди них у пациентов с диабетом выделяются два особых явления: высвобождение липополисахаридов (ЛПС) с провоспалительными эффектами и снижение продукции КЦЖК [25].

САХАРНЫЙ ДИАБЕТ 1 ТИПА

Увеличение кишечной проницаемости (КП), наблюдаемое при СД1, приводит к микробной транслокации в систему кровообращения, вызывая как прямое, так и косвенное воспалительное иммуноопосредованное повреждение β-клеток поджелудочной железы [26][27]. Чтобы подтвердить гипотезу о взаимодействии между кишечным дисбиозом, КП и иммунной системой хозяина, недавнее исследование фекальной метапротеомики показало: у пациентов с СД1 имеется воспаление кишечника, выраженное в более высоких уровнях воспалительных белков (галектин-3 и фибриллин-1), а также наблюдается повышение КП вследствие более высокой деградации муцина и более низкой продукции бутирата [28]. Сообщалось, что некоторые микробные токсины непосредственно нарушают функцию β-клеток поджелудочной железы. Например, инъекция токсина Streptomyces и бафиломицина A1 приводила к уменьшению размера островков и снижению массы β-клеток поджелудочной железы, а также к нарушению толерантности к глюкозе [29]. Недавно было высказано предположение о прямом взаимодействии между КМ и β-клетками поджелудочной железы, о чем свидетельствует наблюдение, что экзокринная часть поджелудочной железы секретирует в кишечный тракт как пищеварительные ферменты, так и антимикробные пептиды (AMП), такие как кателицидины и дефенсины, которые играют центральную роль не только в защите от инфекций, но и в регуляции КМ, а также в модуляции врожденной и адаптивной иммунной системы [30]. Кроме того, на моделях животных кателицидин оказывал трофическое действие как на кишечные стволовые клетки, так и на β-клетки поджелудочной железы, регулируя их функции и ослабляя воспалительные реакции [31][32]. В работе Wenjie Liang et al. определили, что дефектная экспрессия АМП родственному кателицидину вызывает в толстой кишке дисбактериоз, способствуя развитию СД1 у мышей [33].

У пациентов с СД1 КП часто повышена не только в клинической манифестации заболевания, но уже в доклинической фазе [34]. Как упоминалось ранее, это увеличение, вероятно, связано с активацией зонулина и не коррелирует с продолжительностью заболевания или уровнями гликированного гемоглобина (HbA_1c) [35]. Кроме того, повышенные уровни зонулина в сыворотке крови были обнаружены у пациентов с СД1, у их ближайших родственников и у пациентов с наличием положительных ОААТ, при отсутствии клинического заболевания [36]. Предрасположенные к диабету крысы, у которых спонтанно развивается СД1, имели синдром повышенной кишечной проницаемости (СПКП), который предшествует потере толерантности к глюкозе, по крайней мере, на один месяц. Пероральное введение блокатора зонулина AT1001 корректировало дефект кишечного барьера и снижало заболеваемость диабетом, указывая на механистическую роль зонулин-зависимой модуляции кишечного барьера в патогенезе СД1 [37]. Эти исследования подтверждают постулируемую причинную роль повышенной КП в патогенезе СД1, а не рассматривают его как эпифеномен.

САХАРНЫЙ ДИАБЕТ 2 ТИПА

Нарушение структуры и функции кишечного барьера было подтверждено как важный патогенетический процесс при СД2 [38]. Питание, характеризующееся высоким содержанием жиров и простых углеводов, может быть предрасполагающим фактором изменения в микроокружении кишечника, вызывая низкоинтенсивное воспаление, разрушение структуры плотных контактов, увеличение КП и повреждение барьерной функции слизистой оболочки [39].

У пациентов с ожирением регистрируется снижение разнообразия КМ, в то время как количество условно-патогенных микроорганизмов возрастает [40]. В работе Chaithanya Chelakkot et al. у мышей с индуцированным диабетом, получавших внеклеточные везикулы A. muciniphila, наблюдалось улучшение метаболического профиля (снижение массы тела и улучшения толерантности к глюкозе). Также наблюдалось, что фекалии здоровых людей были более обогащены A. muciniphila по сравнению с фекалиями пациентов с СД2, что указывает на потенциальную роль A. muciniphila в качестве терапевтического вмешательства при ожирении и диабете [41]. В исследовании на мышах, получавших диету с высоким содержанием жиров, было выявлено, что белок Amuc_1100, выделенный из внешней мембраны A. muciniphila, поддерживал целостность кишечного барьера, взаимодействуя с toll-подобным рецептором 2 [42].

Гипергликемия, зависимая от глюкозного транспортера типа 2 (GLUT2), может влиять на слизь и изменять целостность прилипания и плотных контактов между эпителиальными клетками кишечника у мышей с диабетом, что приведет к СПКП. Впоследствии гипергликемия может способствовать распространению кишечной инфекции в системную [43]. Интересно, что реверсия гипергликемии, условное удаление GLUT2 из эпителиальных клеток кишечника и ингибирование метаболизма глюкозы устраняет дисфункцию барьера и предотвращает распространение бактерий. Xu et al. показали, что Faecalibacterium prausnitzii, одна из наиболее частых комменсальных бактерий у здоровых людей, играющая важную роль в гомеостазе кишечника, генерирует противовоспалительные молекулы, которые усиливают экспрессию ПС и улучшают целостность кишечника при диабете [44].

СПКП способствует увеличению циркулирующих эндотоксинов и других воспалительных маркеров после еды, богатой жирами. Основным механизмом «метаболической эндотоксинемии» является изменение кишечной флоры и нарушение барьерной функции слизистой оболочки [45]. ЛПС и насыщенные жирные кислоты с длинной цепью, такие как пальмитат, действуют синергически, активируя воспалительную сигнальную реакцию в макрофагах [46]. Исследования на животных показали, что увеличение проницаемости кишечника приводит к прогрессированию ожирения и развитию резистентности к инсулину [47]. В работе Genser et al. при оценке натощак изменения КП у пациентов с ожирением по сравнению с пациентами без ожирения не были выявлены. Однако повышенная проницаемость тощей кишки наблюдалась у пациентов с ожирением во время липидной нагрузки и была связана с воспалительным и метаболическим статусом [48]. В свою очередь потеря веса восстанавливает КП до нормального уровня [49].

Дисбактериоз кишечника при СД2 изменяет концентрацию КЦЖК. КЦЖК могут связываться с рецептором, связанным с G-белком GPR-41 (обозначаемым как FFAR3) и GPR-43 (обозначаемым как FFAR2), экспрессируемыми на энтероэндокринных L-клетках, стимулируя высвобождение глюкагоноподобного пептида-1 и пептида YY, которые регулируют метаболизм глюкозы и секрецию инсулина [50].

ПРОБИОТИКИ

Исследования метаболизма на основе КМ все еще находятся на ранней стадии и требуют дополнительной работы. Лечение пробиотиками рассматривается как один из вариантов терапии пациентов с СД, однако результаты исследований неоднозначны.

Обнаружено, что многовидовые пробиотики, а именно L. acidophilus, L. rhamnosus, L. casei, L. bulgaricus, B. longum и Streptococcus thermophilus, могут предотвращать повышение уровня глюкозы натощак (ГН), снижать уровень C-реактивного белка в сыворотке крови и повышать общий глутатион плазмы при СД2 [51]. В метаанализе Yun-Wen Tao et al. была проведена оценка 15 рандомизированных клинических исследований, включавших 902 пациента с СД2. Было подтверждено, что лечение пробиотиками может снизить уровни HbA_1c, уровень ГН и снижение резистентности к инсулину у пациентов с СД2 [52]. Применение пробиотиков также благотворно влияет на обмен липидов: снижение уровня общего холестерина и триглицеридов не было зафиксировано, однако отмечалось увеличение уровня липопротеинов высокой плотности [53]. По данным исследования PREMOTE, включавшего 409 пациентов с СД2, ранее не получавших лекарственную терапию, не удалось обнаружить значительного улучшения метаболизма при приеме пробиотических добавок у пациентов с СД2, за исключением случаев, когда они использовались в сочетании с берберином у пожилых участников [54].

Применение пробиотиков у пациентов с СД1 привело к снижению уровня ГН по сравнению с уровнями до терапии. Концентрации интерлейкина 8 (ИЛ-8), интерлейкина 17 (ИЛ-17), макрофагального воспалительного протеина-1β (MIP-1β), хемокина, выделяемого при активации Т-клеток (RANTES) и фактора некроза опухоли альфа (ФНО-α) были значительно снижены и были связаны с повышенной экспрессией трансформирующего фактора роста–β1 [55]. В первом метаанализе, включающем эффективность пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков при СД1, подтверждено улучшение ГН у пациентов с СД1, получавших син- или пробиотические добавки, а также незначительное снижение уровня HbA_1c [56]. Информации о взаимосвязи между манифестацией СД1 и дисбиозом кишечника становится все больше. В рандомизированном двойном слепом плацебо-контролируемом клиническом исследовании терапия пробиотическим препаратом, содержащим Lactobacillus GG 5×10⁹ колониеобразующих единиц [КОЕ]), Lactobacillus rhamnosus 5×10⁹ КОЕ), Bifidobacterium breveBb99 2×10⁸ КОЕ) и Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii JS 2×10⁹ КОЕ, не повлияла на возникновение СД1 у детей в возрасте 13 лет или на аутоиммунитет к островковым клеткам у детей в возрасте 5 лет [57]. Эти данные подтверждают необходимость дальнейших детальных исследований КМ и особенности состава пробиотических препаратов.

ПРОТИВОДИАБЕТИЧЕСКИЕ ПРЕАРАТЫ И ДИЕТА

Взаимодействие между КМ и противодиабетическими препаратами (ПДП) сложное и двунаправленное: ПДП могут влиять на состав КМ, но и КМ также может влиять на ПДП путем изменения их биодоступности, биологической активности или токсичности [58].

Метформин, наиболее часто назначаемый препарат для лечения пациентов с СД2, изменяет состав КМ за счет увеличения количества разлагающей муцин Akkermansia muciniphila (что, возможно, может указывать на улучшение протективной функции кишечника) [59], а также увеличения количества Ruminococcus torques, которая продуцирует КЦЖК [60]. Терапия агонистами глюкагон подобного пептида-1 также увеличивает количество Akkermansia muciniphila [61].

Средиземноморская диета, характеризующаяся высоким потреблением оливкового масла первого отжима (холодного отжима), овощей, включая зеленые листовые овощи, фруктов, круп, орехов и бобовых, а также умеренным потреблением рыбы и мяса, связана с повышением уровня Prevotella и Firmicutes, разлагающих клетчатку, что приводит к увеличению выработки КЦЖК и снижению низкоинтенсивного воспаления в кишечнике [62].

Заключение

Взаимодействие между кишечной микробиотой и барьерной функцией кишечника требует дальнейшего изучения. Сложные механизмы взаимодействия оказывают влияние не только в пределах ЖКТ, но и на весь организм в целом. Восстановление кишечного гомеостаза может вносить свой вклад как в предотвращение манифестации СД1, так и улучшать течение уже имеющегося СД2, в связи с чем прием противодиабетических препаратов при СД2, диетотерапия при СД1 и СД2 является одним из вариантов терапевтического подхода к снижению низкоинтенсивного воспаления в кишечнике и повышенной кишечной проницаемости. Эффективность пробиотических препаратов требует дальнейшего изучения.

Дополнительная информация

Источники финансирования. Работа выполнена по инициативе авторов без привлечения финансирования.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Участие авторов. Дворяньчиков Я.В. — сбор и систематизация данных, написание статьи; Деунежева С.М. — сбор и систематизация данных, написание статьи; Яцков И.А. — сбор и систематизация данных, внесение в рукопись правок с целью повышения научной ценности статьи; Белоглазов В.А. — проверка критически важного интеллектуального содержания, внесение в рукопись правок с целью повышения научной ценности статьи.

Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.