ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
РЕЗЮМЕ. В статье обсуждаются актуальные вопросы взаимовлияния железа в организме человека и кишечной микробиоты. Железо необходимо как для выживания, так и для размножения почти всех бактерий. Следовательно, количество железа, поступающего в кишечник, может регулировать популяцию бактерий в толстой кишке. Установлено, что при снижении уровня железа могут возникать кишечные инфекции из-за негативных влияний на состав кишечной микробиоты. Избыток железа также отрицательно сказывается на состоянии микробиоты кишки. Наблюдается уменьшение количества Bifidobacteria, повышение Enterobacteriaceae и некоторых специфических энтеропатогенов (например, патогенной кишечной палочки), а также повышается уровень кальпротектина в фекалиях, что свидетельствует о воспалении кишечника. Следовательно, как дефицит, так и избыток железа важны с точки зрения возможного формирования дисбиоза толстой кишки, а также возникновения и развития воспаления и повышения риска развития колоректального рака. Кроме того, микробиота толстой кишки активно участвует в процессе усвоения железа, а ее нарушения могут стать причиной формирования дефицита железа. Показано, что низкий уровень железа коррелирует с низким уровнем лактобацилл в кале. Это может объясняться тем, что молочная кислота, вырабатываемая лактобациллами, увеличивает биодоступность железа с пищей. Использование пробиотиков на основе лактобацилл может выступать в качестве клинического инструмента для оптимизации биодоступности железа. В статье представлены результаты отдельных исследований по эффективности и безопасности препаратов пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков в коррекции различных железодефицитных состояний.
Дефицит железа в организме человека является распространенной проблемой, с которой сталкиваются более двух миллиардов людей по всему миру [7]. От дефицита железа страдает около 40% населения развивающихся стран и около 10% жителей развитых стран [16]. Недостаток этого микроэлемента в организме приводит к нарушениям функционирования многих органов и систем, ведь железо играет универсальную роль, необходимую для белковой и ферментативной функции, а также для производства энергии, и имеет важное значение для фундаментальных биологических процессов роста и дифференцировки клеток [9, 65]. От нехватки железа в первую очередь страдают центральная нервная система, эндокринная система, сердечно-сосудистая система, развивается железодефицитная анемия разной степени тяжести, а также снижаются толерантность к физической нагрузке и качество жизни больных [3, 5]. Особенно опасен дефицит железа в детском возрасте, когда идет процесс активного роста и развития [1, 6, 8].
К основным причинам дефицита железа можно отнести отсутствие в рационе продуктов, богатых железом; повышенное потребление железа организмом; неспособность организма усваивать поступившее в организм железо по приобретенным или генетическим причинам. Литература, посвященная абсорбции железа слизистой оболочкой пищеварительного тракта, является противоречивой в обсуждении того, в какой именно форме всасывается железо: двух- или трехвалентной [27, 32, 69]. Однако во многих работах показано, что ключевую роль в его усвоении играет растворимость перорального железа в кишечнике [25], которая может быть связана с микробным пейзажем кишечника.
Обзор литературы с поиском работ, посвященных вопросам взаимовлияния железа в организме человека и кишечной микробиоты. Поиск проводился по ключевым словам: кишечная микробиота, пробиотики, пребиотики, железодефицитная анемия, дефицит железа в российской базе данных eLibrary и intestinal microbiota, probiotics, prebiotics, iron deficiency anemia, iron deficiency в международной базе данных PubMed.
В последнее время появились работы, в которых обсуждается взаимосвязь биодоступности и всасывания железа с активностью микроорганизмов в толстой кишке, т.е. с состоянием кишечной микробиоты [70]. Только 10 % пищевого железа всасывается в организме человека, а остальные 90 % выводятся с калом, что влияет на баланс микробиоты [21]. В зависимости от потребления железа около 15 % пищевого железа всасывается в двенадцатиперстной кишке, а остаток попадает в толстую кишку, где он потенциально может быть использован бактериями толстой кишки. Эти бактерии способны продуцировать высокоаффинные хелатирующие железо молекулы, называемые сидерофорами, а также рецепторы трансферрина/лактоферрина, которые позволяют бактериям собирать свободное железо в толстой кишке. Железо необходимо как для выживания, так и для размножения почти всех бактерий [71]. Следовательно, количество железа, поступающего в кишечник, может регулировать популяцию бактерий в толстой кишке [67]. Изменение гомеостаза железа макроорганизма может повлиять на «содержание железа в просвете кишечника и, следовательно, на состав кишечной микробиоты» [17]. Анализ фекалий мышей показывает, что регуляторный белок железа 2 (Irp2) и белок мутировавших генов, который появляется при таких заболеваниях, как наследственный Hfe-зависимый гемохроматоз, в значительной степени участвуют в регуляции железа. Результаты испытаний показали, что по сравнению с контрольными мышами дикого типа состав микробиоты у мутантных мышей с дефицитом (-/-) соответствующих белков (т.е. Irp2-/- или Hfe-/-) значительно изменялся. Следовательно, метаболизм железа в организме сильно влияет на состояние кишечной микробиоты [17]. Так, установлено, что при снижении уровня железа могут возникать кишечные инфекции из-за негативных влияний на состав кишечной микробиоты [63]. Избыток железа также отрицательно сказывается на состоянии микробиоты кишки. В работе T. Jaeggi и соавт. (2015) показано, что обогащение организма железом приводило к уменьшению количества Bifidobacteria, повышению Enterobacteriaceae и некоторых специфических энтеропатогенов (например, патогенной кишечной палочки), а также повышало уровень кальпротектина в фекалиях, что свидетельствует о воспалении кишечника [42]. Вирулентность многих патогенов связана с уровнем железа [15]. В ряде работ показано, что как дефицит, так и избыток железа важны с точки зрения возможного формирования дисбиоза толстой кишки, а также возникновения и развития воспаления и колоректального рака [43, 46, 51]. Негативные изменения кишечной микробиоты при гемохроматозах связывают с изменением работы ферропортина, отсутствие надлежащей функции которого влияет на содержание металлов в кишечном эпителии и фекалиях, поскольку этот белок участвует в экспорте железа в кровоток как из энтероцитов, так и из макрофагов [38]. Мутации в железорегулирующем гене SLC40A1, который кодирует ферропортин, вызывают фенотип гемохроматоза с перегрузкой железом в печени, который негативно влияет на кишечную микробиоту [13, 19]. Богатая железом среда в кишечнике способствует развитию протеобактерий. Исследования у детей показали, что избыток железа вызывает воспаление и рост патогенных бактерий [50]. Воспалительные заболевания кишечника приводят к недостаточному усвоению железа. Избыток железа из кишечной среды может создавать патобионты (потенциально патологические клетки), которые являются результатом трансформации бактерий комменсальной микробиоты [44]. Колоректальный рак может быть индуцирован этими патобионтами, которые также могут вызывать воспалительные заболевания кишечника [18]. Однако есть и другие данные. Так, в экспериментальном исследовании на крысах было установлено, что у крыс с дефицитом железа были значительно более низкие концентрации бутирата и пропионата (вырабатываемых Roseburia spp. / группа E. rectale) в слепой кишке, а состав кишечной микробиоты был сильно изменен [29], тогда как большое количество дополнительного железа (50 мг Fe, 4 дня в неделю) в течение 266 дней не провоцировало развития воспаления в кишечнике, а концентрация основных микроорганизмов и короткоцепочечных жирных кислот (продуцируемых пробиотическими видами) в фекалиях оставалась неизменной [28].
Кроме того, не только содержание железа в организме может влиять на состав микробиоты кишечника, но и микробиота толстой кишки активно участвует в процессе усвоения железа [68]. У безмикробных (стерильных) мышей без микробов можно наблюдать 8–10-кратное увеличение экспрессии белка-переносчика металлов 1 (DMT 1) и DCYTB, а также двукратное снижение экспрессии ферропортина в двенадцатиперстной кишке и малое содержание железа в энтероцитах, тогда как после колонизации этих мышей кишечными бактериями накопление железа в эпителиальных клетках повышалось [23]. Исследование, проведенное с привлечением в качестве обследуемых молодых женщин в Южной Индии, показало, что низкий уровень железа коррелировал с низким уровнем лактобацилл в кале [14]. Это может объясняться тем, что молочная кислота, вырабатываемая лактобациллами, увеличивает биодоступность железа с пищей [67]. В другом исследовании также показано, что пробиотические бактерии Lactobacillus fermentum увеличивают всасывание железа в желудочно-кишечном тракте. Авторы связывают это с действием п-гидрокси-фенилмолочной кислоты лактобацилл, которая способствует восстановлению Fe(III) до Fe(II), что необходимо для всасывания железа в желудочно-кишечном тракте. Эта кислота уменьшает содержание Fe(III) и повышает поглощение Fe(II) через каналы DMT1 энтероцитов [37]. Использование пробиотических бактерий на основе лактобацилл может выступать в качестве клинического инструмента для оптимизации биодоступности железа [36]. Более того, рН содержимого толстой кишки является фактором, определяющим всасывание железа. Например, микроорганизмы могут ферментировать галакто-олигосахариды, что приводит к снижению рН в кишечнике и, таким образом, способствуют всасыванию железа на этом уровне. Следовательно, продукты, содержащие уксусную кислоту, изготовленные из пробиотиков, могут быть введены в рацион и способны улучшить усвоение железа [57].
Для восполнения дефицита железа можно использовать железосодержащие пищевые продукты или биологически активные добавки, а также в тяжелых случаях медицинские процедуры (переливание крови и/или переливание концентратов эритроцитов) [35]. Доказано, что такие продукты, как овощи, мясо и мясопродукты, являются отличным источником железа, а ферментированная версия этих продуктов улучшает усвоение железа с пищей. Однако серьезной проблемой является не источник железа, а тип получаемого железа и пути его поглощения [55]. Пероральное гемовое железо изменяет микробные популяции, вызывая дисбактериоз и, в частности, уменьшая таксоны, продуцирующие бутират, что в конечном итоге было связано со снижением в кале уровня бутирата, который обладает противовоспалительными и противораковыми свойствами. Это было подтверждено при сравнительной оценке приема перорального и парентерального железа на мышиной модели: пероральный прием железа усугублял колит с большим развитием образования аденомы на мышиной модели по сравнению с парентеральным [24]. T. Lee и соавт. (2017) также обнаружили, что пероральное железо, получаемое пациентами с воспалительными заболеваниями кишечника и анемией негативно изменяет как филотипы бактерий, так и фекальные метаболиты по сравнению с внутривенной терапией железом: в частности, на фоне перорального приема железа имело место снижение количества Faecalibacterium prausnitzii и Ruminococcus bromi, тогда как при парентеральном введении железа подобных изменений не наблюдалось [49]. Faecalibacterium prausnitzii — это представитель нормобиоты кишечника, которая обладает противовоспалительными свойствами за счет продуцирования бутирата [54, 73]. Аналогичным образом, Ruminococcus bromi участвует в производстве бутирата путем разложения устойчивых частиц крахмала [72]. Снижение численности этих бактерий приводит к поддержанию воспаления в кишке, а также может повышать риск развития колоректального рака [36]. Следовательно, применение внутривенных препаратов железа потенциально уменьшает негативные изменения микробиоты и воспаление, поэтому их введение может быть более полезным, чем пероральный прием железа. Для улучшения усвоения железа, в том числе, очень важен нормальный состав микробиоты кишечника. По этой причине нужно рассмотреть возможности использования препаратов для коррекции нарушений кишечной микробиоты (пробиотиков, пребиотиков, синбиотиков) в комплексном лечении железодефицитных состояний [35, 39]. Данные об эффективности препаратов пробиотического ряда в улучшении усвоения железа противоречивы. Систематический обзор продемонстрировал, что использование Lactobacillus plantarum 299v помогает в профилактике железодефицитной анемии. Было обнаружено, что этот пробиотик улучшает усвоение негемового железа с пищей у взрослых европеоидов [66]. Однако G.M. Rosen и соавт. [60] при использовании L. plantarum 299v для лечения дефицита железа у педиатрических пациентов не наблюдали существенной разницы в отношении уровня ферритина в сыворотке крови у испытуемых, принимавших пробиотик L. plantarum 299v по сравнению с контрольной группой. В другом исследовании, проведенном на крысах, изучалось действие пероральных мультиштаммовых пробиотиков (Bifidobacterium bifidum W23, B. lactis W51, B. lactis W52, Lactobacillus acidophilus W37, L. brevis W63, L. casei W56, L. salivarius W24, Lactococcus lactis W19 и Lc. lactis W58 в равных пропорциях), вводимых в низкой дозе 2,5×109 и высокой дозе 1×1010. Результат показал, что железосвязывающая способность была выше в группе высокой дозы пробиотиков по сравнению с контрольной группой [64].
В нескольких исследованиях потребление пребиотиков и/или синбиотиков коррелировало с увеличением доступности железа, главным образом за счет превращения Fe3+ в Fe2+, что способствовало усвоению железа энтероцитами [61]. Эксперимент на крысах Sprague Dawley показал, что прием неочищенных пребиотических галактоолигосахаридов в течение 3–4 недель может усилить всасывание Ca, Mg и Fe [52]. Для изучения влияния хелатов «пептид–железо» на кишечную флору и воспаление у мышей с железодефицитной анемией этим мышам вводили низкие, средние и высокие дозы хелатов и FeSO4 (1,0; 2,0 и 3,0 мг Fe на килограмм массы тела соответственно) ежедневно в течение 4 недель путем внутрижелудочного введения. На фоне приема хелатов «пептид–железо» в различных дозах снижался уровень воспаления и повышалась секреция sIgA. Кроме того, инфильтрация воспалительных клеток и окислительный стресс в ткани толстой кишки были уменьшены, а проницаемость кишечника улучшена. Секвенирование гена 16S рДНК показало, что изучаемые хелаты увеличивают микробное разнообразие толстой кишки, восстанавливают соотношение Firmicutes/Bacteroides. На фоне же приема традиционной добавки железа FeSO4 патогенные бактерии (например, Helicobacter и Erysipelatoclostridium) увеличиваются, а полезные бактерии (например, Bifidobacterium и Blautia) уменьшаются [2, 20]. Интересны результаты исследования, в котором комплекс пектина и железа использовался в качестве матрицы для доставки L. plantarum CIDCA 83114. Ученые исследовали биофизическую стабильность железо-пектиновых наночастиц и проанализировали их действие. Результаты показали, что железо не токсично для пробиотических клеток и не влияет на жизнеспособность бактерий, что говорит об эффективности как для доставки железа, так и для стабилизации бактерий. Это может быть использовано в качестве альтернативного решения для преодоления дефицита железа [34]. Изучается эффективность инновационной рецептуры из наночастиц оксида железа, пектина и молочнокислых бактерий, в которой три компонента в совокупности могут обеспечить безопасное поступление растворимого железа в кишечник [34].
Еще одно исследование было направлено на синтез производных органических соединений из полисахаридов, готовых связывать железо. Был получен комплекс инулин-янтарный ангидрид-цистеин-хлорид железа, обладающий хорошей способностью к биологическому разложению в присутствии инулиназы и высокими свойствами адгезии к слизистой оболочке. Результаты показали, что применение таких комплексов при пероральном лечении железодефицитной анемии или в качестве добавки к обогащенным железом пищевым продуктам в перспективе может быть использовано [58].
В работе с участием детей младшего школьного возраста (9–12 лет) было показано, что лечение синбиотиками может улучшить усвоение железа организмом. Обследуемые были разделены на две группы: те, кто потреблял добавку железа в виде сиропа (давали два раза в неделю), и те, кто потреблял синбиотическую смесь — Lactobacillus plantarum Dad 13 и фруктоолигосахарид на молоке (шесть раз в неделю) в течение 3 месяцев. В основном не было выявлено существенных различий в уровне железа и состоянии микробиоты кишечника у детей разных групп. Тем не менее большее присутствие кишечной палочки наблюдались среди тех, кто пил только сироп с добавкой железа, а в кале тех, кто употреблял синбиотическую смесь, было обнаружено большее количество бифидобактерий [39].
В другом исследовании изучалось влияние приема синбиотиков на усвоение железа у пациентов с сахарным диабетом 2-го типа, поскольку многие метаболические осложнения связаны с изменениями минералов в сыворотке крови. Было показано, что прием синбиотиков оказывал положительное влияние как на пациентов, не страдающих диабетом, так и на пациентов с сахарным диабетом 2-го типа, демонстрируя значительные изменения в отношении абсорбции сывороточного железа [12].
Ранее мы также упоминали, что прием перорального железа может быть опасен с точки зрения развития нарушений кишечной микробиоты и воспаления, так как увеличение количества железа в толстой кишке уменьшает содержание полезных кишечных бактерий (например, бифидобактерий и лактобактерий) и увеличивает количество энтеробактерий, включая энтеропатогенную кишечную палочку. Следовательно, использование комбинации пероральных препаратов железа и препаратов пробиотического ряда будет способствовать уменьшению этих негативных эффектов [4, 56]. Результаты отдельных исследований, посвященных изучению эффективности и безопасности препаратов пробиотического ряда в коррекции железодефицитных состояний, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Потребление пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков при различных типах дефицита железа и их влияние на уровень железа в организме.
Тип железо-дефицитного состояния
|
Пробиотический штамм / тип пребиотика
|
Результаты
|
Пробиотики |
||
Снижение абсорбции железа
|
Lactobacillus plantarum (FS2)
|
↑ биодоступности железа на 128–372 % [10]
|
Низкая биодоступность железа
|
Bifidobacterium bifidum и
B. longum
|
↑ абсорбции железа [57]
|
Железодефицитная анемия (ЖДА)
|
L. plantarum 299v
|
↑ абсорбции железа [11]
|
ЖДА
|
Streptococcus thermophilus
|
↑ поглощения и утилизации железа (улучшение уровня гемоглобина в крови, сывороточного железа, общей способности связывать железо, ферритина) [30]
|
ЖД
|
L. fermentum
|
Пробиотик проникает в энтероцит, доставляя наночастицы и обеспечивая адекватный уровень железа [33]
|
ЖДА
|
L. plantarum 299v
|
↑ абсорбции железа [40]
|
ЖДА
|
L. acidophilus
|
↑ значительное образование ферритина в сыворотке крови животных.
↑ абсорбции железа [45]
|
ЖДА
|
L. plantarum 299v
|
↑ уровня железа в крови при совместном приеме с железом и витамином С [47]
|
ЖДА
|
Lactobacillus plantarum Dad 13
|
Не получено разницы в уровне железа и профиле кишечной микробиоты [39]
|
Нарушения обмена железа, связанные с ожирением
|
Пробиотическая смесь (B. bifidum W23, B. lactis W51, B. lactis W52,
L. acidophilus W37, L. brevis W63,
L. casei W56, L. salivarius W24, Lactococcus lactis W19 и
Lc. lactis W58)
|
Применение пробиотических добавок может влиять на метаболизм железа у пациенток с ожирением в постменопаузе; необходимы дальнейшие исследования [52]
|
Анемия при обильных менструациях
|
L. plantarum 299v
|
↑ абсорбции железа при совместном приеме с железом [41]
|
Пребиотики
|
||
ЖДА
|
Галактоолигосахариды и инулин
|
Улучшение иммунной функции у женщин с дефицитом железа [59]
|
ЖДА
|
Фрукто- и галактоолигосахариды
|
Улучшение биодоступности железа [22]
|
ЖДА
|
Инулин
|
↑ биодоступности сульфата железа.
↓ биодоступности кальция [26]
|
ЖДА
|
Галактоолигосахариды
|
↑ абсорбции железа [48]
|
ЖДА
|
Инулин и олигофруктоза
|
↑ экспрессии белка — переносчика двухвалентных металлов в слепой кишке.
↓ экспрессии белка ферропортина в двенадцатиперстной кишке.
Помогает регулировать всасывание железа в кишечнике [53]
|
Анемия при целиакии
|
Инулин, обогащенный олигофруктозой
|
Снижение концентрации гепсидина в сыворотке крови.
↑ поглощения железа [31]
|
Синбиотики
|
||
ЖДА
|
Bifidobacterium lactis HN019
и олигосахариды
|
↓ риска развития анемии и дефицита железа [62]
|
ЖДА
|
B. bifidum, B. longum, галактоолигосахариды
|
↑ абсорбции железа [35]
|
В заключение следует отметить, что как дефицит железа в организме, так и избыток железа в кишечнике при проведении терапии железодефицитных состояний, отрицательно влияют на кишечную микробиоту. Кроме того, представители нормофлоры толстой кишки способствуют повышению усвоения железа в организме. Следовательно, использование препаратов для коррекции нарушений микробного баланса толстой кишки в комплексной терапии данной категории пациентов будет способствовать не только восстановлению микробиоты и уменьшению кишечного воспаления, но и открывает новые возможности для лечения дефицита железа, одного из наиболее распространенных нарушений питания в мире. Существует ряд научных работ, демонстрирующих эффективность препаратов пробиотического ряда в терапии данной патологии. Однако необходимы дальнейшие обширные исследования, чтобы подтвердить положительное действие пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков в коррекции дефицита железа.
Дополнительная информация:
ЛИТЕРАТУРА