ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
Резюме
Диабет 2 типа (СД2) - это широко распространенное во всем мире нарушение обмена веществ, которое определяется высоким уровнем глюкозы в крови из-за инсулинорезистентности (ИР) и нарушением секреции инсулина. Понимание механизма действия инсулина имеет большое значение для непрерывной разработки новых терапевтических стратегий лечения СД2. Нарушения микробиоты кишечника широко обнаруживаются у пациентов с СД2 и способствуют развитию ИР. В настоящей статье мы рассмотрели патологическую роль метаболитов кишечных микробов, включая газообразные продукты, продукты аминокислот с разветвленными боковыми цепями (BCAAs), продукты ароматических аминокислот (AAAs), продукты желчных кислот (BAs), продукты холина и бактериальные токсины в регулировании чувствительность к инсулину при СД2. После этого мы обобщили терапевтическую стратегию на основе пробиотиков для лечения СД2 с акцентом на регулирование микробиоты кишечника в исследованиях как на животных, так и на людях. Эти результаты показывают, что метаболиты кишечных микробов участвуют в патогенезе СД2, и добавление пробиотиков может быть полезным для облегчения ИР при СД2 за счет модуляции микробиоты кишечника.
Диабет 2 типа (СД2) характеризуется гипергликемией натощак, возникающей в результате недостаточной секреции глюкозоснижающего гормона инсулина и/или инсулинорезистентности (ИР). СД2, в первую очередь вызванное перееданием и малоподвижным образом жизни, представляет собой серьезную глобальную проблему здравоохранения как в развивающихся, так и в развитых странах [1]. Высокая распространенность ИР при СД2 делает ИР прогностическим фактором развития СД2, а также идеальной терапевтической мишенью для поддержания уровня глюкозы.
Все больше данных свидетельствует о том, что микробиом кишечника является важным фактором патогенеза ИР и СД2 [2]. Микробиота кишечника способна утилизировать непереваренные и неабсорбированные компоненты пищи, тем самым производя биоактивные метаболиты в результате метаболизма углеводов, белков, холина и первичных желчных кислот. Многие исследования показали, что эти метаболиты играют решающую роль в развитии ИР и СД2 [3]. Протеолитическая ферментация кишечной микробиоты дает продукты, включая индолы, фенолы, пара-крезол, сероводород, жирные кислоты с разветвленной цепью, аммиак и полиамины. Некоторые из них могут быть полезными или вредными для кишечника и метаболического гомеостаза хозяина [4]. Состав и структура кишечной микробиоты могут представлять интерес для определения влияния микробных метаболитов на метаболические заболевания [5]. В настоящем исследовании мы рассматриваем и резюмируем вклад микробных метаболитов в развитие СД2, выявляем пробелы на основе текущей литературы и даем представление о направлении будущих исследований в этой области.
Пробиотики, относящиеся к «живым микроорганизмам, которые при употреблении в надлежащих количествах оказывают благотворное влияние на хозяина», использовались в качестве терапевтического инструмента для лечения ИР и СД2 [6]. Сообщалось об эффективности пробиотиков в исследованиях как на животных, так и на людях, хотя некоторые результаты противоречивы. Различия в этих исследованиях можно объяснить несколькими причинами, такими как использование разных штаммов пробиотиков, дозировка, продолжительность и дизайн исследования. По этой причине мы также обобщили имеющиеся данные об использовании пробиотиков в качестве терапевтических средств для лечения СД2. Данные как о животных, так и о людях были включены для рассмотрения роли пробиотиков в облегчении ИР при СД2 для дальнейших исследований.
Микробные метаболиты, полученные из пищевых компонентов (например, пищевых волокон, холестерина, аминокислот), участвуют в развитии метаболических заболеваний, включая ИР и СД2 [7]. Среди диетических компонентов углеводы ферментируются микробами в проксимальном отделе толстой кишки, тогда как ферментация белка в основном происходит в дистальном отделе толстой кишки; последнее происходит по мере истощения более легко усваиваемых углеводов, при этом мало что известно о микробных сетях, которые производят желчные кислоты, холин, сахаролитические и протеолитические метаболиты. Вкратце, ферментация пищевых волокон производит большое количество короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs), лактата, сукцината и газов, таких как метан и углекислый газ, в проксимальном отделе толстой кишки [8]. Напротив, остаточные пептиды и белки, желчные кислоты и холин ферментируются в дистальном отделе толстой кишки [9]. По сравнению с ферментацией углеводов в проксимальном отделе толстой кишки продукты ферментации в дистальном отделе толстой кишки, по-видимому, более разнообразны, включая следующие: (1) бактериальные токсины, такие как липополисахариды (LPS); (2) газообразные продукты, такие как метан, диоксид углерода и сероводород; (3) продукты желчных кислот (BA), такие как дезоксихолат и литохолат; (4) аминокислоты с разветвленной цепью (BCAAs) и продукты жирных кислот с разветвленной цепью (BCFAs), такие как изобутират, 2-метилбутират и изовалерат; (5) продукты ароматических аминокислот (AAAs), такие как фенольные, индольные, скатоловые и пара-крезольные соединения, а также аммиак и полиамины, и (6) продукты холина, такие как диметиламин (DMA) и триметиламин (TMA); (Рисунок 1). Исследования также измеряли концентрацию этих микробных метаболитов в сыворотке, моче и кале, а также в толстой кишке людей (взрослых) (таблица 1), что облегчает биологические исследования влияния микробных метаболитов на здоровье хозяина.
Рисунок 1. Общие профили метаболитов кишечных микробов из различных пищевых и эндогенных компонентов у людей.
Таблица 1. Концентрации метаболитов кишечных микробов у здорового человека-хозяина.
Категория
|
Метаболит
|
Сыворотка / Плазма
|
Моча
|
Кал / толстая кишка
|
Ref
|
LPS
|
0,39 ± 0,06
ЕЭ / мл
(ЕЭ – единиц эндотоксина)
|
–
|
0,27 ± 0,04 ЕЭ / мл в кале
|
[10]
|
|
5–200 мкМ
|
82.89 ± 60.0 мкМ
|
35,86 ± 16,8 мкмоль / г в кале
|
[11]
|
||
SCFAs
|
<12 мкМ
|
2.98 ± 1.88 мкМ
|
6,35 ± 3,13 мкмоль г в кале
|
||
SCFAs
|
<13 мкМ
|
108.2 ± 78.1 мкМ
|
11,40 ± 4,74 мкмоль г в кале
|
||
SCFAs
|
5–200 мкМ
|
10 ± 0.2 мкМ
|
3,1 + 0,9 ммоль / кг в проксимальном отделе толстой кишки; 2,1 ± 1,0 ммоль / кг в сигмовидной кишке
|
[7]
|
|
BCFA
|
Общие
|
–
|
–
|
18,87 ммоль / кг
|
[7]
|
BCFA
|
2.6–4.7 мкМ
|
–
|
0,04–0,24 мг / г
|
[12]
|
|
BCFA
|
–
|
–
|
4079,7 нмоль / г влажного кала
|
||
BCFA
|
11.2–44.4 мкМ
|
–
|
0,05–0,37 мг / г
|
||
Аминокислоты
|
–
|
–
|
22,32 ммоль / кг
|
[7]
|
|
Аминокислоты
|
22–55 мкМ
|
–
|
160,93 ммоль / кг
|
[7]
|
|
Аминокислоты
|
–
|
–
|
2,39 ммоль / кг (общие фенолы)
|
[13]
|
|
Аминокислоты
|
–
|
–
|
2,6 мМ
|
[14]
|
|
Аминокислоты
|
5.556 ± 9.259 мкМ
|
52,6 (38,8–71,0) мкмоль / ммоль креатинина
|
2,12 ммоль / кг
|
[15]
|
|
Желчные кислоты
|
0.57 ± 0.35 мкМ
|
–
|
1920,10 +/− 1390,50 нмоль / г сухого кала
|
[16]
|
|
Желчные кислоты
|
0.0103 мкМ
|
–
|
1016.60 +/− 647.31 нмоль / г сухого кала
|
||
Желчные кислоты
|
0.1975 мкМ
|
–
|
27.05 +/− 61.13
нмоль / г сухого кала
|
[16]
|
|
Холин
|
26.55 (7.07) мкМ
|
0,24–2,33 мкмоль / ммоль креатинина
|
–
|
[17]
|
|
Холин
|
38.81 ± 20.37 мкМ
|
20–125 мкмоль / ммоль креатинина
|
18417.506 (9541.599–27,293.412) нмоль / г влажного кала
|
[18]
|
|
Газ
|
Метан
|
–
|
–
|
–
|
|
Газ
|
Углекислый газ
|
–
|
–
|
–
|
|
Газ
|
Сероводород
|
37.6 (27.4–41.3) мкМ
|
–
|
–
|
[19]
|
За последние десятилетия микробиом кишечника превратился в важный «орган», регулирующий энергетический обмен в организме хозяина. Было обнаружено, что аномалии в составе и функции кишечной микробиоты способствуют нарушению метаболизма хозяина при СД2, включая десенсибилизирующие эффекты инсулина на метаболизм в жировой ткани, скелетных мышцах и печени [20,21]. Исследования показали, что микробиом кишечника значительно влияет на метаболические характеристики пациентов с СД2 [22]. Сообщалось о многих нецелевых и целевых исследованиях метаболомики у субъектов с СД2. Хотя эти исследования проводились в разных популяциях (азиаты, европейцы и американцы) с использованием разных подходов к метаболомике, они выявили несколько схожих паттернов метаболома при СД2. Во-первых, метаболомика полезна для отличия пациентов с СД2 от субъектов с предиабетом и здоровых субъектов [23,24,25]. Во-вторых, многочисленные нецелевые и целевые исследования метаболомики определили изменения метаболитов кишечных микробов при СД2, показав, что метаболические пути, связанные с кишечными микробными метаболитами, значительно изменяются при СД2. Здесь были рассмотрены как целевые, так и нецелевые исследования метаболомики, связанные с исследованиями СД2 на животных и на людях, с упором на малые молекулы, чтобы выяснить роль микробных метаболитов в ИР и СД2 (рис. 2).
Рисунок 2. Регуляторные эффекты кишечных микробных метаболитов на чувствительность к инсулину и выработку инсулина. Имидазол, ТМА, LPS и сероводород (H2S) могут вызывать либо инсулинорезистентность, либо повреждение бета-клеток, нарушая гомеостаз глюкозы. Желчные кислоты, SCFAs и индол могут стимулировать выработку GLP-1, чтобы управлять выработкой и секрецией инсулина для регулирования уровня глюкозы.
LPS происходит из грамотрицательной бактериальной стенки и имеет высокую аффинность связывания с рядом иммунных рецепторов, включая toll-подобные рецепторы (TLRs), NOD-подобные рецепторы и инфламмасому NLRP3, которые высоко экспрессируются в макрофагах и дендритных клетках. LPS активирует путь TLR4/MyD88/NF-κB, чтобы вызвать воспалительные реакции и высвобождение провоспалительных факторов TNF-α, IL-1β, IL-6 и iNOS. При активации рецепторов TNF-α активируются JNK и IKK для подавления фосфорилирования серина субстрата рецептора инсулина (IRS), что ингибирует передачу сигналов инсулина и приводит к клеточной ИР [26,27,28].
У пациентов с СД2 уровень LPS в крови выше [29]. Это связано с тем, что кишечная проницаемость увеличивается у пациентов с диабетом, поэтому эндотоксины легко проникают через кишечный барьер [30]. Проницаемость кишечника обычно регулируется белками плотного соединения в эпителиальных клетках кишечника, которые предотвращают попадание микробов и токсинов в кровоток. У мышей с диабетом экспрессия белков барьерной функции, включая zonula occludens-1 (ZO-1), окклюдин и клаудин, снижена, что приводит к перемещению бактерий и LPS в кровоток [29]. Таким образом, повышенные уровни LPS могут способствовать развитию СД2, вызывая ИР, вызванную воспалением. В 60-месячном последующем исследовании уровни LPS после приема пищи были выше у пациентов с СД2 по сравнению со здоровыми людьми [31]. Взятые вместе, эти исследования показывают, что повышенная кишечная проницаемость в результате диабета способствует перемещению бактерий и токсинов в кровоток, что приводит к повышению уровня LPS в сыворотке и, следовательно, к ухудшению метаболизма глюкозы и передачи сигналов инсулина.
Полученные из неперевариваемой пищи ацетат, пропионат и бутират, которые являются тремя основными типами SCFAs, являются наиболее распространенными микробными метаболитами. SCFAs являются наиболее хорошо изученными микробными метаболитами и играют множество ролей при ИР и СД2, включая обеспечение целостности эпителия кишечника, контроль иммуномодулирующих функций и регулирование пролиферации панкреатических β-клеток и секреции инсулина [32]. SCFAs связываются с рецепторами 43 и 41, связанными с G-белками (GPR43 / FFA2 и GPR41 / FFA3) в энтероэндокринных клетках, эпителиальных клетках кишечника и островках Лангерганса [33]. SCFAs через FFAR2 стимулируют выработку глюкагоноподобного пептида (GLP-1), гормон кишечника, который регулирует глюкозозависимую секрецию инсулина и ингибирует секрецию глюкагона [34]. Точно так же активация GPR41 регулирует глюконеогенез в кишечнике и расход энергии, а также стимулирует секрецию кишечного пептида YY у животных. Более того, SCFAs связываются с GPR119 в L-клетках кишечника и β-клетках поджелудочной железы. Показано, что агонисты GPR119 уменьшают гипергликемию, стимулируя секрецию GLP-1 в кишечнике, улучшая функцию β-клеток поджелудочной железы и секрецию инсулина [35]. Следовательно, SCFAs проявляют полезные свойства через активацию рецептора, сопряженного с G-белком (GPCR), включая улучшение чувствительности к инсулину, ингибирование накопления белой жировой ткани и подавление воспаления [36]. У пациентов с СД2 снижение количества бактерий, продуцирующих SCFAs, приводит к снижению уровней SCFAs, что может способствовать развитию ИР и СД2 [37]. Однако клинические исследования и исследования на животных показали, что уровни SCFAs в кале положительно связаны с массой тела и ИР [38]. Таким образом, роль SCFAs в ИР и СД2 является противоречивой и требует дальнейшего изучения.
Желчные кислоты (BAs) в первую очередь синтезируются из холестерина в гепатоцитах. Первичные BAs, включая холевую кислоту (CA) и хенодезоксихолевую кислоту (CDCA), синтезируются классическими путями (полипептидом 1 суперсемейства A семейства цитохрома Р450, CYP7A1) и альтернативными путями (CYP27A1) у человека. Затем первичные BAs конъюгируют с глицином или таурином в виде таурохолевой кислоты (TCA), гликохолевой кислоты (GCA), тауринхенодезоксихолевой кислоты (TCDCA) и глицинхенодезоксихолевой кислоты (GCDCA). После того, как эти желчные кислоты попадают в кишечник, особенно в тонкий кишечник, гидролаза желчных солей (BSH) микробиоты кишечника может преобразовывать эти конъюгированные BAs в свободные BAs и вторичные BAs, включая дезоксихолевую кислоту (DCA), литохолевую кислоту (LCA) и UDCA у человека. 90–95% BAs в кишечнике реабсорбируются апикально-натрийзависимым транспортером BAs (ASBT) в дистальном отделе подвздошной кишки и транспортируются в печень через воротную вену печени с помощью переносчика органических растворенных веществ альфа/бета (OSTα/β). Существует механизм регуляции синтеза BAs с отрицательной обратной связью. Когда BAs проникают в кишечник, они активируют фарнезоидный X рецептор (FXR) для усиления экспрессии фактора роста фибробластов 15 (FGF15) у мышей или FGF19 у людей. FGF15 / FGF19 связываются с рецептором 4 фактора роста фибробластов (FGFR4), подавляя экспрессию CYP7A1, тем самым подавляя синтез первичных BAs. Метаболизм BAs также регулируется малым гетеродимерным партнером (SHP), поскольку SHP опосредует подавление CYP7A1, тем самым подавляя синтез BAs посредством ингибирующей обратной связи. BAs действуют в кишечнике как антимикробные агенты; только определенные популяции бактерий, которые могут выдерживать высокую концентрацию BAs, могут хорошо выжить в кишечнике [39,40].
Поскольку ИР и СД2 связаны с нарушением регуляции метаболизма желчных кислот (BAs) как в исследованиях на животных, так и на людях, большой интерес представляет влияние кишечной микробиоты на метаболизм BAs. Несмотря на то, что общий уровень BAs у пациентов с СД2 повышен, изменения первичных и вторичных желчных кислот в многочисленных исследованиях СД2 не демонстрируют устойчивой тенденции [41]. Лиганды BAs могут связываться либо с рецепторами клеточной поверхности, включая TGR5 и сфингозин-1-фосфатный рецептор (S1PR), либо с ядерными рецепторами, включая FXR, рецептор витамина D (VDR), прегнан X рецептор (PXR) [42]. TGR5 экспрессируется в энтероэндокринных L-клетках, WAT, коричневой жировой ткани (BAT), скелетных мышцах, печени и головном мозге. Природные агонисты TGR5 включают LCA, DCA, CDCA и CA [43]. Конъюгированная BAs связывается с SIPR2 для активации ядерной сфингозинкиназы-2 в гепатоцитах через сигнальные пути ERK1/2 и Akt [44]. FXR экспрессируется в печени, кишечнике, почках и белой жировой ткани (WAT). Природными агонистами FXR являются CDCA, DCA, CA и LCA по степени активности, тогда как T-α-MCA и T-β-MCA и UDCA являются потенциальными антагонистами [45]. BAs регулирует гомеостаз глюкозы, напрямую воздействуя на FXR и TGR5 в кишечнике, печени и поджелудочной железе. В кишечнике мыши с дефицитом FXR демонстрируют замедленную кинетику всасывания глюкозы. FXR ингибирует гликолиз в печени и снижает утилизацию глюкозы после приема пищи, тогда как FGF15/19 увеличивает гликогенез [46]. FXR и TGR5 экспрессируются в β-клетках поджелудочной железы и стимулируют синтез глюкагона и индуцированную глюкозой секрецию инсулина [47]. VDR активируется LCA, который стимулирует экспрессию CYP3A и активирует путь ERK1/2 для ингибирования пути передачи сигналов инсулина [48,49]. PXR может активироваться CDCA, DCA и CA и подавляться T-α-MCA и T-β-MCA [50]. Было показано, что активация PXR нарушает толерантность к глюкозе и подавляет гены, контролирующие глюконеогенез [51,52].
Аминокислоты с разветвленными боковыми цепями (BCAA)
BCAA (лейцин, изолейцин и валин) являются важными питательными веществами, играющими важную роль в синтезе белка. Микробиота кишечника является основным источником циркулирующих BCAA посредством биосинтеза и модификации абсорбции. Повышенная циркуляция BCAA связана с метаболическими нарушениями, такими как ИР и СД2 [53]. Во-первых, ИР вызывает дисбактериоз микробиоты кишечника, который способствует изменению среды кишечника с преобладания сахаролитической ферментации на доминирующую протеолитическую ферментацию, что приводит к увеличению количества вредных метаболитов, полученных из BCAA. Между тем, на профиль структуры кишечной микробиоты влияют питательные вещества (аминокислоты, такие как BCAA) и факторы окружающей среды (местный рН желудочно-кишечного тракта), которые не регулируются в ИР. Во-вторых, ИР и СД2 связаны со снижением катаболизма BCAA в периферических тканях, что влияет на секрецию инсулина, глюкагона и GLP-1 [54]. Роль жирных кислот с разветвленной цепью (BCFA), как бактериальных метаболитов BCAA, в регуляции метаболизма глюкозы изучена недостаточно хорошо. Исследования показывают, что BCFA ингибирует как липолиз, так и липогенез в адипоцитах человека, а изомасляная кислота усиливает инсулино-стимулированное поглощение глюкозы в адипоцитах крыс, предполагая, что BCFA влияет на метаболизм глюкозы в адипоцитах и может способствовать развитию ИР и СД2 [55].
Ароматические аминокислоты (ААА)
Индолы: индолы и их производные являются промежуточными метаболитами метаболизма триптофана. Путем прямого превращения триптофан перерабатывается микробиотой кишечника в триптамин, индол-3-альдегид (IAld), индол-3-кислотно-уксусную (IAA), индол-3-пропионовую кислоту (IPA) и индол-акриловую кислоту (IA). через разные метаболические пути. Некоторые производные индола могут быть связаны с развитием метаболических синдромов. Индол регулирует секрецию и чувствительность к инсулину, манипулируя выработкой GLP-1 в энтероэндокринных L-клетках. Механизм активации включает быстрое ингибирование управляемых напряжением калиевых (K+) каналов (VGKCs), стимулирующих секрецию GLP-1, тогда как длительное воздействие индола ингибирует синтез АТФ, снижая секрецию GLP-1 [56]. Индол также метаболизируется в печени в индоксилсульфат, который является одним из факторов, способствующих почечной недостаточности при СД2 [57].
(Поли) амины и другие аминокислотные продукты
Амины в основном получают в результате бактериальной ферментации аминокислот в кишечнике, включая фенилэтиламин (фенилаланин), триптамин (триптофан), тирамин (тирозин), агматин (аргинин), гистамин (гистидин) и кадаверин (лизин). Исследования показали повышенные уровни путресцина и спермина в сыворотке крови при СД2, тогда как функции полиаминов в метаболизме глюкозы еще не были систематически изучены [58]. Более того, имидазолпропионат (продукт гистидина) повышается при СД2 и нарушает толерантность к глюкозе in vivo [59]. На клеточном уровне он подавляет передачу сигналов инсулина за счет активации сигнального каскада p38γ / p62 / mTORC1.
Триметиламин (ТМА) производится из пищевого холина, фосфатидилхолина и карнитина исключительно микробиотой кишечника. ТМА, продуцируемый микробиотой кишечника, всасывается в кровоток и метаболизируется в печени до триметиламин N-оксида (ТМАО). Уровни ТМАО в плазме положительно связаны с повышенным риском ИР и СД2 [60]. Делеция флавинмонооксигеназы (FMO3), которая является катализируемым ферментом, превращающим ТМА в ТМАО, защищает мышей от ожирения и ИР [61]. Было показано, что снижение ТМАО за счет изменений в диете связано с улучшением чувствительности к инсулину при СД2 [62].
Было показано, что газообразные продукты, включая метан и сероводород, регулируют метаболическую функцию и участвуют в лечении и развитии СД2. Метан производится из углеводов в результате метаболических действий продуцентов метана (метаногенов) в кишечнике [63]. Исследования показали, что количество метаногенов и метана значительно увеличивается у мышей, получавших HFD, и положительно коррелирует с секрецией GLP-1. Метан увеличивал уровень цАМФ и стимулировал секрецию GLP-1 в L-клетках [64]. Метан также способствует производству SCFAs за счет потребления дигидрогена и диоксида углерода [65]. Пониженный уровень метана был обнаружен при инсулинорезистентности, что указывает на то, что изменения метана напрямую изменяют секрецию GLP-1 при диабете 2 типа [66]. Однако влияние метана на диабет 2 типа еще не подтверждено, поскольку изменения уровня метана непостоянны, в то время как чрезмерное количество метана вызывает дискомфорт в желудочно-кишечном тракте и продлевает транзит через желудочно-кишечный тракт.
Сероводород (H2S) широко изучался в регуляции гомеостаза метаболизма глюкозы. Помимо эндогенной продукции бета-клетками поджелудочной железы и тканями, чувствительными к инсулину (печень, жировые и скелетные мышцы), H2S может вырабатываться микробиотой кишечника. Уровень H2S в крови снижен у больных сахарным диабетом [67]. H2S играет множество регуляторных ролей в чувствительности к инсулину и секреции инсулина. В бета-клетках поджелудочной железы H2S подавляет секрецию инсулина за счет активации K+ каналов [68]. В печени H2S ингибирует захват глюкозы и стимулирует гликогенолиз [69]. В отличие от функции H2S в печени, сообщения о функциях H2S в жировой ткани противоречивы, в то время как сообщалось как о стимулирующем, так и об ингибирующем эффекте H2S на захват глюкозы в жировой ткани [70]. В скелетных мышцах H2S оказывает благотворное влияние на чувствительность к инсулину и увеличивает поглощение глюкозы [71]. В целом, чрезмерное производство H2S может способствовать развитию диабета 2 типа, и лежащие в его основе молекулярные механизмы все еще требуют дальнейшего изучения.
Исследования показали, что пробиотики оказывают благотворное влияние на ИР на животных моделях диабета (таблица 2). Биологические эффекты пробиотиков, включая Lactobacillus spp. и Bifidobacterium spp. на непереносимость глюкозы и ИР были широко исследованы на моделях животных с диабетом. Например, было обнаружено, что введение Lactobacillus plantarum CCFM0236 улучшает инсулинорезистентность, системное воспаление и дисфункцию β-клеток поджелудочной железы у мышей с диабетом, вызванным диетой с высоким содержанием жиров (HFD) и стрептозоцином (STZ) [72]. Lactobacillus plantarum Ln4 снижает прибавку в весе и снижает инсулинорезистентность за счет улучшения перорального теста на толерантность к глюкозе (OGTT), теста толерантности к инсулину (ITT) и оценки гомеостатической модели индекса инсулинорезистентности (HOMA-IR) у мышей, получавших HFD [73]. Было показано, что лечение Lactobacillus fermentum MTCC 5689 улучшает инсулинорезистентность и предотвращает развитие диабета у мышей с HFD-индуцированным диабетом [74]. Более того, введение Lactobacillus paracasei TD062 улучшило гомеостаз глюкозы и усилило сигнальный путь инсулина, предотвращая развитие СД2 [75]. Формула с множественными пробиотиками, включая Lactobacillus reuteri, L. crispatus и Bacillus subtilis, была исследована на крысах с STZ-индуцированным диабетом, показав, что ежедневное употребление смеси с пробиотиками эффективно для уменьшения непереносимости глюкозы и нарушения секреции инсулина [76]. Было обнаружено, что другой составной пробиотик, включающий 10 штаммов Lactobacillus и четыре штамма дрожжей, облегчает СД2 у мышей db/db за счет снижения уровня глюкозы в крови натощак (FBG), индексов OGTT и HbA1c и усиления секреции GLP-1 [77]. Обогащенные нано-селеном Bifidobacterium longum, как было показано, задерживают начало STZ-индуцированного диабета и улучшают повреждение функции почек, вызванное высоким содержанием глюкозы [78]. B. longum DD98 и обогащенный селеном B. longum DD98 снижали уровни FBG и HbA1c и улучшали толерантность к глюкозе у мышей с HFD- и STZ-индуцированным диабетом [79]. Более того, инактивированный B. longum BR-108, как сообщается, снижает уровень глюкозы в крови на мышиной модели диабета Tsumura Suzuki Obese Diabetes (TSOD) [80]. Обработка B. animalis 01 улучшала индексы OGTT и HOMA-IR и подавляла провоспалительные цитокины у крыс с HFD- и STZ-индуцированным диабетом [81].
Таблица 2. Вмешательство пробиотиков в животную модель диабета.
Пробиотические Виды / Штаммы
|
Модель болезни
|
Основные результаты
|
Ref
|
Lactobacillus plantarum CCFM0236
|
Уровень глюкозы в крови ↓, уровень лептина ↓, инсулинорезистентность ↓
|
[72]
|
|
Lactobacillus plantarum Ln4
|
HFD
|
Резистентность к инсулину ↓, реакция на инсулин ↑
|
[73]
|
Lactobacillus fermentum MTCC 5689,
Lactobacillus plantarum MTCC 5690
|
HFD
|
[74]
|
|
Lactobacillus paracasei TD062
|
HFD+STZ
|
FBG↓, Толерантность к глюкозе ↓
|
[75]
|
Lactobacillus reuteri, Lactobacillus crispatus и Bacillus subtiliso
|
STZ
|
Глюкоза плазмы ↓, HbA1c ↓, инсулин плазмы ↑
|
[76]
|
Lactobacillus kefiranofaciens,
Lactobacillus plantarum,
Lactobacillus helveticus, Lactococcus lactis и Issatchenkia orientalis
|
Мышь db/db
|
[77]
|
|
Обогащенный наноселеном
Bifidobacterium longum
|
STZ
|
Уровень глюкозы в крови ↓, нарушение функции почек ↓
|
[78]
|
B. longum DD98 и обогащенный селеном B. longum DD98
|
HFD+STZ
|
FBG и HbA1c ↓
|
[79]
|
Инактивированный
Bifidobacterium longum BR-108
|
Мышь TSOD
|
Уровень глюкозы в крови ↓
|
[80]
|
Bifidobacterium animalis 01
|
HFD+STZ
|
OGTT и HOMA-IR ↓, провоспалительные цитокины ↓
|
[81]
|
Lactobacillus plantarum OLL2712
|
HFD
|
Уровень глюкозы в крови ↓,
IL-1β ↓
|
[82]
|
Lactobacillus casei CCFM419
|
HFD+STZ
|
[83]
|
|
Lactobacillus rhamnosus NCDC 17
|
HFD+STZ
|
FBG ↓, инсулин плазмы↓, HbA1c ↓, свободные жирные кислоты ↓, TG ↓ и TC ↓,
|
[84]
|
Lactobacillus paracasei NL41
|
HFD+STZ
|
Инсулинорезистентность↓, HbA1c ↓, глюкагон ↓ и лептин ↓, состояние окислительного стресса ↓
|
[85]
|
Lactobacillus rhamnosus,
Lactobacillus acidophilus
и Bifidobacterium bifidum
|
HFD
|
Глюкоза плазмы ↓, проницаемость кишечника ↓, транслокация LPS ↓, системное воспаление низкой степени ↓
|
[86]
|
Clostridium butyricum CGMCC0313.1
|
Мышь db/db и HFD+STZ
|
FBG ↓, HbA1c ↓, GLP-1 ↑ и воспалительные реакции ↓
|
[87]
|
Lactobacillus salivarius AP-32 и
L. reuteri GL-104
|
Мышь db/db
|
FBG ↓, TG ↓, TC ↓
|
[88]
|
Lactobacillus plantarum HAC01
|
HFD+STZ
|
FBG ↓, HbA1c ↓ и инсулин-положительная масса β-клеток ↑
|
[89]
|
Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis PTCC1057
|
STZ
|
FBG ↓, фетуин-А ↓ и сестрин ↑
|
[90]
|
Streptococcus thermophilus
|
Крысы ZDF
|
FBG ↓, непереносимость
|
[91]
|
Lactobacillus plantarum, L. bulgaricus,
L casei, L. acidophilus,
Bifidobacterium infantis, B. longum,
B. breve
|
HFD+STZ
|
Глюкоза плазмы ↓, GLP-1 ↑ и общая антиоксидантная способность ↑
|
[92]
|
Мы обобщили исследования пробиотиков, включая пробиотические вмешательства с одним штаммом и пробиотические вмешательства с несколькими штаммами у пациентов с СД2 (таблица 3). Эти исследования продемонстрировали регулирующие эффекты пробиотиков на уровень глюкозы в крови, HbA1c и массу тела, что может быть полезно для восстановления гомеостаза глюкозы при СД2.
Таблица 3. Рандомизированное контролируемое испытание (РКИ) пробиотических вмешательств у пациентов с СД2.
Пробиотические Виды/Штаммы
|
Период
|
Размер выборки
|
Основные результаты
|
Ref
|
Lactobacillus reuteri DSM 17938
|
12 недель
|
46
Плацебо (n = 15)
Низкий уровень
L. reuteri (n =15)
Высокий уровень
L. reuteri (n =14)
|
[93]
|
|
Lactobacillus case 431®
|
8 недель
|
40
Пробиотик (n = 20) и плацебо (n = 20) |
FBG ↓, инсулин ↓ и резистентность к инсулину ↓
|
[94]
|
Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium lactis, B.bifidum, B. longum
|
24 недели
|
85
(27 в пробиотической, 30 в синбиотической и 28 в группе плацебо) |
FPG ↓, HbA1c ↓
|
[95]
|
Bifidobacterium bifidum W23,
Bifidobacterium lactis W52, Lactobacillus acidophilus W37, Lactobacillus brevis W63, Lactobacillus casei W56, Lactobacillus salivarius W24, Lactococcus lactis W19 и Lactococcus lactis W58
|
12 недель
|
78
плацебо (n = 39) и пробиотики (n = 39). |
HOMA-IR ↓
|
[96]
|
«Symbiter» содержащий 14 живых пробиотических штаммов родов Lactobacillus, Lactococcus, Bifidobacterium, Propionibacterium
и Acetobacter.
|
8 недель
|
53
пробиотики (n = 31) и плацебо (n = 22)
|
[97]
|
I). Применение пробиотиков с одним штаммом у пациентов с СД2
В одном исследовании изучали метаболические эффекты Lactobacillus reuteri DSM 17938 у пациентов с СД2 [93]. Вкратце, 46 пациентов с СД2 принимали плацебо или 108–1010 КОЕ/день L. reuteri DSM 17938 в течение 12 недель. Результаты показали, что этот пробиотик не повлиял на уровень HbA1c у участников. Однако у участников, получавших L. reuteri DSM 17938, наблюдалось повышение индекса чувствительности к инсулину (ISI). Эффекты Lactobacillus casei 431® исследовались у взрослых иранцев с СД2 [94]. Субъекты в группе пробиотиков (n = 20) потребляли не менее 108 КОЕ/день Lactobacillus casei 431® в течение 8 недель, в то время как контрольная группа (n = 20) принимала плацебо. Результаты показали, что FBG, уровень инсулина, инсулинорезистентность и уровень фетуина-A значительно снизились, в то время как уровень SIRT1, ключевого белка против старения и регулятора чувствительности к инсулину, увеличился в группе, получавшей пробиотики.
II). Мультиштаммовое пробиотическое вмешательство у пациентов с СД2
24-недельное клиническое испытание для оценки эффектов пробиотиков было проведено на субъектах с предиабетом. Вкратце, 120 участников получали либо содержащие Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium lactis, Bifidobacterium bifidum и Bifidobacterium longum, либо синбиотик, содержащий упомянутые пробиотики с пребиотиком на основе инулина, либо плацебо [95]. По сравнению с плацебо добавка симбиотиков и пробиотиков снижает уровни FPG, FIL (уровень инсулина натощак) и HOMA-IR, что свидетельствует об улучшении гликемических индексов у пациентов с предиабетом. Было проведено РКИ с участием 78 саудовских пациентов с диабетом 2 типа, чтобы охарактеризовать положительные эффекты пробиотиков [96]. После приема пробиотиков из нескольких штаммов в течение 12 недель участники группы пробиотиков показали улучшение WHR и HOMA-IR. Эффекты мультиштаммовых пробиотиков (14 живых пробиотических штаммов Lactobacillus, Lactococcus, Bifidobacterium, Propionibacterium и Acetobacter) по сравнению с плацебо на инсулинорезистентность были изучены у 53 пациентов с СД2 [97]. Пациенты были случайным образом распределены для приема пробиотиков или плацебо в течение 8 недель. Прием пробиотиков в течение 8 недель значительно снизил HOMA-IR. У пациентов, ответивших на пробиотики, было обнаружено значительное снижение уровня HbA1c по сравнению с теми, кто не ответил. Более того, провоспалительные маркеры, включая TNF-α и IL-1β, также были значительно снижены в группе, получавшей пробиотики.
Исследования показали, что пробиотики могут улучшать ИР, дисфункцию β-клеток поджелудочной железы и гипергликемию [98], тогда как ограниченные исследования оценивали молекулярные механизмы вмешательства пробиотиков при СД2. Механически пробиотики облегчают патологии, связанные с СД2, путем восстановления кишечного барьера, подавления воспалительных реакций, снижения окислительного стресса, восстановления энергетического метаболизма и производства полезных микробных метаболитов, включая SCFAs и BAs (рис. 3). В частности, одно исследование показало, что Lactobacillus acidophilus KLDS1.0901 улучшает барьерную функцию кишечника и подавляет воспалительные реакции в печени и толстой кишке на животной модели диабета [99]. Другое исследование показало, что Lactobacillus casei CCFM419 увеличивает продукцию SCFAs и GLP-1 и снижает уровни провоспалительных маркеров у мышей с диабетом [83]. Было показано, что лечение Akkermansia muciniphila улучшает функцию печени, снижает окислительный стресс и подавляет воспаление у крыс с диабетом [100]. Было обнаружено, что Lactobacillus casei усиливает продукцию SCFAs, а также секрецию GLP-1 и PYY у мышей с диабетом [101]. Было обнаружено, что добавление Lactobacillus reuteri DSM 17938 увеличивает разнообразие кишечных микробов и уровни DCA в сыворотке [93].
Рисунок 3. Молекулярный механизм воздействия пробиотиков на СД2. Пробиотики в кишечнике помогают продуцировать полезные метаболиты, включая SCFA и некоторые BA, чтобы стимулировать секрецию GLP-1 и PYY, таким образом, уменьшая резистентность к инсулину и дисфункцию секреции инсулина. Пробиотики также подавляют системное воспаление, изменяя структуру микробиоты кишечника.
Рис. от редактора: Иллюстрация изменения некоторых вышеописанных микробиом-опосредованных показателей на фоне кишечного дисбиоза и при гомеостазе, влияющих на развитие СД2. Сокращения: GLP-1, Глюкагоноподобный пептид-1; TNF-α, фактор некроза опухоли-альфа; IL-10, интерлейкин 10; IL-6, интерлейкин 6; SCFAs, короткоцепочечные жирные кислоты; HbA1C, гликированный гемоглобин; LPS, липополисахарид.
В настоящее время исследования метаболомики на основе микробиома кишечника все еще находятся на ранней стадии в отношении СД2. Микробные биомаркеры кишечника, полученные с помощью методов метаболомики, могут дать ценную информацию о развитии ИР, а также традиционных факторах риска СД2. Одно из преимуществ профилирования метаболитов, а не микробиоты как таковой, заключается в том, что преодолевается ловушка, возникающая из-за функциональной избыточности, и фокусировка идет на функции микробиома. Биомаркеры, полученные в проспективных исследованиях для прогнозирования риска предиабета и диабета, могут быть применимы для профилактики метаболического синдрома и диабета. Кроме того, методы метаболомики могут быть полезны для диагностики и лечения СД2, что обеспечивает персонализированную стратегию лечения для прогнозирования развития и соответствующего лечения СД2.
С развитием высокопроизводительного секвенирования микробиоты кишечника ученые и фармакологические компании разрабатывают программы по обнаружению низкомолекулярных лекарств с использованием традиционных методов обнаружения лекарств и новых подходов к синтетической биологии. Функциональная метагеномика помогла исследователям идентифицировать биологически активные молекулы и мишени с последующей идентификацией гомологичных семейств генов [102]. Показано, что важное семейство лигандов рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), а именно N-ациламиды, продуцируемые кишечной микробиотой, являются агонистами рецепторов, которые выполняют важные функции при желудочно-кишечных и метаболических заболеваниях, таких как эндоканнабиноидный рецептор GPR119 [103]. В другом исследовании использовался новый подход, сочетающий вычислительную и синтетическую биологию, и был охарактеризован ряд метаболитов, полученных из микробиоты, которые могут ингибировать протеазы хозяина [104]. Более того, «химический» подход к скринингу лигандов GPCR из метаболомов кишечной микробиоты показал, что кишечные микробы продуцируют лиганды для многих GPCRs, а GPCR-лиганды, полученные из микробиоты, оказывают глубокое влияние на физиологию хозяина [105]. Такие подходы, используемые для добычи метаболитов, полученных из микробиоты кишечника, и новых соединений, обеспечивают потенциальную стратегию для поиска лекарств для лечения СД2.
Текущие пробиотические добавки, рекомендуемые для пациентов с диабетом, - это в основном Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp. и дрожжи, которые являются культивируемыми, аэротолерантными и могут быть произведены в промышленных масштабах [106]. Напротив, новые пробиотики для лечения СД2 включают важные кишечные бактерии в кишечнике человека, количество которых уменьшается при СД2. Однако трудно культивировать эти кишечные бактерии, которые чрезвычайно чувствительны к кислороду, что представляет собой серьезную проблему с точки зрения изоляции, культивирования, промышленного производства и разработки. В отличие от обычных пробиотиков, врачи общей практики могут также потребовать более строгих процедур оценки с точки зрения безопасности и эффективности, что может потребовать новых процедур утверждения лекарств в соответствии с FDA.
Помимо пробиотиков, модуляция микробиоты кишечника также может быть достигнута с помощью пребиотиков. Пребиотики - это смесь неперевариваемых пищевых ингредиентов, которые способствуют росту полезных микробов и подавляют рост патогенных микробов в желудочно-кишечном тракте [107]. Это приносит множество преимуществ хозяину, включая нормализацию значения рН желудочно-кишечного тракта, модуляцию иммунной системы, снижение гиперлипидемии и улучшение поглощения катионных ионов [108]. К настоящему времени идентифицировано несколько механизмов действия пребиотиков на микробиоту кишечника и здоровье хозяина. Во-первых, пребиотики способствуют производству полезных микробных метаболитов (SCFAs) полезными микробами, такими как Bifidobacterium и Lactobacillus [109]. Во-вторых, добавка пребиотиков подавляет уровень эндотоксина, подавляя рост и колонизацию вредных бактерий [110]. В-третьих, пребиотики улучшают абсорбцию катионных ионов, возможно, регулируя значение pH в желудочно-кишечном тракте [111]. Пребиотики можно использовать в качестве добавки или дополнительной поддержки пробиотиков. Дополнительный синбиотик, включающий пробиотики и пребиотики, может быть более эффективным, чем один только состав пробиотиков, в укреплении здоровья человека.
FMT - интересный подход к модуляции микробиоты кишечника, который использовался для коррекции дисбактериоза кишечной микробиоты в клинических испытаниях. FMT от худых доноров был имплантирован субъектам с ожирением, после чего метаболический синдром и чувствительность к инсулину были улучшены с помощью FMT, что позволяет предположить, что модуляция кишечного микробиома может рассматриваться как новая терапевтическая цель для лечения ИР [112]. Причины полезных свойств кишечной микробиоты могут быть связаны с ее повышением уровней метаболитов кишечных микробов, включая SCFAs и BAs [113]. Пилотное исследование FMT с участием девяти лиц с ожирением было проведено с использованием образцов кала от худых здоровых доноров [114]. У реципиентов наблюдалось значительное улучшение чувствительности к инсулину, а положительные эффекты были подтверждены более крупномасштабным последующим исследованием, в котором у реципиентов было показано снижение HbA1c через 6 недель. Однако чувствительность к инсулину и состав кишечной микробиоты вернулись к исходному уровню через 18 недель после вмешательства. Исследования также показали, что лечение FMT не оказывает положительного воздействия на пациентов с тяжелой ИР, предполагая, что манипулирование кишечной микробиотой может только помочь поддерживать уровень глюкозы и чувствительность к инсулину на ранней стадии СД2 [112]. Тем не менее, FMT является потенциальным персонализированным подходом для облегчения непереносимости глюкозы и ИР при метаболическом синдроме и СД2.
Данные как на животных, так и на людях предоставляют убедительные доказательства как полезной, так и вредной роли микробных метаболитов в профилактике и развитии инсулинорезистентности (ИР) и сахарного диабета 2 типа (СД2). Многочисленные микробные метаболиты, такие как липополисахарид (LPS), короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), желчные кислоты (BAs), триметиламин N-оксид (TMAO), коррелируют с развитием ИР и СД2 у людей. Однако метаболические последствия изменений других микробных метаболитов при диабете до конца не изучены. Например, биологические функции сукцината, полученного в результате сахаролитической ферментации и жирных кислот с разветвленной цепью (BCFAs), фенольных и индольных соединений, полученных в результате протеолитической ферментации при СД2, еще недостаточно изучены. Дальнейшие исследования в этой области могут дать новое понимание кишечных микробов и новые стратегии профилактики и лечения ИР и СД2. Сообщается, что для нынешних терапевтических средств от СД2 пробиотики обладают полезными свойствами ослабления ИР, но результаты не всегда согласуются. Дальнейшее исследование с использованием стандартизованных пробиотиков в сочетании с пребиотиками и антидиабетическими препаратами может предоставить более полезную информацию об эффективности пробиотиков при СД2.
Литература
Комментариев пока нет