INTESTINAL MICROFLORA, OBESITY AND TYPE 2 DIABETES

Full Text

Кишечник человека заселяют различные аэробные и анаэробные, грамположи-тельные и грамотрицательные микроорганизмы, заключенные в экзополисахаридно-муциновый матрикс - биопленку [2]. Иммобилизованная в составе биопленок кишечная микрофлора является сложной метаболической системой симбионтного пищеварения, выполняющей многие взаимополезные функции, обусловленные ее ферментативной активностью и способностью активировать реакции врожденного иммунитета [5]. Для обозначения всего генетического материала, содержащегося в микробиоте кишечника человека, лауреат Нобелевской премии J.Lederberg предложил термин «микробиом». Численность генов «микробиома» на 3 порядка выше, чем собственных генов организма человека, что послужило основанием рассматривать совокупность всех микроорганизмов в качестве «суперорганизма» [28, 36] или «на-дорганизма» [19, 29]. Согласно современным данным у людей обнаруживается три энтеротипа микробиоты кишечника: Prevotella-enterotype, Bacteroides-enterotype и Ruminecoccus-enterotype. Выявлена взаимосвязь между численностью каждого таксона бактерий с характером питания человека. Prevotella-enterotype встречается у лиц с сахаролитиче-ской (углеводной) диетой, типичной для сельских жителей и вегетарианцев. Bacteroides-enterotype доминирует у населения, потребляющего животную пищу, обогащенную белками, аминокислотами, насыщенными жирными кислотами, типичную для любителей «восточной кухни». Ruminecoccus-enterotype характерен для лиц, употребляющих разнообразную пищу. Во всех энтеротипах среди всех видов индигенных микроорганизмов 30% составляют бактерии рода Bacteroides, играющие важную роль в метаболических процессах организма человека. При этом энтеротипы могут варьировать в зависимости от разнообразия диеты [45]. В течение достаточно длительного времени было принято считать, что иммунная система млекопитающих не распознает антигены комменсальной кишечной микрофлоры, что обеспечивает их сосуществование. В последние годы эти представления претерпели довольно существенные изменения. В целом ряде публикаций было показано, что микрофлора постоянно взаимодействует с рецепторами клеток врожденного иммунитета. Среди них следует особо выделить работу Rakoff-Nahoum S. et al. [50], в которой было четко показано, что взаимодействие комменсальной микрофлоры с рецепторами клеток врожденного иммунитета не только происходит постоянно в нормальных физиологических условиях, но и необходимо для поддержания гомеостаза и репарации повреждений клеток кишечного эпителия, а также для синтеза таких «тревожных» белков как белки теплового шока. Подобные результаты были получены также в работе Rachmilevitz D. et al. [49]. Эти и другие материалы позволяют рассматривать совокупность микроорганизмов кишечной микробиоты как дополнительный орган, выполняющий целый ряд полезных функций. Вместе с тем, в течение последних десятилетий накапливались данные об участии кишечных микроорганизмов и их продуктов в патофизиологии многих метаболических расстройств и хронических воспалительных процессов. Ранее была рассмотрена возможность участия микробного фактора в патогенезе атеросклероза и сформулирована рецепторная теория патогенеза атеросклероза. Согласно этой теории, в основе формирования атеросклеротических поражений сосудистой стенки лежат реакции, запускаемые взаимодействием рецепторов врожденного иммунитета с их экзогенными и эндогенными лигандами. Среди экзогенных лигандов наиболее значимое место занимают компоненты кишечной микрофлоры. Подробное изложение этой актуальной проблемы приведено в недавно изданной монографии Бондаренко В.М. и др. [1]. О важной роли рецепторов врожденного иммунитета в патогенезе атеросклероза и его осложнений свидетельствуют также и другие публикации [53]. Необходимо подчеркнуть, что взаимодействие рецепторов врожденного иммунитета, в частности Toll-подобных рецепторов, c их лигандами приводит к развитию более или менее выраженного воспалительного процесса. Именно воспаление лежит в основе развития ряда метаболических расстройств, среди которых особое внимание в настоящее время привлекает ожирение [33]. В последние десятилетия наблюдается «эпидемическое» распространение ожирения, особенно среди женщин [25, 59]. При этом среди пациентов с ожирением наблюдается более высокая смертность [26]. Представления о возможной роли кишечной микрофлоры в развитии ожирения появились после работы Backhed F. et al. [9], в которой было показано, что введение безмикробным животным микрофлоры от конвенциональных животных сопровождается повышением массы тела на 60%. Затем было установлено, что при ожирении происходят изменения кишечной микрофлоры [39, 43, 55]. При этом было показано, что трансплантация микрофлоры от мышей с генетически детерминированным ожирением (ob/ob) безмикробным животным приводит к значительному увеличению массы тела [55]. О тесной связи микрофлоры кишечника с ожирением свидетельствуют и многие другие публикации, рассмотренные в обзоре Zhao L. [63]. Известно, что состав микрофлоры кишечника зависит от взаимодействия генетических особенностей макроорганизма и экзогенных факторов, в частности характера питания, причем действие экзогенных факторов оказывает более значимое влияние [31, 62]. В то же время, развитие ожирения, индуцированное жировой диетой, зависит от присутствия кишечной микрофлоры [9, 10]. При этом важное значение имеют свойства микрофлоры и ее продуктов. Проведенные исследования выявили, что микрофлора животных с выраженным ожирением обладает повышенной способностью накапливать энергию путем деградации пищевых компонентов [44]. Длительное введение животным липополисахарида (ЛПС) грамотрицательных бактерий приводило к развитию воспалительной реакции, ожирению и резистентности к инсулину, причем эти явления не развивались при введении липополисахарида животным, утратившим рецептор CD14, который необходим для связывания и действия липополисахарида [14]. Эти данные свидетельствуют об изменении кишечной микрофлоры при ожирении и о ее возможном вкладе в развитие ожирения и сопровождающих его метаболических расстройств. Изменения микрофлоры наблюдаются также у больных диабетом 2 типа [60]. Диабет 2 типа у животных сопровождается хроническим воспалением и ожирением [58], а их обработка антибиотиками широкого спектра действия, норфлоксацином и ампициллином, приводила к снижению количества кишечной микрофлоры и улучшению показателей метаболизма глюкозы [42]. У безмикробных животных не развивается ожирение и резистентность к инсулину, индуцированные диетой с высоким содержанием жиров [48]. Показано, что лектины, сапонины и глиадин увеличивают проницаемость слизистой кишечника, что способствует транслокации кишечной аутофлоры во внутреннюю среду макроорганизма. Все приведенные данные позволяют полагать, что микрофлора, ее компоненты и продукты так или иначе связаны с развитием воспаления, ожирения, устойчивости к инсулину, диабета 2 типа и метаболических расстройств. Взаимодействие микрофлоры и ее компонентов с макроорганизмом осуществляется через так называемые об-разраспознающие рецепторы (ОРР). Подробные сведения об этих рецепторах приведены ранее [1]. Здесь мы рассмотрим данные о роли двух типов ОРР, Toll-like рецепторов (TLR) и Nod-like рецепторов (NLR). В развитие воспаления и метаболических заболеваний вовлекается прежде всего TLR4, который распознает ЛПС и некоторые немикробные компоненты, в частности насыщенные жирные кислоты [38]. Имеющиеся данные позволяют полагать, что метаболическая эндотоксинемия может вызывать хроническое воспаление, диабет 2 типа и метаболические расстройства [24, 40, 52]. При мутационной утрате TLR4 у животных не развиваются ожирение и метаболические расстройства [23, 46]. Наконец, применение пробиотиков, пребиотиков, метабиотиков и БАД приводит к изменениям кишечной микрофлоры, снижению уровня эндотоксинемии и улучшению показателей метаболических расстройств и диабета [15 - 17]. При этом эндотоксинемия ассоциируется с ожирением, диабетом и метаболическими расстройствами не только у экспериментальных животных, но и у людей [22, 35, 47]. Все приведенные материалы показывают, что эндотоксинемия и рецептор TLR4 играют важную роль в развитии нарушений метаболизма, ожирения и диабета 2 типа. Интересные данные были получены при изучении роли рецептора TLR5, распознающего и связывающего бактериальные флагеллины. При мутационной утрате TLR5 у животных развивается метаболический синдром и наблюдаются изменения кишечной микрофлоры, а при трансплантации этой микрофлоры безмикробным животным у последних развивается метаболический синдром [57]. Эти наблюдения позволяют полагать, что рецепторы TLR5 защищают от развития изменений микрофлоры и метаболического синдрома, индуцированного микрофлорой. Иные результаты были получены при изучении роли рецептора TLR2, который в кооперации с TLR1 или TLR6 распознает и связывает структурные липиды, липопро-теины и липопептиды. Мутационная утрата TLR2 предупреждает развитие ожирения, стеатогепатоза и устойчивости к инсулину, индуцированные диетой с высоким содержанием жиров [32, 34]. Важную роль во взаимодействии микрофлоры и врожденного иммунитета играют также Nod рецепторы, распознающие бактериальные пеп-тидогликаны. Функции Nod рецепторов детально рассмотрены в обзоре Clarke T.B. и Weiser J.N. [20]. Активация рецепторов Nod1 и Nod2 их синтетическими лигандами приводит к развитию воспаления и резистентности к инсулину, причем эти эффекты отменяются при мутационной утрате рецепторов Nod1 или Nod2 [51, 54]. Эти данные свидетельствуют об участии пептидогликана и его компонентов в индукции воспаления и устойчивости к инсулину. В индукции метаболических расстройств могут принимать участие также рецепторы, связывающие короткоцепочечные жирные кислоты [12, 61]. В продукции этих кислот в результате деградации трудно перевариваемых компонентов пищи активное участие принимает кишечная микрофлора [5, 55]. Многие упомянутые здесь исследования были проведены на животных, которые получали диету с высоким содержанием жиров. После 4 недель такого кормления у животных развивались метаболические расстройства, резистентность к инсулину и диабет [13, 21]. Используя эту модель, большая группа авторов провела комплексное динамическое изучение целого ряда показателей состояния организма животного и кишечной микрофлоры и получила весьма интересные результаты [8]. Были изучены количество и состав микрофлоры, проведены посевы на питательные среды, флюоресцентная микроскопия, определены удержание ДНК и mРНК, маркеры воспаления, показатели массы тела, метаболизма глюкозы и чувствительности к инсулину. Было убедительно показано, что применение диеты с высоким содержанием жиров сопровождается повышением адгезии бактериальных клеток к слизистой кишки и транслокацией микробов в жировую ткань, макрофаги, дендритные клетки, лимфоузлы и кровь. Примечательно, что транслокация кишечных бактерий наблюдается уже через одну неделю после начала кормления животных пищей с высоким содержанием жиров, тогда как все метаболические расстройства развиваются значительно позднее. Транслокация кишечных бактерий регулируется функциями рецепторов CD14 и NOD1, но не NOD2. При мутационной утрате рецепторов CD14 и NOD1 повышение транслокации не происходит. Однако утрата рецептора NOD2 не снижает транслокацию, даже наоборот, транслокация несколько увеличивается. Возможно, рецептор NOD2 активирует процессы, сдерживающие транслокацию. Еще в большей мере такое заключение относится к функции регуляторного белка MyD88. Во всяком случае, при утрате этого компонента транслокация значительно увеличивается. К изложению результатов цитируемой работы следует добавить еще одно очень важное наблюдение. Длительное применение пробиотика, в частности штамма Bifidobacterium lactis 420, приводило к заметному снижению количества транслоцированных бактерий, уменьшению показателей воспаления и резистентности к инсулину. Cходные результаты были получены при введении животным бактерий Streptococcus lactis, продуцирующих гормоноподобное соединение лептин. Очевидно, лептин подавляет адгезию и транслокацию кишечной микрофлоры и ее токсинов в системный кровоток. Нужно отметить, что диета с высоким содержанием жиров индуцирует развитие эндотоксинемии [15 - 17, 42]. Эти данные были подтверждены в работе Amar J.et al. [8]. Напомним, что транслокация кишечной микрофлоры не происходила у животных при мутационной утрате рецепторов CD14 и NOD1. Рецептор CD14 в комплексе с рецептором TLR4 распознает ЛПС (эндотоксин), а NOD1 - диаминопимелиновую кислоту, структурный компонент пептидогликана клеточной стенки грамотрицатель-ных бактерий. Следовательно, при жировой диете происходит транслокация преимущественно грамотрицательных бактерий, в связи с этим, развитие ожирения, метаболических расстройств и диабета может быть в значительной мере обусловлено действием эндотоксина. Изучению возможного участия эндотоксина в индукции воспаления и метаболических болезней в последние годы посвящено довольно большое количество исследований, рассмотренных в ряде обзорных работ [7, 18, 41]. Практически все авторы подчеркивают важную роль эндотоксина в физиологии и патологии человека и животных. Следует отметить, что эндотоксин является одним из важных факторов ком-менсальной микрофлоры кишечника, способных индуцировать развитие хронического воспалительного процесса, лежащего в основе ожирения, метаболических расстройств, диабета 2 типа, атеросклеротических изменений и других патологических процессов. Интенсивность поступления эндотоксина в кровоток регулируется рядом факторов, среди которых важное значение имеет пищевой фактор. Так, употребление насыщенных жирных кислот приводит к значительному увеличению концентрации эндотоксина в крови, в то время как полиненасыщенные жирные кислоты такого действия не оказывают [41]. Возможно, насыщенные жирные кислоты увеличивают транспорт, абсорбцию эндотоксина из просвета кишечника, как это было показано в случае хиломикронов [27]. Вместе с тем, различные жирные кислоты могут по разному взаимодействовать с рецепторами врожденного иммунитета. Например, насыщенные жирные кислоты активируют, а полиненасыщенные - подавляют формирование комплекса рецепторов TLR2, TLR6 и TLR1, распознающего липиды, липопептиды и липопротеины [37]. Кроме того, как мы уже упоминали, насыщенные жирные кислоты распознаются рецептором ^R4 [38]. Таким образом, жирные кислоты могут участвовать в транспорте эндотоксина, а также модулировать функции рецепторов врожденного иммунитета. Во взаимодействие эндотоксина с рецепторами врожденного иммунитета могут вмешиваться и другие факторы, в частности, ЛПС-связывающий протеин (LPS-binding protein - LBP). В острой фазе ответа организма на действие эндотоксина этот протеин присутствует в плазме крови в повышенных концентрациях и подавляет активацию эндотоксином клеток врожденного иммунитета. Как показали Hamman L. et al. [30], используемые для этого механизмы различаются в зависимости от S- или R-формы ЛПС. S-формы ЛПС объединяются с липопротеинами, связываясь с LBP плазмы крови, в частности, с липопротеинами высокой удельной плотности. В то же время, R-формы ЛПС поглощаются клетками врожденного иммунитета, но передача сигнала и стимуляция нуклеарного фактора NF-kB при этом подавляется. Тонкие механизмы этого процесса пока не ясны. Совокупность всех приведенных материалов достаточно убедительно показывает всю сложность взаимоотношений макро- и микроорганизмов, которое всегда происходит на фоне действия экзогенных факторов. Столь же очевидна весьма значимая роль кишечной микрофлоры в индукции воспалительного процесса и патофизиологических последствий реакций врожденного иммунитета. Представленные материалы указывают также на реальную возможность вмешательства в развитие этих нежелательных последствий. Речь идет о соблюдении диеты и весьма благоприятном действии пробиотических препаратов, применение которых может нормализовать состав микрофлоры кишечника и предупредить развитие ожирения, диабета 2 типа, метаболических расстройств и других патологических процессов. Применение пробиотиков и пребиотиков может привести к значительному улучшению здоровья населения.

About the authors

V. M Bondarenko

Moscow, Russia

V. V Maleev

Moscow, Russia

V. G Likhoded

Moscow, Russia

References

Supplementary files