Микробиота кишечника и метаболический синдром

Микробиота кишечника и

синдром

Автор: Зоя Нестеренко

В поддержании метаболического гомеостаза и развитии ожирения важную роль играет:

• иммунная система,

• обмен веществ,

• микробиота кишечника.

Кишечная микробиота, взаимодействуя с рецепторами врожденного иммунитета, участвует в запуске острого воспалительного процесса, развитии ожирения и метаболического синдрома.

• Воспалительные нарушения приводят к активации путей сигнальной трансдукции, выделению воспалительных цитокинов и хемокинов, а также клеточной миграции.

• Увеличение инфильтрации жировой ткани макрофагами ведет к эктопическому накоплению липидов и инсулинорезистентности.

По всему миру увеличивается обеспокоенность проблемой ожирения, являющейся причиной высокой смертности и заболеваемости людей. Известно, что в развитии ожирения могу принимать участие хронический стресс и кишечная микробиота.

Роль кишечной микробиоты в ожирении

13

• В кишечном тракте находятся более 7*10 микробных клеток, но их структура может меняться в течение жизни человека вместе с изменением экспрессии генов.

• В зависимости от изменений генетической экспрессии при ожирении, в состав кишечной микробиоты людей и животных входят различные типы, виды и штаммы микроорганизмов.

Пробиотики, представленные штаммами Lactobacillus and Bifidobacterium, находящиеся в достаточном количестве, могут рассматриваться в качестве нового способа снижения веса.

• Так, после лечения Lactobacillus снижалось накопление липидов и провоспалительных цитокинов в жировой ткани.

o У людей, страдающих сахарным диабетом, так и без него пероральный прием Lactobacillus (L. acidophilus) не повлиял на системный воспалительный ответ.

Возможно, это было обусловлено различиями в штаммах Lactobacillus или разными экспериментальными моделями.

метаболический

• Воздействие Lactobacillus на накопление липидов вероятно реализуется за счет активации ингибитора циркулирующей липопротеинлипазы и ангиопоэтин-подобного белка 4 (ANGPTL4), контролирующего отложение триглицеридов в адипоцитах.

Кишечная микробиота может регулировать многие метаболические процессы, включая биотрансформацию желчных кислот. Желчные кислоты могут оказывать:

• непосредственный противомикробный эффект,

• эффект, индуцированный противомикробными пептидами посредством фарнезоид х-рецептора (FXR, farnesoid X receptor).

Снижение уровня желчных кислот приводит к чрезмерному развитию кишечной микрофлоры и дальнейшему воспалению.

• Некоторые представители бактерий Alistipes, Bilophila и Bacteroides толерантны к желчным кислотам и способны к подавлению других симбиотических микроорганизмов.

• Кроме того, желчные кислоты могут контролировать гомеостаз глюкозы и ожирение. Известно, что отсутствие ядерного рецептора FXR приводит к снижению массы жировой ткани.

Функции кишечной микрофлоры:

• модулирование иммунной толерантности,

• регуляция развития иммунной системы, в том числе

o развитие лимфоидной ткани, ассоциированной с кишечником,

• ангиогенез,

• регенерация эпителия в кишечнике.

Энтероциты, бокаловидые и эндокринные клетки посредством толл-подобных рецепторов (TLR) являются посредниками между организмом человека и его собственной кишечной микрофлорой.

• После стимуляции TLR выделяются провоспалительные молекулы, которые могут быть причиной развития воспаления жировой ткани и ожирения.

Гомеостаз в кишечнике связан с другими рецепторами врожденной иммунной системы, например, NOD-подобный рецептор (nucleotide-binding oligomerization domain (NOD). Это семейство цитозольных рецепторов включает NOD1/2 и NLRPs (pyrin-domain-containingproteins).

• После активации NLRP формируются сигнальные комплексы - инфламмасомы, которые образуют активные формы воспалительных цитокинов IL-1P и IL-18.

• Инфламмасомы представлены различными подтипами: NLRP1, NLRP3, NLRP6, NLRC4, AIM Так, инфламмасома NLRC4 участвует в мукозальной защите от инфекций, а NLRP6 и NLRP3 связаны с поддержанием гомеостаза кишечной микробиоты.

Взаимосвязь ожирения и воспаления

Воспаление - это физиологический процесс, который находится под жестким контролем со стороны:

• иммунной,

• нервной,

• эндокринной систем.

Нарушение регуляции иммунного ответа приводит к чрезмерной реакции и развитию ряда хронических заболеваний:

• артериальной гипертензии,

• болезни Альцгеймера,

• ожирения.

Существует 5 классических признаков острого воспалительного процесса:

• покраснение,

• жар,

• отек,

• боль,

• нарушение функции.

Эти видимые проявления являются результатом:

• сосудистых (например, сосудистая проницаемость) изменений;

• клеточных (например, миграция лейкоцитов) изменений в процессе воспаления. Воспалительная реакция при ожирении имеет свои особенности, иммунный ответ снижается как со стороны врожденного, так и приобретенного иммунитета.

• При ожирении наблюдается воспаление жировой ткани и местная инфильтрация различными клетками:

o моноцитами o макрофагами

Так, высокий уровень моноцитов находится в прямо пропорциональной зависимости от величины подкожно-жировой клетчатки, а также жировой массы тела.

• Моноциты, попадая в ткани, дифференцируются в макрофаги.

о Первый тип макрофагов (М1 фенотип) выступают в качестве провоспалительных, экспрессирующих индуцибельнуюсинтазу оксида азота и провоспалительные цитокины (ГЬ- 6 и TNF-a). о Второй тип (М2фенотип) экпрессирует аргиназу(А^1) и противовоспалительный цитокин ГЬ-10.

• У людей с нормальной массой тела преобладают макрофаги М2 фенотипа, в то время как у тучных - М1.

• У тучных людей С-С рецептор хемокина 2 (ССЯ2) преимущественно отвечает за специфический хемотаксис моноцитов в жировую ткань.

о Естественный лиганд для этих рецепторов, хемокин ССЬ2, хорошо известный как МСР-1, играет важную роль в инфильтрации макрофагами жировой ткани.

о Кроме того, в этом процессе задействованы хемокины СХСЬ12 и СХСЬ14. о Также в миграции макрофагов участвуют хемокин ССЬ5 (известный как RANTES) и его рецептор CCR

• При воспалении жировой ткани кроме миграции макрофагов наблюдается также их пролиферация в ткани.

• Макрофаги в жировой ткани являются источником воспалительных цитокинов у тучных людей, среди них плейотропное влияние в обмене веществ и ожирении оказывает ГЬ- 6.

о Sаrvаri с соавт. обнаружили, что в пробирке в результате поглощения макрофагами части адипоцитов произошла активация №^кВ и секреция ГЬ-6.

о Кгаактап с соавт. описали макрофагальную инфильтрацию жировой ткани в результате индукции ГЬ-6.

• ГЬ-6 может стимулировать синтез С-реактивного белка в печени, который связан с активацией

о системы комплимента, о фагоцитоза, о синтеза цитокинов.

• У людей, страдающих ожирением, высокий уровень С-реактивного белка обусловливает активный иммунный ответ и воспаление.

• ГЬ-6 способствует дифференциации макрофагов в М2 фенотип, повышая сенсибилизацию к ГЬ-4.

• Хотя инфильтрация макрофагами жировой ткани рассматривается как отличительная черта жирового воспаления, другие клетки играют важную роль в этом процессе.

У тучных молодых людей наблюдается высокое процентное содержание нейтрофилов.

• Некоторые виды лимфоцитов, взаимодействуя с окружающими их клетками в жировой ткани, приводят к усилению или, наоборот, уменьшению воспалительного ответа.

• Взаимодействие макрофагов и СД4+ Т-лимфоцитов через MHC второго класса обусловливает:

o воспаление жировой ткани,

o инсулинорезистентность, индуцированную ожирением.

• T-лимфоциты CD4+ дифференцируются в различные подтипы:

o Т-хелперы 1 (Th1), o Т-хелперы 2 (Th2), o Т-хелперы 17 (Th17), o T-регуляторы (Treg) .

• В воспаленной жировой ткани количество провоспалительных Th1 и Th17 преобладает над Treg and Th.

• Экспрессия IFN-y оказывает регуляторный эффект на воспаление жировой ткани, так как его отсутствие приводит к

o снижению количества TNF-a, o экспрессии мРНК CCL-2, o накопления макрофагов в жировой ткани.

• Интересно, что отсутствие транскрипционного фактора T-bet, играющего ключевую роль в дифференцировке Th1, приводит к развитию ожирения посредством активации IL-6.

Лимфоидные клетки Роль в процессе ожирения

Количество увеличивается у тучных людей. IL-17 А, ТЫ 7 ключевой цитокин Thl7, активирует IL-6, 1Ь-8и PGE2 в

адипоцитах.

Th22

Количество увеличивается у тучных людей. Роль еще не изучена.

------------------------------п-------------------------------

и I

ЫК. клетки Участвует в дифференцировке М1 макрофагов.

м I

и I

и I

Индуцирует М2 дифференцировку макрофагов и

¡ЖТ

поддерживает пролиферацию Treg.

ILC2s (group 2 innate lymphoid Регуляция процесса ожирения путем стимулирования cells) расходования калорий.

TOLL-подобные рецепторы и ожирение

Toll-подобные рецепторы (TLRs) являются главными компонентами врожденной иммунной системы.

У животных известно 12 членов семейства toll-подобных рецепторов, но изучено функционирование только первых десяти.

TLRs опосредуют распознавание патогенассоциированых молекулярных структур (PAMPs).

• Для доступа к лигандам важное значение имеет локализация.

o Большая часть TLRs локализуется на цитоплазматической мембране и

способна распознавать поверхностные структуры микроорганизмов. o Рецепторы, локализованные в мембранах внутриклеточных органелл, распознают их молекулы ядерных структур.

• TLRs способны определять большое количество различных PAMPs, включающие в себя:

o РНК и ДНК вирусов, o Р-глюкан грибов,

o большое количество веществ, полученных в ходе жизнедеятельности микроорганизмов, например,

пептидогликан,

липопептиды,

липополисахариды,

липотейхоевые кислоты.

• Несмотря на это, каждый толл-подобный рецептор способен идентифицировать только определенную группу паттернов за счет высокой специфичности их лигандов.

o Лигандом TLR4 является бактериальный липополисахарид (ЛПС), o TLR2 - бактериальный пептидогликан и липопептид, o TLR5 - флагеллин, белок, полученный из флагеллы бактерий, o TLR3 - двухцепочечные молекулы РНК, o TLR7 - малые интерферирующие молекулы РНК,

o Кроме сходных с TLR7 лигандов, TLR8 способен определить

одноцепочечные молекулы РНК, o TLR9 - неметилированные бактериальные ДНК. Таким образом, все эти рецепторы способны к распознаванию структур большого количества микроорганизмов и последующей активации ядерного транскрипционного фактора (NF-kB), инициирующего синтез воспалительных медиаторов.

• Хотя большая часть TLR экспрессируется в гемопоэтических клетках, включая клетки иммунной системы, эти рецепторы также были обнаружены в мембранах адипоцитов.

o Именно поэтому было выдвинуто предположение об их взаимосвязи с врожденным иммунным ответом и обменом веществ.

• Предполагается, что все подтипы этих рецепторов могут находиться в жировой ткани. Однако пока в адипоцитах человека изучено функционирование только TLR2, TLR4, TLR5, а их отсутствие играет важную роль в развитии ожирения.

o Известно, что насыщенные жирные кислоты ведут к активации TLR2, что также происходит под действием пептидогликана бактерий в кишечнике в условиях эндотоксемии.

Отсутствие TLR2 приводит к снижению синтеза воспалительных медиаторов и инфильтрации белой жировой ткани макрофагами.

Таким образом, снижение уровня TLR2 предотвращает развитие ожирения и воспаления.

o Хотя роль TLR5 в развитии ожирения до конца не изучена, активация его сигнального пути приводит к поддержанию:

воспаления,

ожирения,

метаболических изменений.

Кроме того, активация TLR5 приводит к фосфорилированию киназы ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinase) и угнетению трансдукции инсулинового сигнала.

Как ожирение, так и метаболический синдром характеризуются воспалительными изменениями, опосредованными активацией сигнального пути TLR в результате деструкции жировой ткани.

• После активации каждый TLR соединяется с TIR (Toll/IL-1 рецептор) домен-содержащими адаптерными белками:

o MyD88 (Myeloid differentiation primary response gene 88), o TRIF (TIR-domaincontaining adapter-inducing interferon-P), o TIRAP/MAL (Toll-interleukin 1 receptor domain containing adaptor protein/

MyD88 adapter-like), o TRAM (TRIF-related adaptor molecule).

Однако, MyD88 также используется TLRs для активации NF-kB и MAPKs (mitogen-activated protein kinases) для индукции генов воспалительных цитокинов.

TLR4 и белки сигнальной системы: цели лечения ожирения и его осложнений

Синтез провоспалительных медиаторов у людей, страдающих ожирением, как правило, определяется при повышенной экспрессии TLR4 за счет стимуляции:

• молекулярными паттернами кишечной микробиоты (например, липополисахаридами),

• насыщенными жирными кислотами, высокий уровень которых часто наблюдается в крови у тучных людей.

Снижение экспрессии TLR4 (например, блокирование антителами) предотвращает развитие ожирения, воспаления жировой ткани и инсулинорезистентности. Установлено, что при ожирении активация MyD88-зависимой сигнальной цепи TLR4 приводит к стимуляции нуклеарного фактора транскрипции NF-kB, что в свою очередь обусловливает повышение экспрессии провоспалительных цитокинов IL-6 и TNF-a.

В качестве регуляторов продукции цитокинов действуют:

• малая ГТФ-аза семейства Rab8a,

• каталитическая субъединица у фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3Ky),

o снижающие уровень провоспалительных цитокинов и повышающие уровень противовоспалительных посредством Akt/mTOR сигнального пути.

• Киназа mTOR подавляет продукцию провоспалительных цитокинов путем ингибирования NF-kB, а после активации STAT3 увеличивается продукция противовоспалительных цитокинов, в том числе IL-10.

• Таким образом, сигнальная система TLR-4 может регулировать воспалительный ответ за счет модуляции активности различных факторов транскрипции.

Ожирение приводит к повышению активности сигнального пути IKK-P-NF-kB в печени, являющегося первичным регулятором воспалительного ответа.

• Этот процесс связан с жировой инфильтрацией печени,

o при которой активируется IKK-P-NF-kB, обусловливающий синтез провоспалительных цитокинов и инсулинорезистентности.

• При этом удаление IKK-P из миелоидных клеток повышает системную чувствительность к инсулину.

• Удаление IKKs предотвращает развитие ожирения, воспаления и инсулинорезистентности.

• Также известно, что IKK-P-NF-kB нейронов системы гипоталамуса участвует в развитии ожирения и инсулинорезистентности,

o неацетилированные салицилаты, действуя на это звено патогенеза, могут стать новым решением в лечении больных сахарным диабетом. К другим сигнальным белкам, связанным с ожирением и инсулинорезистентностью, относятся:

• c-Jun КН2-терминальной киназа,

• стресс-индуцированная MAPK.

• Han et al. доказали, что у мышей, которых отсутствовали гены JNK в макрофагах, при кормлении пищей с высоким содержанием жира сохранялась инсулиночувствительность, но развивалось ожирение.

• Однако при отсутствии генов JNK в негемопоэтических клетках наблюдалось:

o улучшение чувствительности к инсулину,

o снижение прибавки в весе, возможно, за счет увеличения скорости обмена веществ.

• В условиях ожирения, индуцированного воспалением, удаление генов JNK сокращает:

о количество макрофагов с М2 фенотипом, о инфильтрацию жировой ткани макрофагам, о уровень воспалительных цитокинов.

Среди этих цитокинов в развитии инсулинорезистентности участвует ГЬ-6.

• Продукция ГЬ-6 макрофагами в результате активации стимулирует липолиз в белой жировой ткани, который, в свою очередь, приводит к увеличению продукции глюкозы печенью.

• Также недостаточность в ЦНС, особенно в гипоталамо-гипофизарной оси, приводит к улучшению инулиночувствительности и снижению массы тела.

Из сигнальных белков, участвующих в развитии ожирения и воспаления, РГ3К

рассматривается как основная мишень для лечения ожирения.

• PI3K относится к семейству ферментов, фосфорилирующих фосфатидилинозитол для образования вторичных посредников.

о Так, на основном этапе клеточной миграции происходит возбуждение различных рецепторов (например, рецепторы, сопряженные с G-белками или рецепторные тирозинкиназы), что обусловливает стимуляцию РГЗКу, активирующего интегрины а4р1 в миелоидных клетках.

• Таким образом, удаление РГЗКу снижает провоспалительную инфильтрацию жировой ткани макрофагами.

• У мышей ингибирование изоформ РГЗКР и РГЗКу привело к снижению веса за счет повышения расходования энергии.

• Кроме того, удаление РГЗКу влечет повышение системной инсулиночувствительности, снижая риск развития осложнений ожирения.

Из чего следует, что ось TLR4/PГ3Ky важна не только для иммунных клеток.

• Отсутствие TLR4 в гепатоцитах служит причиной улучшения толерантности к глюкозе и повышения инсулиночувствительности, что ослабляет воспалительный ответ.

• В свою очередь, активизация РГЗКу в негемопоэтических клетках стимулирует инсулинорезистентность у мышей в условиях высококалорийного питания.

Микробиота кишечника

Ожирение

Список литературы

References

1. Cavalcante-Silva LHA, Galvao JGFM, da Silva JS de F, de Sales-Neto JM, Rodrigues-Mascarenhas S. Obesity-Driven Gut Microbiota Inflammatory Pathways to Metabolic Syndrome. Frontiers in Physiology. 2015;6:341. doi:10.3389/fphys.2015.00341.