Микробиота кишечника и метаболический синдром

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

• В кишечном тракте находятся более 7×10¹³ 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.
  • 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.
• 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
  • 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-1β 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:
  • моноцитами
  • 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.
  • Первый тип макрофагов (М1 фенотип) выступают в качестве провоспалительных, экспрессирующих индуцибельнуюсинтазу оксида азота и провоспалительные цитокины (IL- 6 и TNF-α).
  • Второй тип (М2фенотип) экпрессирует аргиназу(Arg1) и противовоспалительный цитокин IL-10.
• У людей с нормальной массой тела преобладают макрофаги М2 фенотипа, в то время как у тучных — М1.
• У тучных людей C-C рецептор хемокина 2 (CCR2) преимущественно отвечает за специфический хемотаксис моноцитов в жировую ткань.
  • Естественный лиганд для этих рецепторов, хемокин CCL2, хорошо известный как MCP-1, играет важную роль в инфильтрации макрофагами жировой ткани.
  • Кроме того, в этом процессе задействованы хемокины CXCL12 и CXCL14.
  • Также в миграции макрофагов участвуют хемокин CCL5 (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 IL- 6.
  • Sárvári с соавт. обнаружили, что в пробирке в результате поглощения макрофагами части адипоцитов  произошла активация NF-κB и секреция IL- 6.
  • Kraakman с соавт. описали макрофагальную инфильтрацию жировой ткани в результате индукции IL-6.
• IL-6 может стимулировать синтез C-реактивного белка в печени, который связан с активацией
  • системы комплимента,
  • фагоцитоза,
  • синтеза цитокинов.
• У людей, страдающих ожирением, высокий уровень C-реактивного белка обусловливает активный иммунный ответ и воспаление.
• IL-6 способствует дифференциации макрофагов в М2 фенотип, повышая сенсибилизацию к IL-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:
  • воспаление жировой ткани,
  • инсулинорезистентность, индуцированную ожирением.
• T-лимфоциты CD4+ дифференцируются в различные подтипы:
  • Т-хелперы 1 (Th1),
  • Т-хелперы 2 (Th2),
  • Т-хелперы 17 (Th17),
  • T-регуляторы (Treg) .
• В воспаленной жировой ткани количество провоспалительных Th1 и Th17 преобладает над Treg and Th.
• Экспрессия IFN-γ оказывает регуляторный эффект на воспаление жировой ткани, так как его отсутствие приводит к
  • снижению количества TNF-α,
  • экспрессии мРНК CCL-2,
  • 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.

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.
  • Большая часть TLRs локализуется на цитоплазматической мембране и способна распознавать поверхностные структуры микроорганизмов.
  • Рецепторы, локализованные в мембранах внутриклеточных органелл, распознают их молекулы ядерных структур.
• TLRs способны определять большое количество различных PAMPs, включающие в себя:
  • РНК и ДНК вирусов,
  • β-глюкан грибов,
  • 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.
  • Лигандом TLR4 является бактериальный липополисахарид (ЛПС),
  • TLR2 — бактериальный пептидогликан и липопептид,
  • TLR5 — флагеллин, белок, полученный из флагеллы бактерий,
  • TLR3 — двухцепочечные молекулы РНК,
  • TLR7 — малые интерферирующие молекулы РНК,
  • Кроме сходных с  TLR7 лигандов, TLR8 способен определить одноцепочечные молекулы РНК,
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • MyD88 (Myeloid differentiation primary response gene 88),
  • TRIF (TIR-domaincontaining adapter-inducing interferon-β),
  • TIRAP/MAL (Toll-interleukin 1 receptor domain containing adaptor protein/ MyD88 adapter-like),
  • TRAM (TRIF-related adaptor molecule).
    • Однако, MyD88 также используется TLRs для активации NF-κB 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-κB, что в свою очередь обусловливает повышение экспрессии провоспалительных цитокинов IL-6 и TNF-α.

В качестве регуляторов продукции цитокинов действуют:

• малая ГТФ-аза семейства Rab8a,
• каталитическая субъединица γ фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3Kγ),
  • снижающие уровень провоспалительных цитокинов и повышающие уровень противовоспалительных посредством Akt/mTOR сигнального пути.
• Киназа mTOR подавляет продукцию провоспалительных цитокинов путем ингибирования NF-κB, 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-β–NF-κB в печени, являющегося первичным регулятором воспалительного ответа.

• Этот процесс связан с жировой инфильтрацией печени,
  • при которой активируется IKK-β–NF-κB, обусловливающий синтез провоспалительных цитокинов и инсулинорезистентности.
• При этом удаление IKK-β из миелоидных клеток повышает системную чувствительность к инсулину.
• Удаление IKKε предотвращает развитие ожирения, воспаления и инсулинорезистентности.
• Также известно, что IKK-β–NF-κB нейронов системы гипоталамуса участвует в развитии ожирения и инсулинорезистентности,
  • 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 NH2-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:
  • улучшение чувствительности к инсулину,
  • снижение прибавки в весе, возможно, за счет увеличения скорости обмена веществ.
• В условиях ожирения, индуцированного воспалением, удаление генов JNK сокращает:
  • количество макрофагов с M2 фенотипом,
  • инфильтрацию жировой ткани макрофагам,
  • уровень воспалительных цитокинов.

Среди этих цитокинов в развитии инсулинорезистентности участвует IL-6.

• Продукция IL-6 макрофагами в результате активации JNK стимулирует липолиз в белой жировой ткани, который, в свою очередь, приводит к увеличению продукции глюкозы печенью.
• Также недостаточность JNK в ЦНС, особенно в гипоталамо-гипофизарной оси, приводит к улучшению инулиночувствительности и снижению массы тела.

Из сигнальных белков, участвующих в развитии ожирения и воспаления, PI3K рассматривается как основная мишень для лечения ожирения.

• PI3K относится к семейству ферментов, фосфорилирующих фосфатидилинозитол для образования вторичных посредников.
  • Так, на основном этапе клеточной миграции происходит возбуждение различных рецепторов (например, рецепторы, сопряженные с G-белками или рецепторные тирозинкиназы), что обусловливает стимуляцию PI3Kγ, активирующего интегрины α4β1 в миелоидных клетках.
• Таким образом, удаление PI3Kγ снижает провоспалительную инфильтрацию жировой ткани макрофагами.
• У мышей ингибирование изоформ PI3Kβ и PI3Kγ привело к снижению веса за счет повышения расходования энергии.
• Кроме того, удаление PI3Kγ влечет повышение системной инсулиночувствительности, снижая риск развития осложнений ожирения.

Из чего следует, что ось TLR4/PI3Kγ 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 PI3Kγ в негемопоэтических клетках стимулирует инсулинорезистентность у мышей в условиях высококалорийного питания.

Источники:

1. Cavalcante-Silva LHA, Galvão 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.