Атеросклероз и триметиламин-N-оксид — потенциал кишечной микробиоты

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) занимают первое место среди причин смертности в мире, обусловливая >17,5 млн смертей в год [1], и хотя за период с 2000 по 2018гг доля сердечно-сосудистой смертности в структуре общей смертности уменьшилась с 55,3 до 46,3%, она продолжает стойко доминировать над другими причинами [1]. Поэтому Федеральный проект МЗ РФ "Борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями" (2018) определяет задачу — снизить смертность от ССЗ до уровня ниже 450 случаев на 100 тыс. населения к 2024г¹.

Ведущей причиной ССЗ является атеросклероз. В исследовании ЭССЕ-РФ показана высокая распространенность нарушений липидного обмена: 23% лиц имели повышение уровня общего холестерина (>6,2 ммоль/л), а 20,6% лиц — уровня холестерина липопротеидов низкой плотности (>4,2 ммоль/л) [2]. Существующие методы антиатеросклеротической терапии не всегда помогают достигать целевых метаболических показателей и при этом сопряжены со значительными побочными эффектами [3]. Потому в последние десятилетия внимание исследователей привлекает микробная теория развития атеросклероза [4-20]. Цель обзора — проанализировать данные о потенциальной роли метаболита кишечной микробиоты триметиламин-N-оксида (ТМАО) в патогенезе атеросклероза и новые терапевтические подходы для снижения циркулирующего ТМАО.

Работа выполнена по Государственному заданию в рамках бюджетной темы "Эпидемиологический мониторинг состояния здоровья населения и изучение молекулярно-генетических и молекулярно-биологических механизмов развития распространенных терапевтических заболеваний в Сибири для совершенствования подходов к их диагностике, профилактике и лечению", рег. № 122031700094-5.

Краткие сведения о микробиоте кишечника

Еще в 1907г И.И. Мечников обосновал преимущества "болгарской палочки" (Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus) в борьбе с болезнями, обусловленными преждевременной старостью человека², в перечень которых входит атеросклероз как возраст-ассоциированная патология [1][3][21]. Однако подлинный расцвет исследований микробиоты приходится на XXIв с появлением высокотехнологичных методов ее анализа — секвенирования гена 16S рибосомальной РНК [22]. Микробиота человека, как совокупность микроорганизмов, присутствующих в определенной среде, содержит >1 тыс. видов и состоит из бактерий, архей, вирусов и эукариот [23]. Доминирующими микробными типами кишечника являются Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, Proteobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia, причем первые два типа составляют 90% кишечной микробиоты, но относительные пропорции этих типов различаются между популяциями: Firmicutes – диапазон количественных данных от 20% до 80%, Bacteroidetes – от 13% до 75% [23]. Многие исследования показали, что у людей ожирение связано с повышенным соотношением Firmicutes/Bacteroidetes по сравнению с худощавыми или "здоровыми тучными" людьми [23][24]. У здоровых взрослых компоненты микробиоты кишечника могут быть стабильными в течение многих лет [23], тогда как структура сообщества очень динамична.

Микробиом кишечника выполняет множество биологических функций: помимо своей роли в пищеварении, защите от патогенов и регулировании иммунитета хозяина [4-6][16][18][21][23][24], микробиота влияет на энергетический обмен: у людей с ожирением продемонстрировали повышенную способность к извлечению энергии, что происходит на фоне снижения популяции Bacteroides и повышения доли Firmicutes [23]. А ожирение является общеизвестным фактором риска атеросклероза [1-5].

Микробная экология при атеросклерозе

Хорошо известно присутствие микроорганизмов в бляшке атеромы, что может коррелировать с холестерином, общим воспалением и стабильностью бляшки [10]. Микробиом кишечника больных с атеросклеротическими ССЗ характеризуется уменьшением количества кишечных комменсалов Bacteroidetes и обогащением Firmicutes по сравнению со здоровыми людьми [15][16]. У больных атеросклерозом снижено количество предположительно полезных бактерий Roseburia и Faecalibacterium prausnitzii, продуцирующих бутират, и наоборот, обогащено семейства Enterobacteriaceae, зачастую связанное с дисбиозом кишечника и развитием метаболических заболеваний [16].

Синтез ТМАО

Как избыток, так и недостаток холина отрицательно сказывается на функционировании печени, нервной системы, состоянии клеточной мембраны [25].

Генерация ТМАО зависит от микробиоты кишечника, которая сначала метаболизирует пищевые нутриенты, содержащие холин, фосфатидилхолин, бетаин и L-карнитин, в триметиламин (ТМА), который окисляется в печени до ТМАО под действием флавинмонооксигеназы-3 [7][12][13]. Однако возможна метаболическая ретроконверсия ТМАО в ТМА микробиотой (преимущественно Enterobacteriaceae), что характерно для триметиламинурии, также называемой синдромом рыбного запаха [26]. Обычно повышенный уровень ТМАО в сыворотке крови связывают с возрастающим риском ССЗ, но к настоящему времени описан широкий диапазон эффектов ТМАО. Так, ТМАО действует как осмолит, который позволяет адаптироваться к изменениям солености и гидростатического давления [25], обеспечивает стабильность структуры белков и нуклеиновых кислот [8], обладает иммунотропным действием [27] и другими свойствами, что некоторыми авторами расценивается как благоприятное действие ТМАО [28]. ТМАО в основном выводится из кровотока почками, поэтому функцию почек также важно учитывать при оценке уровня ТМАО в системном кровотоке [12]. Источниками ТМАО являются морская рыба, красное мясо, яйца, печень и другие продукты животного происхождения [12, 29].

Определены бактерии, синтезирующие ТМАО: тип Firmicutes (роды Anaerococcus, Clostridium, Enterococcus, Streptococcus, Desulfovibrio, Eubacterium), тип Proteobacteria (Enterobacter, Escherichia, Klebsiella, Proteus, Actinobacter, Citrobacter), тип Actinobacteria (Mobiluncus, Olsenella) и тип Bacteroidetes (Bacteroides) [16][27]. Напротив, у метаболически здоровых взрослых первый терциль концентрации ТМАО в плазме крови натощак был обогащен родами Roseburia, Butyrivibrio, Coprobacillus и Catenibacterium по сравнению с третьим терцилем [30]. Firmicutes, как правило, содержат ТМА-генерирующий кластер генов, утилизирующих холин [16], что идентифицировали метагеномные скрининги [30].

Потенциальное значение ТМАО в патогенезе атеросклероза: за и против

Ассоциацию между ТМАО и ССЗ впервые показали Wang Z, et al. в 2011г [9]. Повышенный уровень ТМАО в крови может способствовать ССЗ [31], активируя воспаление и окислительный стресс посредством механизмов:

• ингибирования обратного транспорта холестерина [9][13] и синтеза желчных кислот [13], ответственных за гомеостаз глюкозы и липидов;
• активации скэвинджер-рецепторов в макрофагах, включая CD36 [9, 17] и SRA [9][13][17], что изменяет фенотип макрофагов и приводит к образованию пенистых клеток;
• геномного эффекта: ТМАО может регулировать экспрессию/репрессию некоторых генов в эндотелии и клетках воспаления [17][27];
• активации сигнального пути MAPK/NF-κB, белков адгезии и активации инфламмосом NLRP3 в сочетании со снижением продукции оксида азота, усугубляя повреждение эндотелия [17][32];
• гиперреактивности тромбоцитов за счет повышенного высвобождения ионов кальция из внутриклеточных запасов [33].

ТМАО активирует атеросклероз на моделях мышей [32-38], и в целом ряде исследований было показано, что уровни ТМАО в плазме коррелируют с частотой ССЗ у людей [7][9-11][13][14][16][18][33]. Независимо от традиционных сердечно-сосудистых факторов риска перенесшие плановую коронарографию пациенты из четвертого квартиля уровней циркулирующего ТМАО по сравнению с первым квартилем демонстрировали повышенный риск развития тяжелых неблагоприятных сердечно-сосудистых событий (смерть, инфаркт миокарда и инсульт) в 2,54 раза [12]. В нескольких работах была подтверждена ассоциация между концентрацией ТМАО в плазме крови, развитием сердечной недостаточности (СН) и плохим прогнозом у пациентов с СН [9][12][19][20][31]. Доказана положительная корреляция показателей ТМАО в плазме крови с размерами атеросклеротической бляшки [9].

Однако другие исследования не подтвердили тот факт, что ТМАО сам по себе является причинным фактором ССЗ [38][39]. Повышенные уровни ТМАО не вызывали увеличения С-реактивного белка или липопротеинов низкой плотности ни в плазме мышей, ни в плазме человека [38]. Уровень ТМАО в плазме не был связан с классическими сердечнососудистыми факторами риска и с эндотелиальной функцией в здоровой когорте [30]. Концентрация ТМАО в плазме обратно пропорциональна смертности среди тяжелобольных септических пациентов без ССЗ, что можно охарактеризовать как парадокс ТМАО [40]. Положительные эффекты ТМАО зависят от контекста, например, в условиях стресса в моделях переедания ТМАО может проявлять антиоксидантные и противовоспалительные эффекты, наблюдаемые на тканевом уровне, особенно в гепатоцитах, адипоцитах, мышечной ткани и β-клетках поджелудочной железы, а также влияние ТМАО на толерантность к глюкозе различается между здоровыми условиями и патогенными состояниями [28]. В экспериментальной модели правожелудочковой СН у крыс длительное введение ТМАО предотвращало нарушение митохондриального энергетического метаболизма с тенденцией к восстановлению функции правого желудочка [41]. Альтернативное объяснение связанного с ССЗ высокого уровня ТМАО заключается в том, что его концентрации указывают на дисфункции в другом звене, и что ТМАО является не медиатором, а маркером ССЗ. Кроме того, на уровни ТМАО в плазме влияют многие факторы — раса, возраст пациентов, диета и прием лекарств, что может вызывать изменения в составе микробиоты кишечника и изменять ассоциации между ТМАО и атеросклерозом. Таким образом, до сих пор не ясно, является ли ТМАО вредоносным соединением, компонентом адаптивной реакции или только конфаундером.

Было обнаружено, что антибиотики могут ослаблять атеросклероз, вызванный ТМАО, путем снижения синтеза ТМАО, регулируемого микробиотой кишечника [9][12][13]. Однако полезность антибиотиков ограничивают их побочные эффекты и резистентность.

Представленность ТМАО-продуцентов в энтеротипах

Микробиота кишечника каждого человека характеризуется тремя доминирующими кластерами бактерий, называемыми энтеротипами: Bacteroides (энтеротип I), Prevotella (энтеротип II) или Ruminococcus (энтеротип III) [42]. Предполагают, что носители I энтеротипа будут реже страдать атеросклерозом, или он проявится в более поздние сроки [43]. В III энтеротипе наибольшим было представительство больных симптоматическим атеросклерозом [11], больных ишемической болезнью сердца по сравнению с группой контроля [15]. Обилие Ruminococcaceae (энтеротип III) положительно коррелировало с концентрациями ТМАО в плазме крови у мышей, получавших холин [32], у метаболически здоровых взрослых [30], у больных с хронической СН [18].

ТМАО при эндотоксинемии

Здоровая микробиота предотвращает нарушение целостности кишечного барьера, поскольку "дырявый" кишечник ("leaky gut") может привести к увеличению утечки эндотоксина, представляющего собой липополисахарид, который играет важную роль в атерогенезе [6][21][25][29]. У больных инсультом [19] и хронической СН [20] повышается проницаемость кишечного барьера и усиливается транслокация липополисахарида и ТМАО в кровоток, причем у последних увеличивалось количествао микробных генов биосинтеза липополисахаридов и холин-ТМАлиазы [18].

Однако в другом исследовании не было корреляции между уровнями липополисахарида и ТМАО у больных ишемической болезнью сердца с СН, несмотря на повышение уровня ТМАО у этих больных по сравнению с контролем [14]. Кроме того, достаточно высокие концентрации ТМАО, влияющие на воспаление, скэвинджер-рецепторы и обратный транспорт холестерина (≥100 мкМ), достигаются только при прогрессирующей СН или при хронической болезни почек [31].

Терапевтические подходы к снижению уровня ТМАО

Положительный гиполипидемический эффект отмечен у штаммов Lactobacillus, Bifidobacterium, E. faecium, Streptococcus и др. [44]. Альтернативным подходом к снижению уровня ТМАО в сыворотке также может быть использование пробиотиков. Лактобациллы могут ингибировать кишечные микробы, которые производят ключевые ферменты, катализирующие выработку ТМА. Так, при лечении L. casei в перинатальном периоде не только уменьшались уровни ТМАО в плазме крови, но и снижалось соотношение Firmicutes/Bacteroidetes и обогащались роды Lactobacillus и Akkermansia [45]. Штамм L. rhamnosus GG снижал уровень ТМАО в крови у крыс за счет модулирования дисбаланса цитокинов Th1/Th2 и подавления уровней фосфорилирования ERK1/2, Akt и mTOR [46]. Уровни ТМАО в сыворотке и ТМА в слепой кишке были значительно снижены у мышей на холиновой диете, получавших пробиотики L. plantarum ZDY04 [36], L. amylovorus LAM1345 и Lactiplantibacillus plantarum LP1145 [37], B. breve Bb4 B. longum BL1 и BL7 [32], Enterobacter aerogenes ZDY01 [35] или архебиотик Methanomassiliicoccus luminyensis B10 [47]. Некоторые (но не все) виды архей среди Methanomassiliicoccales могут уменьшить неблагоприятное воздействие ТМА за счет истощения ТМА, поскольку обладают способностью использовать ТМА для роста [48].

Однако другие исследования не подтвердили влияния на холестерин пробиотиков L. rhamnosus LC705 или L. acidophilus [4]. Также в клинических испытаниях на людях не снижало уровни ТМАО в крови добавление пробиотиков с одним или несколькими штаммами: VSL#3 [49], L. acidophilus, L. rhamnosus GG, B. animalis и B. longum [50] и Limosilactobacillus fermentum LF1143 [37].

Предлагаются альтернативные диетические стратегии с целью ограничения или повышения выведения субстрата, необходимого для производства ТМАО — гипокалорийные диеты, физические упражнения, различные варианты голодания [51]. Хотя субстраты для ферментов, продуцирующих ТМА, в основном пищевые, включая холин, в эндогенных желчных кислотах также присутствует холиновая составляющая [28]. Следовательно, присутствие в микробиоте видов, продуцирующих ТМА, может быть важнее для общего производства и накопления ТМАО, чем состав рациона [52]. Вероятно, диетические вмешательства, направленные на сокращение потребления мяса, молока и яиц, не всегда эффективны для снижения уровня ТМАО в сыворотке крови [28].

Иная ситуация с морепродуктами. Несмотря на доказанную связь между потреблением рыбы и повышенной экскрецией ТМАО с мочой [53], именно рыбий жир снижает уровень ТМАО и защищает сердце, что может быть опосредовано омега-3 жирными кислотами, которые могут перевешивать любые неблагоприятные эффекты ТМАО, накапливающегося при потреблении рыбы [53]. А также рыбий жир эффективен в стимулировании роста бактерий, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты, снижении микробного образования липополисахарида и уменьшении TMAO-индуцированного атерогенеза [54]. Поэтому потребление ТМАОбогатых морепродуктов считается полезным для первичной профилактики сердечно-сосудистых событий [55].

Различные пищевые фенолы, полиметоксифлавоны, ресвератрол, гингколид В, берберин, изохинолиновый алкалоид, значительно снижали уровень TMAO в плазме крови наряду с увеличением относительного содержания Akkermansia, Lactobacillus, Bacteroides, Roseburia, Blautia, Allobaculum, Alistipes [27][34][56]. Избирательно накапливающийся внутри кишечных микроорганизмов аналог холина 3,3-диметил-1-бутанол ингибировал активность TMA-лиазы, снижал уровни ТМА и ТМАО в плазме, сокращал образование пенистых клеток и развитие атеросклероза корня аорты у мышей на холиновой диете [52]. Ингибирование бактериального фермента фосфолипазы D, который высвобождает холин из фосфатидилхолиновых липидов и превращает его в ТМА, также может представлять терапевтический интерес [57]. Прием статинов может способствовать восстановлению баланса про- и противовоспалительной микробиоты, в т.ч. колонизирующей бляшку [58]. Лечение мельдонием значительно снижало зависимую от микробиоты кишечника выработку ТМА/ТМАО из L-карнитина, но не из холина [59], а основной источник ТМАО — холин [9]. Лечение мышей ингибитором холин-ТМА-лиазы йодометилхолином приводит к полезной реорганизации кишечного микробного сообщества, метаболизма холестерина и желчных кислот хозяина, обращая вспять изменения, вызванные диетой с добавлением холина [60].

Заключение

В мире растет число функциональных исследований метаболической активности микробиоты как одного из основных игроков, влияющих на здоровье и участвующих в патогенезе большинства заболеваний человека. Доказательства того, что ТМАО, как значимый функциональный метаболит микробиоты кишечника, может влиять на прогрессирование атеросклероза, противоречивы, и есть исследования за и против. Но подавляющее большинство исследований подтвердили, что ТМАО усугубляет атеросклероз у мышей и положительно коррелирует с тяжестью этого заболевания у людей. Модуляция микробиоты кишечника является перспективным, комплексным и безопасным подходом к профилактике и терапии не только ТМАО-ассоциированных заболеваний (помимо атеросклероза, также и нейродегенеративной патологии), но и многих других "атерогенных" метаболических расстройств.

Отношения и деятельность: автор заявляет об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.