Кишечная микробиота и сердечно-сосудистые заболевания: механизмы влияния и возможности коррекции

Введение

Связь между микробиотой кишечника и здоровьем человека является широко обсуждаемой. Быстрый прогресс в этой области объясняется появлением новых поколений методов секвенирования и использованием в экспериментах мышей со стерильным кишечником [1][2].

Известно, что состав кишечной микробиоты меняется параллельно взрослению и может варьироваться в зависимости от достаточно большого количества факторов [3]. Внедрение в практику научных исследований методов полногеномного секвенирования позволило составить микробный профиль и исследовать роль кишечной микробиоты в здоровье человека. Установлено, что микробиота взрослого человека включает в основном бактерии филумов Bacteroidetes и Firmicutes [4]. Проект Meta HIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract) показал, что в основное бактериальное ядро кишечника входит 57 наиболее распространенных видов, встречающихся у 90% индивидуумов исследованной когорты с охватом в геноме более 1% [5].

На сегодняшний день микробиоте кишечника вменяют непосредственное участие в развитии и прогрессировании таких заболеваний как синдром раздраженного кишечника, воспалительные заболевания кишечника, целиакия, неалкогольная жировая болезнь печени, новообразования желудочно-кишечного тракта [6], сахарный диабет, ожирение и другие [7][8]. Однако в последние годы пристальное внимание стала привлекать роль микробиоты в развитии и течении сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Несмотря на очевидные успехи в снижении бремени ССЗ за счет модификации классических факторов риска, на сегодняшний день распространенность этих заболеваний остается на очень высоком уровне, что свидетельствует о наличии других, недостаточно изученных факторов [9]. В медицинском сообществе имеется ряд научных трудов, демонстрирующих участие микробиоты кишечника в развитии сердечно-сосудистых патологий (табл. 1).

У больных ишемической болезнью сердца (ИБС) было выявлено значимое преобладание в составе микробиоты филума Firmicutes и недостаток Bacteroidetes по сравнению с группой контроля [10]. Микробиота пациентов с тяжелой формой хронической сердечной недостаточности (ХСН) характеризовалось преобладанием таких патогенных родов бактерий как Campylobacter, Shigella и Salmonella [11]. При изучении микробного состава кишечника больных фибрилляцией предсердий (ФП), было выявлено значимое преобладание доли таких родов прокариот Streptococcus, Enterococcus, Blautia, Dorea, Veillonella и Eubacterium. Также обнаружено, что у пациентов с ФП снижено содержание 14 метаболитов, включая холевую, олеиновую, линолевую и α-линоленовую кислоты [12]. Показано, что длительность течения ФП также оказывает влияние на состав кишечной микробиоты. Так, пациенты, страдающие персистирующей формой ФП более года, характеризуются снижением представительства родов Butyricicoccus и Paraprevotella и повышением Blautia, Dorea и Coprococcus в составе кишечной микрофлоры. Тогда как между пациентами с персистирующей и пароксизмальной формами ФП значимых различий в составе микробиоты не выявлено [13].

В качестве одного из возможных механизмов негативной связи микробиоты с ССЗ рассматривается её влияние на деконъюгацию и экскрецию желчных кислот. Метаболизм желчных кислот микробиотой повышает разнообразие пула желчных кислот. Отличные от исходных, метаболизированные желчные кислоты обладают разным сродством с фарнезоидным X-рецептором (FXR) и рецептора желчных кислот, связанного с G-белком Takeda, принимающих непосредственное участие в регуляции метаболизма липидов хозяина [14][15]. Триметиламин, продуцируемый специфической микробиотой и триметиламиноксид (ТМАО – Trimethylamine N-oxide), синтезируемый в печени, могут способствовать повышению риска развития атеросклероза и ССЗ посредством механизмов, включающих метаболизм липидов и системное воспаление [15], либо могут являться биомаркерами, отражающими уровень риска ССЗ поскольку известно, что ТМАО модулирует экспрессию микроРНК, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями, и что такая модуляция влияет на их гены-мишени [16]. Так, например. выявлена значимая положительная корреляция между TMAO и мозговым натрийуретическим пептидом, при этом высокие уровни ТМАО связаны с увеличением 5-летней смертности пациентов с ХСН [11].

Результаты этих и других исследований показывают взаимосвязь между кишечной микробиотой и рядом ССЗ, что логично должно быть продолжено в изучение возможных способов влияния на течение заболеваний ССЗ через модификацию состояния микробиоты.

Методы коррекции микробиоты кишечника

К основным методам модификации микробиоты кишечника можно отнести антибиотикотерапию, про, пре- и синбиотическую терапию, коррекцию диеты и трансплантацию фекальной микробиоты. К наиболее разработанным подходам модулирования микробиоты в настоящее время относят про- и пребиотическую коррекцию и управление диетой.

Пробиотики и пребиотики

Согласно определению Всемирной организации здравоохранения, пробиотики — это «живые микроорганизмы, которые при введении в адекватных количествах приносят пользу здоровью хозяина» [17]. В состав пробиотиков чаще всего включают бактерии родов: Bifidobacterium, Saccharomyces boulardii, Streptococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc и Pediococcus [18].

К пребиотикам относятся кислотоустойчивые вещества, избирательно ферментируемые микробиотой, и способные таким образом влиять на структуру и активность микроорганизмов, связанных со здоровьем и благополучием макроорганизма [19-21].

В настоящее время пребиотиками, отвечающими всем этим критериям, являются фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды, лактулоза и неперевариваемые углеводы. К последним относят большие полисахариды (инулин, резистентные крахмалы, целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины и камеди), и некоторые неперевариваемые олигосахариды. Большинство пребиотиков, включая фруктоолигосахариды и инулин, метаболизируются бифидобактериями и стимулируют рост их колоний, что благотворно влияет на гомеостаз клеток кишечника и подавляет рост патогенных бактерий [22-24].

Имеется достаточное количество убедительных данных о положительном эффекте применения пробиотиков и пребиотиков при лечении заболеваний печени (неалкогольная жировая болезнь печени), желудочно-кишечного тракта (воспалительные заболевания кишечника, синдром раздраженного кишечника), хронической болезни почек [25-29].

Несколько исследований показали, что в контексте лечения больных ССЗ пробиотики и пребиотики способны улучшать липидный профиль, приводя к снижению сывороточного уровня холестерина липопротеинов низкой плотности (ЛНП), общего холестерина и триглицеридов или увеличению холестерина липопротеинов высокой плотности. В исследованиях с использованием Lactobacillus acidophilus, было обнаружено более значительное снижение уровня холестерина ЛНП [30-32]. Введение некоторых пробиотиков может стимулировать образование короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК), которые изменяют секрецию инкретиновых гормонов и ослабляют синтез холестерина [33]. Вышеописанные эффекты демонстрируют положительную роль и обосновывают возможность применения пробиотиков и пребиотиков в терапевтической и профилактической схемах при ССЗ.

Диета

Влияние составов диеты и микробиоты кишечника является взаимным. Исследования образцов фекалий кишечной микробиоты на животных и людях показали, что у здоровых субъектов сбалансированная диета может обеспечить формирование хорошей микробной флоры, где содержание всех видов бактерий живет в системе контроля и взаимного баланса [34]. Если баланс нарушается, кишечная микробиота может измениться по типу, качеству и структуре [35]. Так, когда наблюдается снижение соотношения между филумами Firmicutes и Bacteroidetes, преобладает представители, продуцирующие ТМАО, а не КЦЖК. Это состояние типично для модели «западной» диеты [36]. В то время как средиземноморская диета характеризуется высоким содержанием пищевых волокон, а также полифенолов, которые могут оказывать пребиотическое действие на определенные штаммы [37]. КЦЖК представляют собой алифатические органические кислоты, наиболее распространенными из них являются ацетат, пропионат и бутират [38-41]. Высокий уровень КЦЖК ассоциирован со снижением частоты развития сердечно-сосудистых заболеваний, в первую очередь посредством влияния на липидный спектр, снижая содержание холестерина ЛНП [42][43].

Использование в эксперименте с мышами грамположительных бактерий рода Roseburia, производящих в качестве КЦЖК преимущественно бутират, демонстрирует ассоциацию с меньшим размером атеросклеротических бляшек в аорте. Взаимосвязь именно с бутиратом была подтверждена на группе сравнения с применением перорального бутирата, без вмешательства в структуру микробиоты. Добавление Roseburiai ntestinalis в сочетании со средиземноморской диетой демонстрирует прирост содержания бутирата в 4 раза в просвете кишечника, но не в крови [44]. Вероятно, механизм обратной связи бутирата с атеросклерозом косвенный. Бутират, выступая в качестве самого предпочтительного источника энергии для колоноцитов, снижает проницаемость стенки толстой кишки, что ассоциировано со снижением циркулирующих липополисахаридов и провоспалительных цитокинов, а также положительным образом отражается на инсулинорезистентности макроорганизма [43].

За счет высокой продукции КЦЖК (в частности бутирата) микробиотой, характерной для лиц, придерживающихся средиземноморской диеты, по-видимому, реализуются защитные эффекты в отношении заболеваемости ССЗ [45].

Влияние коррекции микробиоты кишечника на течение ССЗ

В исследованиях на крысах с артериальной гипертензией была выявлена связь с изменением микробиоты кишечника. Помимо этого, было обнаружено значимое снижение среднего артериального давления при лечение данной группы антибиотиком широкого спектра действия (миноциклин) [46].

Применение мультиштаммового пробиотика в качестве дополнительной терапии у пациентов с ИБС в течение 28 дней не оказало значимого влияния на обмен липидов, уровень ТМАО и состав фекальной микрофлоры. Последовательное применение рифаксимина и пробиотика продемонстрировало благоприятное воздействие на такие факторы, как обмен липидов (снижение уровня общего холестерина, ЛНП, липопротеинов очень низкой плотности, триглицеридов), однако не повлияло на концентрацию ТМАО и состав кишечной микрофлоры [47].

Пионерами в области изучения влияния антибактериальной терапии у пациентов с острым коронарным синдромом (ОКС) являются ученые из Лондона. В 2002 г. в своей работе они представили результаты сравнения частоты фатальных сердечно-сосудистых событий у пациентов с ОКС в течение 1 года [48]. В качестве групп сравнения исследователи выделили две группы пациентов, получающих эрадикационную терапию в отношении Helicobacter pylori и Chlamydia pneumoniae. Частота достижения конечной точки (смерть и повторная госпитализация с ОКС) в группах с антибактериальной терапией была ниже на 36% по сравнению с группой плацебо. При этом эффективность эрадикации целевых микроорганизмом не влияла на частоту достижения конечных точек [48].

В 2012 г. исследователи из США выявили существенную роль модификации кишечной микробиоты в отношении объема некроза миокарда при экспери ментальной окклюзии коронарного кровотока у крыс. Средняя площадь участка инфаркта миокарда в группе животных, получавших ванкомицин с питьевой водой, была меньше на 27% по сравнению с группой контроля. В группе крыс, с применением в качестве модификатора кишечной микробиоты пробиотика, средний размер некротизированного участка миокарда был на 29% меньше, чем в группе контроля. Применение в группах сравнения перорального ванкомицина и пробиотика также сопровождалось снижением концентрации циркулирующего лептина и лучшим восстановлением механической функции сердца у крыс. При этом кардиопротекторный эффект ванкомицина носит косвенный характер, так как данный препарат минимально всасывается в кровоток и при прямом введении в коронарный кровоток не влиял на тяжесть инфаркта миокарда [49].

Немногим позднее K. McCafferty и соавт., воспроизвели описанное выше исследование, однако на этот раз в фокусе внимания была функция почек. В результате было выявлено снижение уровня лептина в группе крыс. Постишемическая функция почек оценивалась при измерении сывороточного уровня: мочевины, креатинина, фосфатов и АСТ. Статистически значимых различий в уровне лабораторных показателей биохимического анализа между сравниваемыми группами выявлено не было. Исследователи пришли к выводу, что протективный эффект модификации микробиоты кишечника, опосредованный снижением уровня сывороточного лептина, имеет тканеспецифический характер, и в настоящее время ограничивается миокардом [50].

Исследование, проводимое T. Tang и соавт. на мышах, показало связь микробиоты кишечника с восстановлением функции миокарда после перевязки левой передней нисходящей коронарной артерии. В эксперименте доказано, что микробиота кишечника, измененная с помощью приема нескольких плохо всасывающихся антибиотиков, увеличила степень постинфарктного ремоделирования миокарда, частоту разрывов миокарда и смертельных исходов. При этом восстановление микробиоты кишечника с помощью трансплантации кала от доноров значительно улучшило показатели выживаемости, что позволило предположить вовлечение микробиоты кишечника в процесс управления ранним ремоделированием миокарда. Предположительно благоприятное влияние микробиоты кишечника опосредовано эффектами КЦЖК, ответственных за процесс привлечения миелоидных клеток к миокарду. Так, диетические добавки с включением КЦЖК, как и внутривенная инфузия моноцитарных клеток линии RAW264.7, используемая через 1 день после развития инфаркта миокарда, нивелирует неблагоприятное влияние антибиотиков на смертность и частоту разрывов желудочка. Диета с включением КЦЖК была также связана с повышением уровня миелоидных клеток в сердце мышей, получавших антибиотики [51].

Ученые из Китая исследовали микробиоту кишечника и влияние ее модификации на течение гипертрофии миокарда у крыс. Формирование условий для развития гипертрофии миокарда и дисбиоза кишечника создавались путем помещения в гипобарические камеры, имитирующие условия высокогорья. Крысы, находящиеся в условиях высокогорья, характеризовались значительным увеличением размеров сердца и сердечного индекса. При этом модификация микробиоты кишечника (использовались пре-, про- или синбиотики) значимо снижала выраженность гипертрофии миокарда [52].

Bartolomaeus H. и соавт. в 2019 г., исследуя влияние КЦКЖ (припионата) на гипертоническое повреждение сердца и атеросклероз в мышиных моделях дикого типа и с дефицитом аполипопротеина Е, показали уменьшение степени гипертрофии, фиброза, сосудистой дисфункции и гипертонии в обеих моделях. В мышиной модели с дефицитом аполипопротеина Е значительно уменьшилась область атеросклеротического поражения аорты [53]. Ученые из Бразилии провели пилотное рандомизированное плацебо контролируемое исследование, в котором изучалось влияние пробиотической терапии на течение ХСН [54]. В исследование было включено 20 пациентов с фракцией выброса <50%. В результате исследования группа пациентов с коррекцией микробиоты кишечника продемонстрировала значимое снижение уровня С-реактивного белка, общего холестерина и мочевой кислоты, объем левого предсердия значимо снизился, а фракция выброса улучшилась [54].

Помимо структурных и лабораторных изменений у больных ССЗ при модификации микробиоты кишечника, выявлено также влияние на уровень артериального давления (АД). Ученые из Китая выявили не только взаимосвязь между гипертонической болезнью и определенным составом микробиоты кишечника, а также в эксперименте выявили влияние микробиоты на АД. При трансплантации кала стерильным мышам от доноров с артериальной гипертензией у испытуемых наблюдалось повышение АД. Авторы исследования выдвинули предположение о том, что определенный состав микробиоты кишечника может являться не следствием повышенного АД, а одной из причин [55].

Ученые из Харбинского университета изучали взаимосвязь между колонизацией Bacteroides fragilis кишечника макроорганизма и развитием ФП, связанной со старческим кардиосклерозом на модели крыс [55].

Выяснилось, что пероральное введение добавок, со держащих Bacteroides fragilis, было ассоциировано со значимым увеличением содержания Т-супрессорных клеток и ослаблением системного воспаления. Это в свою очередь предотвращало структурное ремоделирование предсердий и развитие ФП, за счет ослабления процессов фиброза и апоптоза кардиоцитов предсердий [55]. Также на модели животных было показано, что ТМАО усугубляет вегетативную активность и способствует высвобождению воспалительных цитокинов у особей с ФП [56]. Эти эффекты могут подавляться пробиотиками. Тем не менее, на сегодняшний день недостаточно исследований, в которых оценивали эффект модуляции кишечной микробиоты на ФП.

Полифенолы, как потенциальные корректоры биомаркеров риска ССЗ

Как было описано выше, ТМАО представляет собой метаболит кишечной микробиоты, который, тесно связан с ССЗ, в основном увеличивая риск развития атеросклероза. В настоящее время не лицензированы никакие фармакологические подходы для снижения уровней ТМАО. Однако, определено [57], что уровень ТМАО в плазме у мышей значительно снижался после введения гераниина (полифенол эллагитаннин, впервые обнаруженный в герани). При этом, преобладающей кишечной микрофлорой у мышей, получавших гераниин, были представители филумов Bacteroides (65,3%) и Firmicutes (30,6%). После лечения гераниином уровни интерлейкинов (IL)1β и 6 и фактора некроза опухоли α в плазме у мышей были значительно снижены, а уровни IL-10 значительно повышены. Установленные факты позволяют предполагать, что полифенолы могут быть перспективным эффективным средством против сердечно-сосудистых заболеваний, а микробиота кишечника — потенциальной мишенью для снижения риска атеросклероза.

В доклинических условиях [58] и в клиническом исследовании [59] проверили способность нутрицевтического препарата на основе полифенолов виноградных выжимок снижать как уровни ТМАО в сыворотке, так и биомаркеры, связанные с окислительным стрессом (n=213). После длительного лечения препаратом на основе полифенолов виноградных выжимок наблюдали значительное снижение уровня ТМАО, окисленных ЛНП и активные формы кислорода. Столь многообещающие результаты позволяют рассматривать полифенолы как эффективную нутрицевтическую стратегию для профилактики атеросклероза.

Позитивное влияние полифенолов винограда установлено и в отношении сосудов головного мозга вследствие ишемически-реперфузионного повреждения [60]. Концентрат полифенолов винограда при употреблении в качестве нутрицевтика эффективно снижает уровень ТМАО и индуцировал дилатацию артериол. Эти результаты расширяют нутрицевтический потенциал полифенолов.

Полифенолы ежевики, особенно антоцианы обладают способностью влиять на уровень ТМАО, липидный профиль сыворотки и маркеры воспаления у крыс, получавших рацион с высоким содержанием жиров и холина [61]. Сывороточные уровни ТМАО, общего холестерина и холестерина ЛНП и уровень триметиламина в слепой кишке были значительно ниже при использовании полифенолов. Экстракт ежевики снижал экспрессию мРНК провоспалительных генов, включая ядерный фактор-κB (NF-κB), IL-1β, IL-6 и циклооксигеназу-2. Эти результаты свидетельствуют о том, что потребление полифенолов может уменьшить степень гиперхолестеринемии, вызванную чрезмерным содержанием холина в диете, за счет снижения повышенных уровней триметиламина слепой кишки и ТМАО в сыворотке у крыс.

Таким образом, растительные диеты с повышенным содержанием полифенолов, становятся все более перспективными, т.к. появляются клинические данные, свидетельствующие о том, что полифенолы могут использоваться для профилактики, а в некоторых случаях и для лечения ССЗ через посредство кишечного микробиома.

Заключение

Изучение роли микробиоты кишечника, как модифицируемого фактора риска развития и неблагоприятного течения ССЗ в настоящее время активно продвигается. Она становится одной из ключевых целей пациентоориентированной медицины, являясь как основой решений, корригирующих течение и улучшаю щих прогноз исходов различных заболеваний, так и представляя собой потенциальную мишень, воздействуя на которую с помощью лекарственных средств, диетических изменений, использования пре-, про- или синбиотиков, биотерапевтических и иных продуктов и способов, можно добиваться улучшения результатов лечения. На сегодняшний день наиболее активно обсуждаются механизмы влияния метаболитов микробиоты на макроорганизм. Выполнено достаточно большое количество исследований, демонстрирующих особенности структурного, количественного и качественного состава микробиоты у больных ССЗ, в том числе и ФП. Ряд исследований демонстрируют корреляцию между модификацией микробного составом кишечной флоры человека и течением ИБС, ХСН и гипертрофии миокарда. Однако вопросы выраженности влияния микробиоты кишечника на течения большинства ССЗ, как и проблема эффективности коррекции состава микробиоты, пока остаются открытыми и требующими обоснования.

Relationships and Activities. None.

Отношения и Деятельность. Нет.

Финансирование. Работа подготовлена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов и докторов наук (внутренний номер МК-1231.2022.3) (соглашение № 075-15-2022-502 от 4 мая 2022 года) «Разработка технологии здоровьесбережения на основе выявления и контроля факторов риска фибрилляции предсердий, ассоциированных с состоянием кишечной микробиоты».