Модуляція мікробіоти кишечника на тлі застосування цукрознижувальної терапії. Огляд літератури

Автор(и)

  • К. О. Шишкань-Шишова ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ, Україна http://orcid.org/0000-0003-0939-5902
  • О. В. Зінич ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ, Україна http://orcid.org/0000-0002-0516-0148

DOI:

https://doi.org/10.30978/CEES-2022-1-68

Ключові слова:

мікробіота кишечника, цукровий діабет 2 типу, пероральна антигіперглікемічна терапія, метформін

Анотація

Проаналізовано сучасні дані літератури щодо значення якісних та кількісних змін складу кишкової мікробіоти у патофізіології дисметаболічних станів і пов’язаних з ними захворювань, а також щодо ролі кишкового дисбіозу в деяких випадках недостатньої ефективності антигіперглікемічної терапії. За даними літератури, мікробіотою кишечника може бути опосередкована значна частка антигіперглікемічної дії протидіабетичного засобу першої лінії — метформіну. Клінічні дослідження продемонстрували значний вплив терапії метформіном на склад кишкового мікробіому, що виявляється підвищенням величини співвідношення грампозитивних і грамнегативних бактерій, збільшенням кількості бактерій, що продукують бутират, регулюють кишкову проникність, слизоутворюючих та пробіотичних бактерій, зменшенніям чисельності умовно-патогенних збудників. Завдяки цьому у пацієнтів відзначено збільшення продукції коротколанцюгових жирних і жовчних кислот, зміцнення кишкового бар’єра та зменшення проникності кишечника, що знижує міграцію ліпополісахаридів, зменшує ендотоксемію, частоту запальних захворювань кишечника, а також сприяє підвищенню інсуліночутливості. Модуляція кишкового мікробіального профілю також бере участь у забезпеченні таких ефектів препаратів нової генерації (агоністів рецепторів глюкагоноподібного пептиду-1 та інгібіторів натрій-глюкозного котранспортера-2), як вазопротекція, запобігання розвитку ожиріння та хронічного запального стану.

Нові відкриття свідчать, що мікробіота кишечника відіграє важливу роль у розвитку ожиріння, метаболічного синдрому та ЦД 2 типу. Отже, розуміння того факту, що кишкова мікробіота є одним із ключових патофізіологічних механізмів у розвитку ЦД може допомогти розкрити механізми метаболічних і біологічних ефектів ПЦЗ, а також пояснити причини варіабельності терапевтичної відповіді та розвитку шлунково-кишкових ускладнень у деяких пацієнтів.

Біографії авторів

К. О. Шишкань-Шишова, ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ

мол. наук. співроб., відділ вікової ендокринології та клінічної фармакології

О. В. Зінич, ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ

д. мед. н., завідуюча відділом вікової ендокринології та клінічної фармакології

Посилання

IDF Diabetes Atlas / International Diabetes Federation. 8th ed. Brussels, Belgium; 2017. 43 p.

Zheng Y, Ley SH, Hu FB. Global aetiology and epidemiology of type 2 diabetes mellitus and its complications. Nat Rev Endocrinol. Feb 2018;14(2):88-98. doi: 10.1038/nrendo.2017.151.

Nathan DM, Zinman B, Cleary PA, et al. Research Group DCCT/ EDIC. Modern-day clinical course of type 1 diabetes mellitus after 30 years’ duration: the diabetes control and complications trial/epidemiology of diabetes interventions and complications and Pittsburgh epidemiology of diabetes complications experience (1983‒2005). Arch Intern Med. 2009 Jul 27;169(14):1307-16. doi: 10.1001/archinternmed. 2009.193.

Garber AJ, Abrahamson MJ, Barzilay JI, et al. Consensus statement by the american association of clinical endocrinologists and american college of endocrinology on the comprehensive type 2 diabetes management algorithm — 2019 executive summary. Endocr Pract. 2019 Jan;25(1):69-100. doi: 10.4158/CS-2018-0535.

Kahn SE, Haffner SM, Heise MA, et al. ADOPT Study Group. Glycemic durability of rosiglitazone, metformin, or glyburide monotherapy. N Engl J Med. 2006 Dec 7;355(23):2427-43. doi: 10.1056/NEJMoa066224.

Riedel AA, Heien H, Wogen J, Plauschinat CA. Secondary failure of glycemic control for patients adding thiazolidinedione or sulfonylurea therapy to a metformin regimen. Am. J. Manag. Care. 2007;13:457-63.

Rodbard HW, et al. Statement by an American Association of Clinical Endocrinologists/ American College of Endocrinology consensus panel on type 2 diabetes mellitus: an algorithm for glycemic control. Endocr. Pract. Sep-Oct 2009;15(6):540-59. doi: 10.4158/EP.15.6.540.

Harsch IA, Konturek PC. The role of gut microbiota in obesity and type 2 and type 1 diabetes mellitus: new insights into “Old” diseases. Med Sci. (Basel). Apr 2018;6(2):32. doi: 10.3390/medsci6020032.

Aydin Ö, Nieuwdorp M, Gerdes V. The gut microbiome as a target for the treatment of type 2 diabetes. Curr Diab Rep. 2018 Jun 21;18(8):55. doi: 10.1007/s11892-018-1020-6.

Shen J, Obin M, Zhao L. The gut microbiota, obesity and insulin resistance. Mol. Aspects Med. 2013 Feb;34(1):39-58. doi: 10.1016/j.mam.2012.11.001.

Proal AD, Lindseth IA, Marshall TG. Microbe-microbe and host-microbe interactions drive microbiome dysbiosis and inflammatory processes. Discovery Medicine. 2017 Jan;23(124):51-60. PMID: 28245427.

Ramnani P, Chitarrari R, Tuohy K, et al. In vitro fermentation and prebiotic potential of novel low molecular weight polysaccharides derived from agar and alginate seaweeds. Anaerobe. 2012 Feb;18(1):1-6. doi: 10.1016/j.anaerobe.2011.08.003.

Rattarasarn C. Dysregulated lipid storage and its relationship with insulin resistance and cardiovascular risk factors in non-obese Asian patients with type 2 diabetes. Adipocyte. 2018; (2):71-80. doi: 10.1080/21623945.2018.1429784.

Thursby E, Juge N. Introduction to the human gut microbiota. Biochemical Journal. 2017 May 16;474(11):1823-36. doi: 10.1042/BCJ20160510.

Yamane S, Inagaki N. Regulation of glucagon-like peptide-1 sensitivity by gut microbiota dysbiosis. J Diabetes Investig. 2018 Mar;9(2):262-4. doi: 10.1111/jdi.12762.

Okubo H, Nakatsu Y, Kushiyama A, et al. Gut microbiota as a therapeutic target for metabolic disorders. Curr Med Chem. 2018;25(9):984-1001. doi: 10.2174/0929867324666171009121702.

Sonnenburg J, Backhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism. Nature. 2016 Jul;535(7610):56-64. doi: 10.1038/nature18846.

Karlsson F, Tremaroli V, Nielsen J, Bäckhed F. Assessing the human gut microbiota in metabolic diseases. Diabetes. 2013 Oct;62:3341-9. doi: 10.2337/db13-0844.

Karlsson FH, Tremaroli V, Nookaew I, et al. Gut metagenome in European women with normal, impaired and diabetic glucose control. Nature. 2013 Jun 6;498(7452):99-103. doi: 10.1038/nature12198.

Yang JY, Kweon MN. The gut microbiota: a key regulator of metabolic diseases. BMB Rep. 2016 Oct;49(10):536-41. doi: 10.5483/bmbrep.2016.49.10.144.

Schneider DJ, Sobel BE. PAI-1 and diabetes: a journey from the bench to the bedside. Diabetes Care. 2012 Oct;35(10):1961-7. doi: 10.2337/dc12-0638.

Sum CF, Webster JM, Johnson AB, Catalano C, Cooper BG, Taylor R. The effect of intravenous metformin on glucose metabolism during hyperglycaemia in type 2 diabetes. Diabet Med. 1992 Jan-Feb;9(1):61-5. doi: 10.1111/j.1464-5491.1992.tb01716.x.

Pascale A, Marchesi N, Govoni S, Coppola A, Gazzaruso C. The role of gut microbiota in obesity, diabetes mellitus, and effect of metformin: new insights into old diseases. Curr Opin Pharmacol. 2019 Dec;49:1-5. doi: 10.1016/j.coph.2019.03.011.

Holman RR, Paul SK, Bethel MA, Matthews DR, Neil HA. 10-year follow-up of intensive glucose control in type 2 diabetes. N Engl J Med. 2008 Oct 9;359(15):1577-89. doi: 10.1056/NEJMoa0806470.

Hung WC, Hung W-W. 1159-P: Metformin monotherapy changes gut microbiota in newly diagnosed type 2 diabetes. Diabetes 2019 Jun;68(1):1159. https://doi.org/10.2337/db19-1159-P.

Ouyang J, Isnard S, Lin J, et al. Metformin effect on gut microbiota: insights for HIV-related inflammation. AIDS Res Ther. 2020 Mar 10;17(1):10. doi: 10.1186/s12981-020-00267-2.

Greenhill C. Effects of metformin mediated by gut microbiota. Nat Rev Endocrinol. 2018 Dec;15(1):2. doi: 10.1038/s41574-018-0133-y.

Iulia-Suceveanu A, Micu S, Voinea C, Manea M, Catrinoiu D, et al. Metformin and its benefits in improving gut microbiota disturbances in diabetes patients [Online First]. IntechOpen. 2019 Oct. doi: 10.5772/intechopen.88749.

Sun L, Xie C, Changtao Jiang. Gut microbiota and intestinal FXR mediate the clinical benefits of metformin. Nature Medicine. 2018;24(12):1919-29. doi: 10.1038/s41591-018-0222-4.

Vilsbøll T, Krarup T, Deacon CF, Madsbad S, Holst JJ. Reduced postprandial concentrations of intact biologically active glucagon-like peptide 1 in type 2 diabetic patients. Diabetes. 2001 Mar;50(3):609-13. doi: 10.2337/diabetes.50.3.609.

Maida A, Lamont BJ, Cao X, Drucker DJ. Metformin regulates the incretin receptor axis via a pathway dependent on peroxisome proliferator-activated receptor-α in mice. Diabetologia. 2011 Feb;54(2):339-49. doi: 10.1007/s00125-010-1937-z.

Scarpello JH. Optimal dosing strategies for maximising the clinical response to metformin in type 2 diabetes. Br. J. Diabetes Vasc. Dis. 2001;1:28-36. doi:10.1177/14746514010010010501.

Bailey CJ, Wilcock C, Scarpello JH. Metformin and the intestine. Diabetologia. 2008 Aug;51(8):1552-3. doi: 10.1007/s00125-008-1053-5.

Sahin M, Tutuncu NB, Ertugrul D, Tanaci N, Guvener ND. Effects of metformin or rosiglitazone on serum concentrations of homocysteine, folate, and vitamin B12 in patients with type 2 diabetes mellitus. J Diabetes Complications. 2007 Mar-Apr;21(2):118-23. doi: 10.1016/j.jdiacomp.2005.10.005.

Napolitano A, Miller S, Nicholls AW, et al. Novel gut-based pharmacology of metformin in patients with type 2 diabetes mellitus. PLoS One. 2014;9(7):e100778. doi: 10.1371/journal.pone.0100778.

Nicholson JK, Holmes E, Kinross J, Burcelin R, Gibson G, Jia W, Pettersson S. Host-gut microbiota metabolic interactions. Science. 2012 Jun 8;336(6086):1262-7. doi: 10.1126/science.1223813.

Pryor R, Cabreiro F. Repurposing metformin: an old drug with new tricks in its binding pockets. Biochem J. 2015;471(3):307-22. doi: 10.1042/BJ20150497.

Islam KB, Fukiya S, Hagio M, et al. Bile acid is a host factor that regulates the composition of the cecal microbiota in rats. Gastroenterology. 2011 Nov;141(5):1773-81. doi: 10.1053/j.gastro.2011.07.046.

Bryrup T, Thomsen CW, Kern T, et al. Metformin-induced changes of the gut microbiota in healthy young men: results of a non-blinded, one-armed intervention study. Diabetologia. 2019 Jun;62(6):1024-35. doi: 10.1007/s00125-019-4848-7.

Elbere I, Kalnina I, Silamikelis I, et al. Association of metformin administration with gut microbiome dysbiosis in healthy volunteers. PLoS One. 2018;13(9):e0204317. doi: 10.1371/journal.pone.0204317.

Hiippala K, Kainulainen V, Kalliomäki M, Arkkila P, Satokari R. Mucosal prevalence and interactions with the epithelium indicate commensalism of Sutterella spp. Front Microbiol. 2016;7:1706. doi: 10.3389/fmicb.2016.01706.

Lavelle A, Lennon G, O’Sullivan O, et al. Spatial variation of the colonic microbiota in patients with ulcerative colitis and control volunteers. Gut. 2015 Oct;64(10):1553-61. doi: 10.1136/gutjnl-2014-307873.

DeFronzo RA, Buse JB, Kim T, et al. Once-daily delayed-release metformin lowers plasma glucose and enhances fasting and postprandial GLP-1 and PYY: results from two randomised trials. Diabetologia. 2016 Aug;59(8):1645-54. doi: 10.1007/s00125-016-3992-6.

Forslund K, Hildebrand F, Nielsen T, et al. Disentangling type 2 diabetes and metformin treatment signatures in the human gut microbiota. Nature. 2015 Dec 10;528(7581):262-6. doi: 10.1038/nature15766.

American Diabetes Association. Pharmacologic Approaches to Glycemic Treatment: Standards of Medical Care in Diabetes. 2020 Jan;43(Suppl 1):S98-S110. doi: 10.2337/dc20-S009.

Nauck MA, Meier J. Incretin hormones: their role in health and disease. Diabetes Obes. Metab. 2018;20(1):5-21. doi: 10.1111/dom.13129.

van Baar M, van Ruiten C, Muskiet M, et al. SGLT2 inhibitors in combination therapy: from mechanisms to clinical considerations in type 2 diabetes management. Diabetes Care. 2018;41(8):1543-56. doi: 10.2337/dc18-0588.

Grasset E, Puel A, Charpentier J, et al. A specific gut microbiota dysbiosis of type 2 diabetic mice induces GLP‐1 resistance through an enteric NO‐dependent and gut‐brain axis mechanism. Cell Metab. 2017;25(5):1075-90. doi: 10.1016/j.cmet.2017.04.013.

Zhao L, Chen Y, Xia F, et al. A glucagon-like peptide-1 receptor agonist lowers weight by modulating the structure of gut microbiota. Front Endocrinol (Lausanne). 2018 May;9:233. doi: 10.3389/fendo.2018.00233.

Wang L, Li P, Tang Z, Yan X, Feng B. Structural modulation of the gut microbiota and the relationship with body weight: Compared evaluation of liraglutide and saxagliptin treatment. Sci. Rep. 2016 Sep;16(6):33251. doi: 10.1038/srep33251.

Montandon S, Jornayvaz F. Effects of antidiabetic drugs on gut microbiota composition. Genes (Basel). 2017 Oct;8(10):250. doi: 10.3390/genes8100250.

Yan X, Feng B, Li P, Tang Z, Wang L. Microflora disturbance during progression of glucose intolerance and effect of sitagliptin: an animal study. J. Diabetes Res. 2016;(Article ID 2093171). doi: 10.1155/2016/2093171.

Inzucchi SE, Zinman B, Fitchett D, et al. How does empagliflozin reduce cardiovascular mortality? Insights from a mediation analysis of the EMPA-REG OUTCOME trial. Diabetes Care. 2018 Feb;41(2):356-63. doi: 10.2337/dc17-1096.

Dekkers CCJ, Wheeler DC, Sjöström CD, et al. Effects of the sodium-glucose co-transporter 2 inhibitor dapagliflozin in patients with type 2 diabetes and Stages 3b–4 chronic kidney disease. Nephrol Dial Transplant. 2018 Nov 1;33(11):2005-11. doi: 10.1093/ndt/gfx350.

van Bommel EJ, Muskiet MH, Tonneijck L, Kramer MH, Nieuwdorp M, van Raalte DH. SGLT2 inhibition in the diabetic kidney-from mechanisms to clinical outcome. Clin J Am Soc Nephrol. 2017;12(4):700-10. doi: 10.2215/CJN.06080616.

Whang A, Nagpal R, Yadav H. Bi-directional drug-microbiome interactions of anti-diabetics. EBioMedicine. 2019;39:591-602. doi: 10.1016/j.ebiom.2018.11.046.

Aquilante CL. Sulfonylurea pharmacogenomics in Type 2 diabetes: The influence of drug target and diabetes risk polymorphisms. Expert Rev Cardiovasc Ther. 2010 Mar;8(3):359-72. doi: 10.1586/erc.09.154.

Huo T, Xiong Z, Lu X, Cai S. Metabonomic study of biochemical changes in urinary of type 2 diabetes mellitus patients after the treatment of sulfonylurea antidiabetic drugs based on ultra-performance liquid chromatography/mass spectrometry. Biomed Chromatogr. 2015;29(1):115-22. doi: 10.1002/bmc.3247.

Gu Y, Wang X, Li J, Zhang Y, Zhong H, Liu R. Analyses of gut microbiota and plasma bile acids enable stratification of patients for antidiabetic treatment. Nat Commun. 2017;8(1):1785. doi: 10.1038/s41467-017-01682-2.

Sheng Y, Zheng S, Ma T, Zhang C, Ou X, He X. Mulberry leaf alleviates streptozotocin-induced diabetic rats by attenuating NEFA signaling and modulating intestinal microflora. Sci Rep. 2017;7(1):12041. doi: 10.1038/s41598-017-12245-2.

Berger J, Akiyama T, Meinke P. PPARs: Therapeutic targets for metabolic disease. Trends Pharmacol Sci. 2005;26(5):244-51. doi: 10.1016/j.tips.2005.03.003.

Bai J, Zhu Y, Dong Y. Response of gut microbiota and inflammatory status to bitter melon (Momordica charantia L.) in high fat diet induced obese rats. J Ethnopharmacol. 2016;194:717-26. doi: 10.1016/j.jep.2016.10.043.

Byndloss M, Olsan E, Rivera-Chavez F, Tiffany CR, Cevallos SA, Lokken K. Microbiota-activated PPAR-gamma signaling inhibits dysbiotic Enterobacteriaceae expansion. Science (New York, NY) 2017;357(6351):570-5. doi: 10.1126/science.aam9949.

Tomas J, Mulet C, Saffarian A, Cavin J, Ducroc R, Regnault B. High-fat diet modifies the PPAR-gamma pathway leading to disruption of microbial and physiological ecosystem in murine small intestine. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113(40):E5934–E5943. doi: 10.1073/pnas.1612559113.

Olivares M, Neyrinck A, Potgens S, et al. The DPP-4 inhibitor vildagliptin impacts the gut microbiota and prevents disruption of intestinal homeostasis induced by a Western diet in mice. Diabetologia. 2018;61(8):1838-48. doi: 10.1007/s00125-018-4647-6.

Zinman B, Wanner C, Lachin JM, et al, EMPA-REG OUTCOME Investigators. Empagliflozin, cardiovascular outcomes, and mortality in type 2 diabetes. N Engl J Med. 2015 Nov 26;373(22):2117-28. doi: 10.1056/NEJMoa1504720.

Battson ML, Lee DM, Jarrell DK, Hou S, Ecton KE, Weir TL, Gentile CL. Suppression of gut dysbiosis reverses Western diet-induced vascular dysfunction. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2018 May 1;314(5):E468-E477. doi: 10.1152/ajpendo.00187.2017.

Boulange CL, Neves AL, Chilloux J, Nicholson JK, Dumas ME. Impact of the gut microbiota on inflammation, obesity, and metabolic disease. Genome Med. 2016;8(1):42. doi: 10.1186/s13073-016-0303-2.

Lee DM, Battson M, Jarrell D, et al. SGLT2 inhibition via dapagliflozin improves generalized vascular dysfunction and alters the gut microbiota in type 2 diabetic mice Cardiovasc Diabetol. 2018;17(1):62. doi: 10.1186/s12933-018-0708-x.

Solini A, Giannini L, Seghieri M, et al. Dapagliflozin acutely improves endothelial dysfunction, reduces aortic stiffness and renal resistive index in type 2 diabetic patients: a pilot study. Cardiovasc Diabetol. 2017;16(1):138. doi: 10.1186/s12933-017-0621-8.

Shigiyama F, Kumashiro N, Miyagi M, et al. Effectiveness of dapagliflozin on vascular endothelial function and glycemic control in patients with early-stage type 2 diabetes mellitus: DEFENCE study. Cardiovasc Diabetol. 2017;16(1):84. doi: 10.1186/s12933-017-0564-0.

Mishima E, Fukuda S, Kanemitsu Y, et al. Canagliflozin reduces plasma uremic toxins and alters the intestinal microbiota composition in a chronic kidney disease mouse model. Am J Physiol Renal Physiol. 2018;315(4):F824‐F833. doi: 10.1152/ajprenal. 00314.2017.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-03-31

Номер

Розділ

Огляди літератури