Взаємозв’язки метаболітів кишкової мікробіоти з біомаркерами оксидантного стресу при цукровому діабеті 2 типу. Огляд
DOI:
https://doi.org/10.30978/CEES-2024-2-45Ключові слова:
цукровий діабет 2 типу, кишкова мікробіота, метаболіти, біологічні ефекти, оксидантний еустрес і дистрес, коротколанцюгові жирні кислоти, триметиламін‑N‑оксид, кардіометаболічний ризикАнотація
Огляд присвячено аналізу сучасних даних щодо взаємозв’язків між патогенетичними механізмами при дисметаболічних станах (метаболічному синдромі, цукровому діабеті 2 типу) та функціональною активністю кишкової мікробіоти, яка продукує низькомолекулярні сполуки, які класифікують за біологічними ефектами на два типи: 1) корисні для підтримки метаболічного гомеостазу й антиоксидантної системи в організмі, наприклад, коротколанцюгові жирні кислоти (КЛЖК), жовчні кислоти, 2) «небезпечні» метаболіти, до яких належать ендотеліотоксичний триметиламін‑N‑оксид (ТМАО) та чинники ендотоксемії ліпополісахариди (ЛПС). Розглянуто молекулярні механізми, які опосередковують ефекти КЛЖК як середників оксидантного еустресу та цитопротекції за різних патологій. Крім енергетичних субстратів, КЛЖК є лігандами сполучених з протеїном G мембранних рецепторів жирних кислот, активація яких запускає сигнальні шляхи ядерного еритроїдного 2‑пов’язаного фактора‑2 (nuclear erythroid 2‑related factor 2 (NRF2)). Цей транскрипційний фактор відіграє вирішальну роль у відповіді на клітинний стрес, пригнічуючи експресію генів запальних цитокінів і хемокінів та сприяючи підтримці окисно‑відновного гомеостазу у фізіологічних умовах. Другий тип мікробіальних метаболітів, навпаки, відповідає визначенню чинників оксидантного дистресу, що виявляють цитотоксичні властивості, спричиняючи процеси атерогенезу та хронічного запалення, особливо за умов дисбіотичного стану. Продемонстровано, що ТМАО може впливати на мітохондріальні й лізосомальні сигнальні шляхи, підвищуючи концентрацію активних фрагментів кисню та малонового діальдегіду. Крім того, ТМАО модулює експресію мікроРНК, що спричинює експресію прозапальних інтерлейкінів і чинників згортання крові. Інші токсичні метаболіти (ЛПС) мають високий прозапальний потенціал, збільшують проникність слизової оболонки кишечника та провокують запалення й оксидантний стрес у різних тканинах організму. Таким чином, є значний прогрес у вивченні молекулярних механізмів позитивних і негативних ефектів мікробіальних метаболітів, що свідчить про важливість корекції складу кишкової мікробіоти та моніторингу її функціональної активності під час комплексного лікування цукрового діабету та для запобігання розвитку кардіометаболічних ускладнень, пов’язаних з оксидантним стресом.
Посилання
Sun H, Saeedi P, Karuranga S, Pinkepank M, Ogurtsova K, Duncan BB, Stein C, Basit A, Chan JCN, Mbanya JC, Pavkov ME, Ramachandaran A, Wild SH, James S, Herman WH, Zhang P, Bommer C, Kuo S, Boyko EJ & Magliano DJ IDF Diabetes Atlas: Global, regional and country-level diabetes prevalence estimates for 2021 and projections for 2045. Diabetes research and clinical practice. 2022;83:109119. https://doi.org/10.1016/j.diabres.2021.109119.
Craciun CI, Neag MA, Catinean A, Mitre AO, Rusu A, Bala C, Roman G, Buzoianu AD, Muntean DM, Craciun AE. The Relationships between Gut Microbiota and Diabetes Mellitus, and Treatments for Diabetes Mellitus. Biomedicines. 2022 Jan 28;10(2):308. http://doi.org/10.3390/biomedicines10020308. PMID: 35203519; PMCID: PMC8869176.
Liu Y, Chang J & Bai LD. Intestinal flora: New perspective of type 2 diabetes. World journal of clinical cases. 2024;12(11):1996-9. https://doi.org/10.12998/wjcc.v12.i11.1996.
Paul P, Kaul R, Abdellatif B, et al. The promising role of microbiome therapy on biomarkers of inflammation and oxidative stress in type 2 diabetes: a systematic and narrative review. Frontiers in nutrition. 2022;9:906243. https://doi.org/10.3389/fnut.2022.906243.
González-Bosch C, Boorman E, Zunszain PA, Mann GE. Short-chain fatty acids as modulators of redox signaling in health and disease. Redox Biol. 2021 Nov;47:102165. http://doi.org/10.1016/j.redox.2021.102165.
Sies H. Findings in redox biology: From H2O2 to oxidative stress. J Biol Chem. 2020 Sep 25;295(39):13458-73. http://doi.org/10.1074/jbc.X120.015651.
Habib SS, Al-Regaiey KA, Al-Khlaiwi T, Habib SM, Bashir S, Al-Hussain F, Habib SH. Serum inducible and endothelial nitric oxide synthase in coronary artery disease patients with Type 2 Diabetes mellitus. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2022 May;26(10):3695-3702. http://doi.org/10.26355/eurrev_202205_28865. PMID: 35647851.
Yousef H, Khandoker AH, Feng SF, Helf C, Jelinek HF. Inflammation, oxidative stress and mitochondrial dysfunction in the progression of type II diabetes mellitus with coexisting hypertension. Frontiers in Endocrinology. 2023;14:1173402. https://doi.org/10.3389/fendo.2023.1173402.
Tonin G, Dolžan V, Klen J. Genetic and transcriptomic background of oxidative stress and antioxidative therapies in late complications of type 2 diabetes mellitus: a systematic review. Antioxidants (Basel, Switzerland). 2024;13(3):277. https://doi.org/10.3390/antiox13030277.
Shabalala SC, Johnson R, Basson AK, Ziqubu K, Hlengwa N, Mthembu SXH, Mabhida SE, Mazibuko-Mbeje SE, Hanser S, Cirilli I, Tiano L, Dludla PV. Detrimental Effects of Lipid Peroxidation in Type 2 Diabetes: Exploring the Neutralizing Influence of Antioxidants. Antioxidants (Basel). 2022 Oct 20;11(10):2071. http://doi.org/10.3390/antiox11102071.
Hinkley H, Counts DA, VonCanon E, Lacy M. T cells in atherosclerosis: key players in the pathogenesis of vascular disease. Cells. 2023;12(17):2152. https://doi.org/10.3390/cells12172152.
Majidi Z, Hosseinkhani S, Amiri-Dashatan N, et al. Effect of rosiglitazone on circulating malondialdehyde (MDA) level in diabetes based on a systematic review and meta-analysis of eight clinical trials. J Investig Med. 2021 Mar;69(3):697-703. http://doi.org/10.1136/jim-2020-001588.
Frostegård J, Zhang Y, Sun J, Yan K, Liu A. Oxidized low-density lipoprotein (OxLDL)-treated dendritic cells promote activation of T cells in human atherosclerotic plaque and blood, which is repressed by statins: microRNA let-7c is integral to the effect. Journal of the American Heart Association. 2016;5(9):e003976. https://doi.org/10.1161/JAHA.116.003976.
Dworzański J, Strycharz-Dudziak M, Kliszczewska E, et al. Glutathione peroxidase (GPx) and superoxide dismutase (SOD) activity in patients with diabetes mellitus type 2 infected with Epstein-Barr virus. PloS One. 2020;15(3):e0230374. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0230374.
Breyton AE, Lambert-Porcheron S, Laville M, Vinoy S, Nazare JA. CGMS and glycemic variability, relevance in clinical research to evaluate interventions in T2D, a literature review. Frontiers in Endocrinology. 2021;12:666008. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.666008.
Savvopoulos S, Hatzikirou H, Jelinek HF. Comparative analysis of biomarkers in type 2 diabetes patients with and without comorbidities: insights into the role of hypertension and cardiovascular disease. Biomarker insights.2024;19:11772719231222111. https://doi.org/10.1177/11772719231222111.
Zhai L, Wu J, Lam YY, Kwan HY, Bian ZX, Wong HLX. Gut-microbial metabolites, probiotics and their roles in type 2 diabetes. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(23):12846. https://doi.org/10.3390/ijms222312846.
Tian E, Wang F, Zhao L, Sun Y, Yang J. The pathogenic role of intestinal flora metabolites in diabetic nephropathy. Frontiers in Physiology. 2023;14:1231621. https://doi.org/10.3389/fphys.2023.1231621.
Wang A, Guan B, Zhang H, Xu H. Danger-associated metabolites trigger metaflammation: A crowbar in cardiometabolic diseases. Pharmacol Res. 2023 Dec 4;198:106983. http://doi.org/10.1016/j.phrs.2023.106983.
Zhong H, Ren H, Lu Y, et al. Distinct gut metagenomics and metaproteomics signatures in prediabetics and treatment-naïve type 2 diabetics. EBioMedicine. 2019;47:373-83. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2019.08.048.
Zhen J, Zhou Z, He M, et al. The gut microbial metabolite trimethylamine N-oxide and cardiovascular diseases. Front Endocrinol (Lausanne). 2023;14:1085041. http://doi.org/10.3389/fendo.2023.1085041.
Guo X, Okpara ES, Hu W, et al. Interactive Relationships between Intestinal Flora and Bile Acids. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(15):8343. https://doi.org/10.3390/ijms23158343.
Cai J, Rimal B, Jiang C, Chiang JYL, Patterson AD. Bile acid metabolism and signaling, the microbiota, and metabolic disease. Pharmacol Ther. 2022 Sep;237:108238. http://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2022.108238.
Fu Y, Li S, Xiao Y, Liu G, Fang J. A metabolite perspective on the involvement of the gut microbiota in type 2 diabetes. Int J Mol Sci. 2023 Oct 8;24(19):14991. http://doi.org/10.3390/ijms241914991.
Kim YA, Keogh JB, Clifton PM. Probiotics, prebiotics, synbiotics and insulin sensitivity. Nutrition research reviews. 2018;31(1):35-51. https://doi.org/10.1017/S095442241700018X.
Laswi I, Shafiq A, Al-Ali D, et al. A comparative pilot study of bacterial and fungal dysbiosis in neurodevelopmental disorders and gastrointestinal disorders: commonalities, specificities and correlations with lifestyle. Microorganisms. 2021;9(4):741. https://doi.org/10.3390/microorganisms9040741.
Adeshirlarijaney A, Gewirtz AT. Considering gut microbiota in treatment of type 2 diabetes mellitus. Gut Microbes. 2020;11(3):253-64. https://doi.org/10.1080/19490976.2020.1717719.
Birkeland E, Gharagozlian S, Birkeland KI, et al. Prebiotic effect of inulin-type fructans on faecal microbiota and short-chain fatty acids in type 2 diabetes: a randomised controlled trial. Eur J Nutr. 2020;59:3325-38. http://doi.org/10.1007/s00394-020-02282-5.
Kimura I, Ichimura A, Ohue-Kitano R, Igarashi M. Free fatty acid receptors in health and disease. Physiol Rev. 2020 Jan 1;100(1):171-210. http://doi.org/10.1152/physrev.00041.2018.
Hu S, Kuwabara R, de Haan BJ, Smink AM, de Vos P. Acetate and butyrate improve β-cell metabolism and mitochondrial respiration under oxidative stress. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(4):1542. https://doi.org/10.3390/ijms21041542.
Uruno A, Yamamoto M. The KEAP1-NRF2 system and neurodegenerative diseases. Antioxid Redox Signal. 2023 May;38(13-15):974-88. http://doi.org/10.1089/ars.2023.0234.
DeBlasi JM, DeNicola GM. Dissecting the crosstalk between NRF2 signaling and metabolic processes in cancer. Cancers (Basel). 2020 Oct 17;12(10):3023. http://doi.org/10.3390/cancers12103023.
González-Bosch C, Boorman E, Zunszain PA, Mann GE. Short-chain fatty acids as modulators of redox signaling in health and disease. Redox Biol. 2021 Nov;47:102165. http://doi.org/10.1016/j.redox.2021.102165.
Ørgaard A, Jepsen SL, Holst JJ. Short-chain fatty acids and regulation of pancreatic endocrine secretion in mice. Islets. 2019;11(5):103-11. http://doi.org/10.1080/19382014.2019.1587976.
Tang WHW, Li DY, Hazen SL. Dietary metabolism, the gut microbiome, and heart failure. Nat Rev Cardiol. 2019 Mar;16(3):137-54. http://doi.org/10.1038/s41569-018-0108-7.
Miloslavsky D, Koval S. Prospects for probiotics use as the gut microbiota modulators in obesity (literature review). International Journal of Endocrinology (Ukraine). 2022;18(6):358-64. https://doi.org/10.22141/2224-0721.18.6.2022.1207.
Liu H, Jia K, Ren Z, et al. PRMT5 critically mediates TMAO-induced inflammatory response in vascular smooth muscle cells. Cell Death Dis. 2022 Apr 4;13(4):299. http://doi.org/10.1038/s41419-022-04719-7.
Abbasian N. Vascular calcification mechanisms: updates and renewed insight into signaling pathways involved in high phosphate-mediated vascular smooth muscle cell calcification. Biomedicines. 2021 Jul 12;9(7):804. http://doi.org/10.3390/biomedicines9070804.
Bi SH, Su C, Yang P, et al. Higher serum trimethylamine N-oxide (TMAO) levels are associated with increased visceral fat in hemodialysis patients. Clin Nephrol. 2023 Dec;100(6):275-83. http://doi.org/10.5414/CN111163.
Díez-Ricote L, Ruiz-Valderrey P, Micó V, et al. TMAO upregulates members of the miR-17/92 cluster and impacts targets associated with atherosclerosis. Int J Mol Sci. 2022 Oct 11;23(20):12107. http://doi.org/10.3390/ijms232012107.
He GD, Liu XC, Hou XH, Feng YQ. The effect of trimethylamine N-oxide on the metabolism of visceral white adipose tissue in spontaneously hypertensive rat. Adipocyte. 2022;11(1):420-33. http://doi.org/10.1080/21623945.2022.2104783.
Schugar RC, Shih DM, Warrier M, et al. The TMAO-producing enzyme flavin-containing monooxygenase 3 regulates obesity and the beiging of white adipose tissue. Cell Rep. 2017 Jun 20;19(12):2451-61. http://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.05.077.
Zhou S, Xue J, Shan J, et al. Gut-flora-dependent metabolite trimethylamine-N-oxide promotes atherosclerosis-associated inflammation responses by indirect ROS stimulation and signaling involving AMPK and SIRT1. Nutrients. 2022;14:3338. http://doi.org/10.3390/nu14163338.
Lu X, Liu J, Zhou B, et al. Microbial metabolites and heart failure: Friends or enemies? Front Microbiol. 2022;13:956516. http://doi.org/10.3389/fmicb.2022.956516.
Videja M, Vilskersts R, Korzh S, et al. Microbiota-derived metabolite trimethylamine N-oxide protects mitochondrial energy metabolism and cardiac functionality in a rat model of right ventricle heart failure. Front Cell Dev Biol. 2021;Jan 14;8:622741. http://doi.org/10.3389/fcell.2020.622741.
Li SY, Chen S, Lu XT, Fang AP, Chen YM, Huang RZ. Serum trimethylamine-N-oxide is associated with incident type 2 diabetes in middle-aged and older adults: a prospective cohort study. J Transl Med. 2022 Aug 18;20(1):374. http://doi.org/10.1186/s12967-022-03581-7.
Su C, Li X, Yang Y, et al. Metformin alleviates choline diet-induced TMAO elevation in C57BL/6J mice by influencing gut-microbiota composition and functionality. Nutr Diabetes. 2021 Jul 31;11(1):27. http://doi.org/10.1038/s41387-021-00169-w.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Автори
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.