The value of increased intestinal permeability in the pathogenesis of internal diseases

Full Text

Список сокращений

БПК – белки плотных контактов

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

ИЛ – интерлейкин

КЖК – короткоцепочечные жирные кислоты

ММФ – мукозная микрофлора

МЭС – межэпителиальные соединения

ПВ – пищевые волокна

ППК – повышенная проницаемость кишечника

СД – сахарный диабет

СОК – слизистая оболочка кишечника

СРК – синдром раздраженного кишечника

cIg – секреторный иммуноглобулин

FODMAP – fermentable oligosaccharides, disaccharides, monosaccharides and polyols

I-FABP (Fatty-Acid-Binding Protein) – белок, связывающий жирные кислоты

TNF – фактор некроза опухоли

ZO (zonula occludens) – зонулин

Введение

Усвоение пищевых веществ в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) связано с опасностью проникновения во внутреннюю среду антигенов и токсинов. Поэтому в процессе эволюции сформировалось несколько уровней защиты. Они включают симбионтную микрофлору, надэпителиальный слой слизи, эпителиоциты (энтероциты), межэпителиальные соединения (МЭС) и кишечную иммунную систему.

Симбионтная микрофлора

Симбионтная микрофлора располагается на внешней стороне апикальной мембраны эпителиоцитов (мукозная микрофлора – ММФ). Она создает биопленки, выстилающие поверхность слизистой оболочки кишечника (СОК), и предотвращает колонизацию чужих микроорганизмов. Продукты метаболизма ММФ – короткоцепочечные жирные кислоты (КЖК) – служат источником энергии для эпителиоцитов. ММФ синтезирует лизоцим, желчные кислоты и конкурирует с чужеродной микробиотой в борьбе за рецепторы и пищевые субстраты [1].

Надэпителиальный слой слизи

Надэпителиальный слой состоит из гликопротеидов, прочно связан с СОК и содержит гибнущие эпителиоциты, секреторный иммуноглобулин (cIg) A и лизоцим.

Эпителиоциты

Апикальная поверхность эпителиоцитов (щеточная каемка) образована протоплазматическими выростами – микроворсинками [2]. Они увеличивают площадь поверхности тонкой кишки в 10–20 раз и, помимо барьерной функции, обеспечивают высокую эффективность мембранного пищеварения и всасывания [3].

Эпителиоциты (энтероциты) дифференцируются в процессе перемещения вдоль ворсинки и спустя 3–6 сут отслаиваются на вершине в зоне экструзии [2, 4].

Внешняя поверхность мембраны эпителиоцитов покрыта гликокаликсом – молекулярным «ситом», разделяющим молекулы по величине и заряду. Гликокаликс является важнейшим компонентом щеточной каемки. Благодаря ему апикальная мембрана недоступна воздействию высокомолекулярных токсичных веществ [5].

Межэпителиальные соединения

Апикальные поверхности эпителиоцитов плотно контактируют между собой посредством МЭС, которые состоят из непрерывных цепочек белковых молекул zonula occludens (ZO, белок плотного соединения), окклюдинов, клаудинов и цингулина. Указанные белки плотных контактов (БПК) «сшивают» мембраны соседних клеток, изолируя их от внешней среды [6]. Динамические структуры БПК легко адаптируются к различным факторам внешней и внутренней среды. На молекулярном уровне они обеспечивают селективный отбор частиц и растворенных веществ для прохождения через МЭС [7].

Целостность межклеточных контактов обеспечивают микроворсинки. Связываясь друг с другом, они стабилизируют внутреннюю поверхность кишки. В эпителиоцитах имеются также циркулярные пояса, состоящие из актина и миозина, которые способны сокращаться и изменять таким образом проницаемость СОК. В норме через полупроницаемый плотный барьер способны проникать молекулы диаметром не более 6–7 нм, то есть электролиты и другие неорганические ионы. При интенсивном водно-электролитном транспорте межклеточные пространства способны расширяться или суживаться. Триггером взаимодействия между клетками является Е-кадгерин, находящийся в зоне МЭС. Изменение последних осуществляют упомянутые выше БПК и циркулярные пояса, состоящие из актиновых филаментов. Регуляция осуществляется с помощью медиаторов – кальмодулина, циклического аденозинмонофосфата и фосфоинозитола [4]. На плотность МЭС влияет зонулин (ZO) – белок, похожий на токсин холерного вибриона, способный увеличивать проницаемость кишечного барьера. Связываясь с рецепторами МЭС, он расширяет межклеточные соединения, повышая тем самым проницаемость кишки. Поэтому концентрация ZO в сыворотке крови и кале может служить лабораторным маркером проницаемости СОК [4–7].

Следующую линию защиты на внешней поверхности щеточной каемки эпителиоцитов составляют иммунная кишечная система, густая сеть капилляров и энзиматический барьер – молекулярный пищеварительно-транспортный комплекс, расщепляющий олигомеры (в том числе антигены) с последующим всасыванием образующихся мономеров [8].

Кишечная иммунная система

Иммунная система кишечника представлена клетками врожденного и адаптивного иммунитета [39]: межэпителиальными лимфоцитами, скоплениями лимфоидной ткани в тонкой кишке, пейеровыми бляшками, изолированными лимфоидными фолликулами, М-клетками [40], клетками Панета. Клетки Панета представляют собой подтип специализированных эпителиальных клеток, расположенных в криптах тонкой кишки, которые способны секретировать антимикробные продукты. Кишечные М-клетки участвуют в иммунологическом надзоре за СОК, вызывая индукцию плазматических клеток, секретирующих IgA. М-клетки и клетки Панета обеспечивают первую линию защиты от антигенов и патогенов и способствуют иммунитету хозяина посредством секреции цитокинов и антимикробных продуктов, таких как дефензины [41]. Клетки Панета играют противомикробную роль посредством секреции лизоцима, дефензина и других иммунорегуляторных белков [42, 43]. В пейеровых бляшках происходит индукция IgA-позитивных плазматических клеток в ответ на антигены и патогены, а также активируется передача сигналов распознавания иммунными клетками [44].

Энзиматический барьер

Нормальная деятельность пищеварительно-транспортного конвейера, описанная А.М. Уголевым [8], предполагает исключение поступления белковых макромолекул из просвета кишки в кровь. Так, cIgA-антитела образуют с антигенами невсасывающиеся иммунные комплексы, которые в последующем подвергаются расщеплению до аминокислот. При повышенной проницаемости кишечника (ППК) появляется гиперчувствительность к пищевым белкам, приводящая в дальнейшем к аутоиммунным нарушениям.

Синдром ППК

Нарушение кишечного барьера ведет к развитию синдрома ППК, получившего за рубежом название «синдром дырявой кишки» [9, 10].

Причины ППК

Дисбактериоз. Около 90% микробиоты здорового человека составляют протеобактерии Firmicutes, Actinobacteria и Bacteroidetes. Появление дисбиоза связано с ростом Proteobacteria phylum, Escherichia, Vibrio, Yersinia, Helicobacter и Salmonella и уменьшением Clostridium IV и XIVa групп, Bacteroides, Bifidobacterium или Faecalibacterium prausnitzii [11]. Дисбаланс микрофлоры ведет к качественному и количественному нарушению ММФ, снижению синтеза КЖК и повреждению МЭС [12].

Антибиотики. Длительное применение антибиотиков, особенно макролидов, приводит к уменьшению численности актинобактерий и увеличению количества бактероидов и протеобактерий [13]. Клинические проявления антибиотикоассоциированного нарушения микробиома кишечника характеризуются гиперсекрецией воды, электролитов и белка в просвет кишки и другими симптомами, свойственными ППК [14].

Другие лекарства. Известно, что кортикостерон уменьшает плотность МЭС и вызывает транслокацию бактерий в печень и селезенку у экспериментальных животных при стрессе [15]. Ключевую роль в этом процессе играет кортикотропин-рилизинг-фактор – полипептид, контролирующий гормональные, симпатические и поведенческие реакции на стрессы. Клинические исследования подтверждают участие кортизола в патогенезе ППК при стрессе [16]. ППК вызывают также нестероидные противовоспалительные препараты [17] и ингибиторы протонной помпы [18].

Пищевые продукты. Питание оказывает доминирующее влияние на целостность кишечного барьера. Длинноцепочечные жирные кислоты, фруктоза, глюкоза, сахароза снижают плотность МЭС, повышают их проницаемость и способствуют формированию синдрома ППК [19]. Подтверждением служит значительная распространенность заболеваний, связанных с ППК, в странах, где преобладает диета, богатая жирами и рафинированными углеводами [20].

В то же время некоторые олигосахариды, содержащиеся в пищевых волокнах (ПВ), уменьшают проницаемость, поддерживая рост полезной ММФ [19]. Образующиеся при ферментации ПВ бутират, пропионат и другие КЖК являются ключевыми факторами в укреплении барьерной функции кишечника [21]. Полезная диета должна содержать больше ПВ и меньше продуктов, богатых сахаром, фруктозой и жирами, содержащими α-линоленовую кислоту [19].

Болезни, связанные с ППК

Повреждение барьерной функции ЖКТ может иметь первостепенное значение в патогенезе аутоиммунных и иммуновоспалительных заболеваний. К ним относится значительная часть болезней кишечника, печени, сахарный диабет (СД), ожирение и др. [21].

Синдром раздраженного кишечника

В настоящее время патогенез синдрома раздраженного кишечника (СРК) связывают с повышением проницаемости эпителиального барьера, причиной которого является субклиническое воспаление толстой кишки, нарушающее экспрессию БПК окклюдина, клаудина-1 и ZO-1, участвующих в обеспечении МЭС [22]. C. Martínez и соавт. обнаружили у больных с СРК c диареей связь микроповреждений СОК с упомянутыми выше БПК эпителия, активностью тучных клеток и проницаемостью кишки [23]. Связь патогенеза СРК с ППК подтверждают и другие авторы [24].

Болезнь Крона и язвенный колит

У пациентов с активной фазой язвенного колита в СОК снижен уровень клаудина-1, 4, 7 и окклюдина, но повышен уровень клаудина-2. При болезни Крона снижены уровни клаудина-3, 5 и 8, а уровень клаудина-2 повышен [25]. Тем не менее остается неясным вопрос, являются ли изменения плотных контактов у больных с воспалительными заболеваниями кишечника генетически детерминированными или появляются в процессе формирования воспаления [26].

Ожирение

Связь ожирения с ППК доказана в эксперименте на мышах. В отличие от диких особей, у животных с генетическим ожирением повышен уровень эндотоксинов плазмы и провоспалительных цитокинов – β-интерлейкина (ИЛ) 1, ИЛ-6, интерферона γ и фактора некроза опухоли α (TNF-α), характерных для ППК [27]. Ожирение, вызванное высоким содержанием жиров в диете, объясняется популяционными изменениями кишечных бактерий, обусловленными снижением генов, ответственных за экспрессию БПК (ZO-1 и окклюдина) [27].

Неалкогольная жировая болезнь печени и неалкогольный стеатогепатит

Изменения в составе кишечной микробиоты у пациентов с неалкогольной жировой болезнью печени вызывают повышение липополисахаридов, провоспалительных цитокинов в плазме, способствующее ППК [28]. В конечном итоге ППК у пациентов с неалкогольной жировой болезнью печени и неалкогольным стеатогепатитом объясняется повышением ZO-1 в криптах СОК, избыточным ростом бактерий в тонкой кишке и нарушением целостностности МЭС [26].

Хроническая сердечная недостаточность

У пациентов с хронической сердечной недостаточностью проницаемость тонкой кишки увеличена на 35% по данным теста с лактулозой и маннитом, а толстой кишки – на 210% при использовании теста с сукралозой [29]. Повышение проницаемости авторы объясняют тяжестью заболевания, застоем крови, большим количеством патогенных бактерий в ЖКТ (Campylobacter, Salmonella, Candida), повышением уровня эндотоксинов, воспалительных цитокинов TNF, растворимого рецептора sTNF-R1 и С-реактивного белка в сыворотке крови. Изменение барьерной функции кишечника у пациентов с хронической сердечной недостаточностью может индуцировать транслокацию бактерий, запустить выработку провоспалительных цитокинов и тем самым способствовать ухудшению сердечной функции [29].

Целиакия

У пациентов с целиакией глиадин, присутствующий в злаках, проникает через эпителий тонкой кишки, вызывает выработку провоспалительных цитокинов, повышение ZО, расширение МЭС и ППК [30].

С.В. Быкова и соавт. исследовали проницаемость тонкой кишки у 71 больного целиакией. В качестве маркера использовали ZO и I-FABP (белок, связывающий жирные кислоты – Fatty-Acid-Binding Protein), отражающий степень повреждения энтероцитов. Авторы установили повышение концентрации ZO в кале по мере нарастания атрофии ворсинок, что указывало на нарушение функции МЭС. Исследование также показало повышение I-FABP в сыворотке крови больных в среднем до 725 пг/мл, в то время как в контрольной группе данный показатель – 263 пг/мл; р<0,0001. Обращало на себя внимание повышение уровня ZO и I-FABP по мере нарастания атрофии ворсинок, которое не достигало нормальных значений даже при строгом соблюдении аглютеновой диеты [31]. Таким образом, установленная авторами ППК у пациентов с целиакией сохранялась даже при восстановлении СОК.

Сахарный диабет 1-го типа

Q. Mu и соавт. установили, что у больных СД 1 повышен уровень ZO в кале и нарушена барьерная функция кишечника. По данным авторов, ППК выявлялась у пациентов еще до начала заболевания и сочеталась с микробной транслокацией [32].

Способы укрепления барьерной функции кишечника

Диета с низким содержанием ферментируемых олиго-, ди-, моносахаридов и полиолов

Е.В. Бауло и соавт. обнаружили, что диета с низким содержанием ферментируемых олиго-, ди-, моносахаридов и полиолов способствует восстановлению активности дисахаридаз и ремиссии симптомов, связанных с нарушением мембранного пищеварения [33]. Положительный эффект объясняется снижением нагрузки на мембранные ферменты СОК, осуществляющих гидролиз короткоцепочечных углеводов и предупреждающих появление избыточного бактериального роста, ППК и связанных с ними секреторной диареи, метеоризма и болей в животе [34].

Пробиотики

Пробиотики – живые микроорганизмы, благотворно влияющие на здоровье человека. Доказано, что Lactobacillus, Bifidobacterium и Saccharomyces могут участвовать в восстановлении барьерной функции кишечника [35], Lactobacillus plantarum MB452 увеличивают экспрессию генов МЭС в клетках Caco-2, а Lactobacillus rhamnosus GG пролонгируют выживание эпителиальных клеток [36]. Пробиотики следующего поколения (Akkermansia, Bacteroides и Faecalibacterium) могут действовать как целевые и индивидуальные адъюванты в борьбе с хроническими заболеваниями [37].

Пробиотики уменьшают проницаемость кишки путем укрепления МЭС с помощью бутирата [38] и подавления провоспалительных цитокинов TNF-α и ИЛ-6 [39].

Bifidobacterim infantis обеспечивают распределение клаудина-4 в апикальной мембране эпителия кишечника и индуцируют белок FOXP3 и ИЛ-10 в Т-лимфоцитах, ингибируют продукцию ИЛ-8 в незрелых энтероцитах [40].

Кишечная палочка Nissle 1917 повышает экспрессию мРНК, БПК (ZO-1, ZO-2 и клаудина-14) в клетках кишечного эпителия Caco-2 [41] и способствует поддержанию ремиссии у пациентов с язвенным колитом [42].

Лактобациллы повышают экспрессию и секрецию гликанов, содержащихся в надэпителиальной слизи [43]. Еще одним положительным влиянием некоторых пробиотиков на эпителий является увеличение экспрессии и секреции дефензинов. Дефензины-α, экспрессируемые клетками Панета, и дефензины-β, экспрессируемые клетками СОК, подавляют рост бактерий, грибков и некоторых вирусов, предотвращают попадание их в эпителий и тем самым способствуют целостности барьера [21].

Пробиотики повышают в собственной пластинке численность плазматических клеток, продуцирующих IgA, и способствуют продукции cIgA в СОК [44].

Пребиотики

Пребиотики – ингредиенты симбионтной кишечной микробиоты, состоящие из фруктоолигосахаридов и галактоолигосахаридов, ферментируемых кишечными бактериями в КЖК [45]. Так, Eubacterium rectale, Clostridium coccoides и Roseburia продуцируют бутират, который обеспечивает энергией синтез колоноцитов, участвует в продукции надэпителиального слоя слизи и поддержании иммунного гомеостаза [46].

Эти и другие свойства пре- и пробиотиков открывают новые возможности терапии синдрома ППК [47].

Полифенолы

Полифенолы – органические соединения, входящие в состав большинства растений, обладают антиоксидантными свойствами. В ряде экспериментальных работ показано, что полифенолы укрепляют целостность МЭС, увеличивают секрецию слизи и уменьшают проницаемость кишечного барьера. Так, берберин и куркумин участвуют в регуляции клаудинов, окклюдина и ZO-1 в клетках Caco-2 [48, 49]. Поэтому диета, богатая берберином и куркумином, может оказаться полезной при ожирении, СД 2 и других заболеваниях, ассоциированных с ППК.

Витамины

Витамины A и D укрепляют МЭС, повышая функции БПК ZO-1, окклюдина и клаудинов, улучшают состав микробиоты и функцию иммунной системы кишечника [50, 51].

Пищевые волокна и короткоцепочечные жирные кислоты

Bifidobacterium и Lactobacillus ферментируют ПВ и производят КЖК – бутират, пропионат, ацетат, а также подавляют рост патогенных бактерий. КЖК обеспечивают энергией целостность эпителиального слоя кишечника, регуляцию парацеллюлярной проницаемости и МЭС [52].

Бутират участвует в укреплении МЭС и может найти применение в лечении болезней кишечника [53], так как доказано его участие в регуляции экспрессии муцина бокаловидными клеткам СОК, модуляции хемотаксиса клеток иммунной системы [54].

Глютамин

Эта аминокислота имеет решающее значение в регуляции экспрессии БПК и обеспечении защиты от проникновения патогенов, аллергенов и токсинов. K. Balasubramanian и соавт. сообщили, что добавление глютамина уменьшает риск формирования фиброза кишки у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника [55]. J. Wang и соавт. установили, что глютамин в сочетании с пробиотиками уменьшает проницаемость СОК, снижает уровень кишечного эндотоксина, устраняет механическое повреждение кишечного барьера и уменьшает транслокацию кишечных бактерий [56].

Лекарственные препараты

Метформин

Недавно установлено, что метформин, используемый в качестве перорального средства лечения СД 2, укрепляет барьерную функцию кишечника, так как увеличивает экспрессию окклюдина и клаудина-1 [57, 58], а также синтез муцина бокаловидными клетками СОК [59, 60].

Ребамипид

Y. Yasuda-Onozawa и соавт. изучили в эксперименте влияние цитопротектора ребамипида на синтез муцина бокаловидными клетками СОК. Результаты показали, что ребамипид значительно увеличивает секрецию муцина, что подтвердило его цитопротективное влияние на ЖКТ [61]. В последующие годы цитопротективное влияние ребамипида на СОК подтверждено многими авторами [62], в том числе и нами [63], и нашло отражение в практических рекомендациях по его применению при заболеваниях, сопровождающихся нарушением барьерной функции ЖКТ [64].

Заключение

ППК приводит к попаданию токсичных веществ в кровь и дисфункции органов и систем. Терапия синдрома ППК должна включать:

а) уменьшение в диете продуктов, повышающих проницаемость кишечника, т.е. жиров и сахаров;

б) расширение рациона продуктами, укрепляющими эпителиальный барьер и иммунную систему кишечника. К ним относятся пробиотики, пребиотики, КЖК, глютамин, полифенолы, витамины и ПВ;

в) применение ребамипида, обладающего способностью укреплять барьерную функцию ЖКТ.

Изучение этого направления будет способствовать развитию новой стратегии лечения внутренних болезней.

Раскрытие интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The author declares that he has no competing interests.

Вклад авторов. Автор декларирует соответствие своего авторства международным критериям ICMJE.

Author’s contribution. The author declares the compliance of his authorship according to the international ICMJE criteria.

Источник финансирования. Автор декларирует отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The author declares that there is no external funding for the exploration and analysis work.

About the authors

Asfold I. Parfenov

Author for correspondence.
Email: asfold@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9782-4860

д-р мед. наук, проф., зав. отд. патологии кишечника

References

Supplementary files