Значение малобелковой диеты и препаратов кетоаналогов незаменимых аминокислот в контроле над карбамилированием белков и токсическими эффектами мочевины при хронической болезни почек

Полный текст

Введение

Хроническая болезнь почек (ХБП) характеризуется высокой смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний, которая не может быть полностью объяснена только традиционными (сахарный диабет, курение, дислипидемия и артериальная гипертония) факторами риска [1].

Нетрадиционные уремические факторы риска сосудистой дисфункции и кальцификации включают хронический окислительный стресс, воспаление, гиперфосфатемию, дисбаланс паратиреоидного гормона и витамина D, анемию, дефицит эндогенных ингибиторов кальцификации, развитие уремического синдрома.

Уремический синдром представляет сложную клиническую картину, вызывая множество осложнений и высокую раннюю смертность. Эта картина в значительной степени определяется задержкой метаболитов и пептидов, которые при сохранной функции выводятся почками. Поскольку эти растворенные вещества оказывают негативное биологическое/биохимическое воздействие, их называют уремическими токсинами. Существуют несколько классификаций уремических токсинов. Чаще всего используют классификацию, основанную на физико-химических характеристиках: низкомолекулярные – к ним относятся мочевина, фосфаты и другие, связанные с белками – п-крезол и индоксилсульфат, и средние молекулы (пептидные соединения). При их накоплении развиваются метаболические нарушения, участвующие в формировании воспаления [2, 3] и атеросклероза [4]. По мере прогрессирования ХБП происходит постоянное накопление уремических токсинов, которые могут играть важную роль в формировании сосудистой дисфункции и ускоренном прогрессировании атеросклероза [5–7].

Известно, что именно уремические токсины способствуют прогрессированию сердечно-сосудистых заболеваний при ХБП, формируя нетрадиционные факторы риска, которые включают развитие хронического воспаления, оксидативного стресса, белково-энергетической недостаточности, нарушений костно-минерального обмена и дефицита ингибиторов эндогенной кальцификации [2–4].

Мочевина (молекулярная масса 60 Да) является конечным низкомолекулярным продуктом метаболизма белков и аминокислот, хорошо зарекомендовавшим себя в качестве суррогатного маркера при оценке функции почек, потребления белка и адекватности диализа [5]. При этом было много споров о том, действительно ли мочевина обладает патогенной активностью. Результаты проведенных ранее исследований, посвященных эффектам острой инфузии мочевины, продемонстрировали высокий уровень переносимости мочевины при достижении ее концентраций в 8–10 раз выше нормальных значений.

Первые эксперименты по изучению влияния острой инфузии мочевины животным выполнены Вокленом и Сегаласом (1822 г.), а затем Трейтцем (1859 г.) и Суардом (1870 г.) [6]. Авторы не выявили никакой токсичности, поскольку применялись низкие дозы мочевины у животных с сохранной функцией почек.

В 1970-х годах W. Johnson и соавт. [7] добавляли мочевину в диализат у 3 пациентов, находящихся на хроническом гемодиализе, и пришли к выводу, что концентрации в крови ниже 140 мг/дл нетоксичны. Когда уровень мочевины в сыворотке быстро увеличивался выше 170 мг/дл, появлялись легкие симптомы интоксикации, такие как головная боль и вялость; умеренная симптоматика наблюдалась при концентрациях мочевины выше 280 мг/дл [8], соответствующих значениям, в 10 раз превышающим нормальные уровни.

Результаты клинических исследований, посвященных изучению адекватности диализа в терминальной стадии ХБП, также интерпретировались в качестве косвенных доказательств отсутствия токсичности мочевины [8, 9].

В последние годы появляется все больше публикаций, посвященных изучению токсических эффектов мочевины in vitro и in vivo и их повреждающего влияния на органы и ткани с последующим развитием токсико-уремических осложнений ХБП [10]. Результаты таких исследований демонстрируют как прямую, так и косвенную токсичность мочевины, которая, вероятно, способствует развитию фенотипа преждевременного старения, распространенного при ХБП.

Мочевина вызывает развитие апоптоза гладкомышечных клеток сосудов, а также эндотелиальную дисфункцию, что напрямую способствует развитию сердечно-сосудистых осложнений (ССО). Кроме того, мочевина стимулирует оксидативный стресс и дисфункцию адипоцитов, что вносит вклад в патогенез инсулинорезистентности (ИР).

Наконец, изучены широко распространенные опосредованные эффекты повышенного содержания мочевины, связанные с реакциями карбамилирования, когда изоциановая кислота (продукт катаболизма мочевины) изменяет структуру и функцию белков в организме. Карбамилирование белков у пациентов с ХБП связано с процессами фиброза в почках, атеросклерозом и анемией.

Повышенные уровни мочевины в концентрациях, обычно встречающихся у пациентов с уремией, нарушают целостность эпителиального барьера кишечника, что приводит к транслокации бактериальных токсинов в кровоток и усугублению системного воспаления.

Таким образом, мочевина сегодня рассматривается в качестве важного негативного агента в патогенезе осложнений ХБП. Исследования, посвященные изучению малобелковой диеты (МБД) с назначением препаратов кетоаналогов незаменимых аминокислот в целях минимизации накопления мочевины и других уремических токсинов, демонстрируют клиническую пользу такого вмешательства в плане замедления прогрессирования ХБП и развития ССО.

Мочевина – «новый» уремический токсин

Сегодня накоплены многочисленные данные о повреждающем действии мочевины у пациентов с ХБП. По мнению нефрологов, в настоящее время следует отказаться от представления о том, что мочевина безвредна и является только биомаркером функции почек; скорее это полноценный уремический токсин с множеством патофизиологических ролей, который способствует формированию фенотипа ускоренного старения, наблюдаемого при ХБП [10].

В настоящее время хорошо изучены прямые токсические эффекты мочевины, связанные со способностью индуцировать развитие системного воспаления, кальцификации сосудов, дисфункции адипоцитов с развитием ИР, апоптоза гладкомышечных клеток сосудов, эндотелиальной дисфункции, нарушения барьерной функции кишечника и состава микробиоты кишечника с последующим повышением образования уремических токсинов и их транслокации в кровоток (рис. 1) [11–14].

 

 

Примечание. Сердечно-сосудистая система: повышенный уровень мочевины вызывает апоптоз гладкомышечных клеток сосудов, что может способствовать кальцификации сосудов. Мочевина также стимулирует выработку активных форм кислорода эндотелиальными клетками, что приводит к эндотелиальной дисфункции. Карбамилирование ЛПНП снижает их распознавание рецепторами ЛПНП, но увеличивает захват рецепторами макрофагов-скавенджеров класса A, ускоряя развитие атеросклероза.

Почки: установлено, что карбамилированный альбумин вызывает интерстициальный фиброз.

ЖКТ (желудочно-кишечный тракт): диффузия мочевины в просвет кишечника вызывает разрушение плотных контактов эпителия за счет продукции гидроксида аммония и способствует возникновению местного воспаления. Мочевина и другие метаболические токсины, а также диета с низким содержанием клетчатки при ХБП изменяют микробиом кишечника, уменьшая пул полезных бактерий и увеличивая колонии патогенных бактерий, продуцирующих уремические токсины, такие как индоксилсульфат. Бактериальные фрагменты и уремические токсины перемещаются через порозную стенку кишечника в кровоток, вызывая системное воспаление.

Кровь: карбамилирование эритропоэтина снижает его возможность стимулировать продукцию эритроцитов, способствуя развитию анемии при ХБП.

Эндокринная система: мочевина вызывает продукцию активных форм кислорода в адипоцитах и участвует в развитии ИР.

Рис. 1. Токсические эффекты мочевины в различных системах органов: прямые (белые прямоугольники) и опосредованные (затемненные прямоугольники).

Fig. 1. Toxic effects of urea in various organ systems: direct (white rectangles) and indirect (shaded rectangles).

 

Недавние исследования продемонстрировали прямую токсичность мочевины в отношении гладкомышечных клеток сосудов и эндотелиальных клеток. Экспозиция культуры гладкомышечных клеток аорты человека с 20 мМ (56 мг/дл) мочевины индуцирует экспрессию BAD (B-клеточная лимфома 2 – BCL2 – ассоциированный промоутер смерти), проапоптотического члена семейства BCL2 [14]. Совместное воздействие на клетки мочевины и 7-кетохолестерина, продукта окисления холестерина, обладающего высокой проапоптотической активностью, приводило к дальнейшему увеличению патологической вакуолизации и апоптоза [15]. Таким образом, опосредованная мочевиной сенсибилизация клеток к проапоптотическим воздействиям окислительного стресса, вызванного, например, окисленным холестерином, может способствовать развитию апоптоза, наблюдаемого в артериальной стенке у пациентов с ХБП [16].

Апоптоз, в свою очередь, связан с кальцинозом медии, последующим снижением эластичности артерий и развитием артериальной гипертензии и сердечной недостаточности [4].

Эндотелиальная дисфункция – независимый предиктор последующих ССО – появляется на ранних стадиях ХБП. У пациентов с нарушением эндотелийзависимой вазодилатации определяются повышение уровней диеновых конъюгатов и гидропероксида липидов, снижение общей антиоксидантной активности сыворотки по сравнению с контрольной группой [17].

Кроме того, мочевина может проявлять непрямую токсичность через реакции карбамилирования, которые изменяют функцию ферментов, гормонов и других белков (см. рис. 1) [18, 19].

Мочевина в организме самопроизвольно диссоциирует на ионы аммония и цианат [18], который быстро превращается в изоциановую кислоту, являющуюся реактивным электрофилом с высоким сродством к нуклеофильным группам, таким как первичные амины (рис. 2) [20]. Физиологическая концентрация изоциановой кислоты у человека составляет около 45 нмоль/л. У пациентов на поздних стадиях ХБП ее уровень может достигать 140 нмоль/л [20]. Карбамилирование белков изменяет их заряд, тем самым влияя на их структуру и функции. Этот процесс является частью нормального старения молекул белков у млекопитающих и ассоциирован с формированием катаракты [21] и снижением активности гормонов эритропоэтина [22] и инсулина [23].

 

 

Рис. 2. Реакции карбамилирования, развивающиеся у пациентов с ХБП [20].

Fig. 2. Carbamylation reactions in patients with chronic kidney disease [20].

 

Многочисленные исследования in vitro и in vivo (экспериментальные и клинические) показывают, что карбамилирование может индуцировать развитие атеросклероза, кальцификации и тромбоза сосудов посредством модификации липопротеинов [24], коллагена [25], фибрина [26], митохондриальных белков [27], протеогликанов и фибронектина [28].

Накапливаются данные о влиянии карбамилирования на риск развития ССО и смерти. В исследованиях с участием 1000 человек без ХБП, перенесших стентирование коронарных артерий, повышенный уровень гомоцитруллина (маркера карбамилирования белков плазмы) являлся независимым предиктором высокого риска развития ишемической болезни сердца, инфаркта миокарда, инсульта и смерти [25–29]. Карбамилирование белков плазмы является признаком старения белков, и, соответственно, тканей организма. Усиление процессов карбамилирования приводит к преждевременному старению организма [30]. Так же уровень карбамилированного альбумина плазмы связан с повышенным риском смерти у 187 пациентов в исследовании ArMORR (Accelerated Mortality on Renal Replacement) и у 1161 пациента с ТХБП и сахарным диабетом из когорты 4D [31, 32]. A. Berg и соавт. (2013 г.) показали, что уровни карбамилированного сывороточного альбумина коррелировали с усредненными по времени концентрациями мочевины в крови и считались более надежным предиктором летальности в течение первого года после начала программного гемодиализа, чем Kt/V или коэффициент снижения мочевины [32].

В 2013 г. 2 группы исследователей независимо и одновременно сообщили о связи между риском смерти от любых причин и повышенным уровнем карбамилирования белков у пациентов, находящихся на гемодиализе. Примечательно, что исследовательские группы были полностью независимыми, использовали разные показатели нагрузки карбамилирования (карбамилированный альбумин и связанный с белком гомоцитруллин) и изучили в общей сложности 3 отдельных когорты пациентов на гемодиализе (получавших острый диализ, хронический диализ и диализные пациенты с сахарным диабетом). Даже после корректировки соответствующих ковариант в каждой из этих когорт нагрузка карбамилирования оказалась независимым фактором риска смерти в период наблюдения от 1 до 5 лет [32, 33].

Мочевина легко диффундирует через мембраны благодаря небольшому размеру молекул и хорошему распределению в водной среде организма. Учитывая ее повсеместное распространение во всех тканях, потенциальные результирующие эффекты воздействия мочевины касаются многих органов. Распространенность карбамилирования белков в различных системах органов продемонстрирована на моделях мышей с ХБП и без [34]. Уровни карбамилирования определялись в различных тканях, включая аорту, почки, кости, кожу, печень и сердце. По сравнению с контрольными мышами, у нефрэктомированных мышей отмечалось 2-кратное увеличение степени карбамилирования в течение 20 нед во всех упомянутых тканях [34].

Фиброз почек может быть частично обусловлен карбамилированием в мезангиальных клетках почек. Внутрибрюшинное введение карбамилированного альбумина в условиях эксперимента вызывает развитие перитубулярного фиброза почек путем индукции NF-kB, трансформирующего фактора роста β (TGF-β), эпидермального фактора роста (EGF) и эндотелина-1 канальцевыми клетками [35].

Атеросклероз усиливается в присутствии карбамилированных липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), которые индуцируют апоптоз эндотелиальных клеток; карбамилирование ЛПНП снижает их распознавание рецептором ЛПНП, но увеличивает захват рецепторами макрофагов-скавенджеров класса А [36–38]. Карбамилированные ЛПНП также увеличивают адгезию моноцитов эндотелиальными клетками и индуцируют пролиферацию гладкомышечных клеток сосудов [37]. E. Apostolov и соавт. (2007 г.) обнаружили повышение карбамилированных ЛПНП сыворотки у пациентов с ТХБП более чем в 3 раза по сравнению с контрольной группой [38], а позже продемонстрировали, что пероральное введение мочевины мышам с ХБП в 8 раз повышает уровни карбамилированных ЛПНП плазмы и ускоряет развитие атеросклероза [18].

Карбамилирование связано с изменением функции эритропоэтина и может служить фактором развития анемии при ХБП [39]. В проспективном когортном исследовании 158 гемодиализных пациентов установлено, что повышенный уровень карбамилированного сывороточного альбумина (расценивавшегося как суррогатный маркер общей степени карбамилирования белков) являлся предиктором резистентности к эритропоэтину и годовой смертности [39].

Наконец, недавние наблюдательные исследования установили, что увеличение карбамилирования белков у пациентов с ТХБП связано с аминокислотной недостаточностью [40]. Пациенты с ТХБП на гемодиализе подвержены риску дефицита аминокислот вследствие развития белково-энергетической недостаточности и повышенного катаболизма [41]. Высказано предположение, что, поскольку цианат имеет большее сродство к α-аминогруппам свободных аминокислот, чем к боковым цепям лизина в белках, свободные аминокислоты конкурируют за связывание цианата и таким образом расходуются как естественная защита от карбамилирования белков [40, 42].

Роль антиуремических эффектов МБД и кетоаналогов аминокислот в замедлении прогрессирования ХБП и предупреждении развития ССО

Уремические факторы риска прогрессирования ХБП и развития ССО тесно связаны с функционированием оси «почки–кишечник». Опубликованные данные исследований показали, что высокие уровни мочевины у пациентов с ХБП вызывают нарушения проницаемости кишечного барьера и состава кишечной микробиоты [43]. Микробиота кишечника выполняет важную функцию в сохранении кишечного барьера посредством образования слизи, антимикробных пептидов и продукции иммуноглобулинов A, которые, в свою очередь, способствуют поддержанию микробиоты в просвете кишечника и за пределами эпителиальных клеток кишечника. Субклиническая эндотоксемия – потенциальная причина воспаления при ХБП. Измененный иммунный ответ и выработка провоспалительных цитокинов на уровне кишечника могут ускорить прогрессирование почечной недостаточности и ССО [44, 45].

Мочевина легко распределяется в кишечной жидкости, где она гидролизуется бактериальными уреазами, превращаясь в гидроксид аммония, который увеличивает pH пищевого хумуса (комка) с последующим изменением межклеточного соединения кишечного эпителия [46, 47]. Кроме того, высокие уровни мочевины вызывают изменения кишечной микробиоты, способствуя повышению протеолиза с образованием и абсорбцией уремических токсинов, таких как индоксилсульфат и п-крезолсульфат [48]. Эти растворенные вещества связанны с белком и имеют низкий диализный клиренс (36% для индоксилсульфата и 31% для пара-крезолсульфата).

К. Andersen и соавт. (2017 г.) показали в экспериментах на мышах, что дисбиоз, вызванный хроническим воспалением, которое связано с ХБП, распространяется через межклеточные пространства кишечника с попаданием бактерий в печень и повышенным высвобождением эндотоксинов [47]. Авторы продемонстрировали повышение уровней сывороточного пентраксина-2/сывороточного амилоида P (эквивалент человеческого пентраксина-1/C-реактивного белка) у мышей с дисбиозом.

В систематическом обзоре R. Vanholder и соавт. (2014 г.) показали, что индоксилсульфат повреждает клетки эндотелия, гепатоциты, миоциты, клетки проксимальных канальцев почек и кишечника, тогда как п-крезол сульфат повреждает лейкоциты, адипоциты, клетки проксимальных канальцев почек, кишечника и миоциты. В связи с повышением уровней индоксилсульфата и п-крезол сульфата происходят соответствующие патофизиологические изменения, такие как выработка активных форм кислорода, нарушения взаимодействий между лейкоцитами и эндотелием, активация клеточной пролиферации и старения, гипертрофия миоцитов, фиброз сердца, воспаление, окислительный стресс, продукция цитокинов, экспрессия воспалительных генов, активация ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, повреждение почечных канальцев, ИР, снижение липогенеза и активация липолиза [48]. В нескольких исследованиях описаны патогенетические пути влияния индоксилсульфата и п-крезолсульфата на прогрессирование ХБП и развитие ССО [49, 50].

Таким образом замыкается порочный круг уремической интоксикации по оси «почки-кишечник».

Исходя из положения, что многие уремические токсины образуются в результате деградации пищевых аминокислот кишечной микробиотой и ускоряют прогрессирование ХБП и развитие ССО, можно ожидать, что снижение потребления белка поможет сохранить функцию почек и уменьшить токсическую нагрузку.

Итальянские нефрологи были в числе первых, кто доказал эффективность строгой МБД (СМБД) с назначением препаратов кетоаналогов незаменимых аминокислот и высоким содержанием клетчатки в снижении уровня индоксилсульфата на 35% [49, 50]. Под СМБД подразумевалась вегетарианская диета без белков животного происхождения с потреблением 0,3 г белка на 1 кг массы тела в день растительного происхождения и назначением препарата кетоаналогов незаменимых аминокислот в дозе 0,1 г на 5 кг массы тела в сутки (Кетостерил®) с потреблением 30–35 ккал/кг массы тела в сутки [51]. Следует отметить, что дисбиоз кишечной микробиоты при ХБП также связан с высокими уровнями мочевины, которая вызывает развитие энтероколитов за счет образования гидроксида аммония в результате разложения мочевины и гидроксилирования ионов аммония под влиянием кишечной бактериальной уреазы.

Назначение СМБД способно эффективно уменьшать уровень мочевины у пациентов с ХБП, у многих даже до нормальных значений, несмотря на снижение остаточной функции почек менее 15 мл/мин [52–54]. Параллельно со снижением уровней мочевины применение СМБД позволяет уменьшить накопление токсичных продуктов карбамилирования. Проспективное рандомизированное перекрестное контролируемое исследование показало, что снижение уровня мочевины у 60 пациентов с ХБП вызывает значительное снижение цианата [54]. Отмечалась также прямая достоверная корреляция между уровнями мочевины и гомоцитруллина. При этом применение CМБД оказалось более эффективным, чем средиземноморская диета в отношении снижения уровня мочевины и, соответственно, цианатов [55].

Применение СМБД с большим количеством овощей и фруктов, обеспечивая снижение уровня мочевины с одновременным адекватным снабжением клетчаткой, способствует созданию и долгосрочному поддержанию физиологической микробиоты кишечника [53].

Данные исследования MEDIKA (Renal Effects of Mediterranean Diet and Very Low-protein Diet With Ketoacids VLPD on Physiological Intestinal Mibrobiota in CKD) показали, что СМБД значительно снижает уровень индоксилсульфата на 72% (от 0,46±0,12 до 0,13±0,05 мкг/мл, p=0,002) и п-крезолсульфата на 51% (p<0001) [55].

Применение CМБД в сочетании с препаратами кето- аналогов незаменимых аминокислот позволяет эффективно контролировать уровень мочевины в плазме, обеспечивает рециркуляцию азота мочевины для преобразования кето- аналогов в соответствующие незаменимые аминокислоты. Такой вариант диетотерапии представляется сегодня обязательным компонентом лечения ХБП, обеспечивающим снижение уровня мочевины и восстановление физиологической микробиоты кишечника.

Также на основании результатов многочисленных наблюдений сегодня не вызывают сомнений эффективность МБД и препаратов кетоаналогов незаменимых аминокислот (Кетостерил®) в коррекции метаболических нарушений и их роль в замедлении прогрессирования ХБП и развития ССО [56].

Принятые в 2020 г. обновленные Клинические рекомендации по питанию для пациентов с ХБП KDOQI предписывают назначение МБД для снижения риска ТХБП/смерти c самой высокой степенью доказательности и убедительности – 1A [57].

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests. The author declare no conflict of interest.

Список сокращений

ИР – инсулинорезистентность

ЛПНП – липопротеины низкой плотности

МБД – малобелковая диета

СМБД – строгая малобелковая диета

ССО – сердечно-сосудистые осложнения

ТХБП – терминальная хроническая болезнь почек

ХБП – хроническая болезнь почек

Об авторах

Наталья Алексеевна Михайлова

ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: natmikhailova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5819-4360

канд. мед. наук, доц., доц. каф. нефрологии и гемодиализа

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы