Введение

Сердечно-сосудистые заболевания занимают лидирующие позиции в числе причин смертности населения по всему миру [1]. Вопреки усилиям, предпринимающимся для предотвращения их развития, разработке новых терапевтических стратегий лечения смертность остается на высоком уровне или даже увеличивается [2]. В последние годы в связи с развитием высокопроизводительного секвенирования все больше внимания уделяется изучению роли микробиоты кишечника в патогенезе большого спектра заболеваний: метаболических нарушений (ожирения, инсулинорезистентности, метаболического синдрома) [3], сердечно-сосудистых (атеросклероза, ишемической болезни сердца) [4, 5], онкологических [6] и др.

Микробиота кишечника и сердечно-сосудистые заболевания

Состав кишечной микробиоты, ее функциональная активность, роль в развитии и тяжести течения сердечно-сосудистых заболеваний изучается во всем мире.

Артериальная гипертензия и микробиота кишечника

Связь артериальной гипертензии (АГ) с состоянием кишечной микробиоты прослежена в целом ряде как экспериментальных, так и клинических исследований. Общей чертой экспериментальных моделей АГ (спонтанно-гипертензивные крысы с эссенциальной формой АГ, Dahl-чувствительные крысы и др.) является значительное снижение разнообразия микробиоты с повышением доли лактат-продуцирующих бактерий [7]. T. Yang и соавт. выявили повышение соотношения Firmicutes/Bacteroides, увеличение числа лактат-продуцирующих бактерий и снижение количества бактерий, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), у спонтанно-гипертензивных крыс по сравнению с нормотензивными [8].

Аналогичные результаты получены и в клинических исследованиях. J. Li и соавт. в 2017 г. обнаружили, что не только больные АГ, но и лица с «предгипертензией» отличаются от нормотензивных участников исследования обеднением видового состава микробиоты, снижением Bacteroidetes, Bifidobacterium, Roseburia и преобладанием бактерий Prevotella [9]. Причем микробиота кишечника больных с АГ и «предгипертензией» существенно не различалась. С АГ ассоциируется увеличение числа грамотрицательных бактерий: Klebsiella, Parabacteroides, Desulfovibrio и Prevotella [10].

Легочная артериальная гипертензия и микробиота кишечника

Интересное исследование представлено в журнале Hypertension в 2020 г. Оно посвящено профилю микробиома у больных таким редким заболеванием, как легочная артериальная гипертензия (ЛАГ) [11]. Наиболее весомым результатом этого исследования стало определение уникального профиля микробных сообществ кишечника у пациентов с ЛАГ, позволяющего с 83% точностью предсказать это заболевание. В когорте ЛАГ отмечалось снижение полезных, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты бактерий, таких как Coprococcus spp., Butyrivibrio, Lachnospiraceae, Eubacterium и Clostridia. Увеличилась доля бактерий, участвующих в синтезе аргинина, пролина, орнитина, а также триметиламин-N-оксида (ТМАО) по сравнению с микробиотой контрольной когорты.

Хроническая сердечная недостаточность и микробиота кишечника

Ряд исследований последних лет выявил связь между кишечным микробиомом и хронической сердечной недостаточностью (ХСН). E. Pasini и соавт. (2016 г.) выявили повышение количества патогенных микроорганизмов: Campylobacter, Salmonella, Yersinia enterocolitica у больных ХСН с нормальным индексом массы тела и без сахарного диабета (СД) по сравнению со здоровыми людьми. Кроме того, у больных ХСН выявлены признаки повышенной проницаемости кишечной стенки, оцениваемой при помощи теста с дисахаридом целлобиозой [12]. В исследовании, выполненном китайскими учеными, число Ruminococcus, Acinetobacter и Veillonella было больше у больных с ХСН, в то время как Alistipes, Faecalibacterium и Oscillibacter — меньше [13]. В дальнейшем исследователи выявили у пациентов группы ХСН увеличение штаммов микроорганизмов, участвующих в синтезе липополисахаридов, триптофана и триметиламин-N-оксида (ТМАО).

Атеросклероз и микробиота кишечника

Атеросклероз — многофакторное заболевание, характеризующееся формированием бляшек в стенках сосудов в результате сочетанных метаболических нарушений, воспаления, уменьшения содержания эластичных волокон и истончения стенок артерий. Показано, что атеросклеротические бляшки имеют собственное микробное микроокружение, такое как Streptococcus, Pseudomonas, Klebsiella, Veillonella spp. и Chlamydia pneumoniae [14]. Однако в большинстве исследований не смогли найти взаимосвязь между отдельными группами бактерий, степенью поражений сосудов и осложнениями течения атеросклероза. В то же время высказано предположение, что кишечная микробиота может определять склонность сосудистых стенок к формированию атеросклеротических бляшек [15]. Клинические исследования выявили преобладание Collinsella genus, Enterobacteriaceae, Streptococcaceae, Klebsiella spp. и снижение количества бактерий, продуцирующих короткоцепочечные летучие жирные кислоты (КЛЖК) (Eubacterium, Roseburia, Ruminococcaceae spp.) у больных с установленным атеросклерозом по сравнению со здоровыми людьми [16].

Биомаркеры микробиоты кишечника

Отдельная и наиболее значительная роль отведена метаболитам, которые образуются в результате ферментативной активности микробиоты кишечника и проявляют системные эффекты. К основным маркерам метаболической активности микробиоты, оказывающим влияние на сердечно-сосудистую систему, относятся триметиламин (ТМА), КЦЖК.

Нарушение кишечного гомеостаза (дисбиоз) может происходить под воздействием внешних факторов (стрессы, инфекции, прием лекарственных препаратов, пищевые привычки и др.). Экспериментальные и клинические исследования показали, что увеличение L-карнитина, холина в рационе питания вызывает повышение образования ТМА в кишечнике бактериями рода Prevotella [17]. ТМА затем подвергается окислению в печени с образованием ТМАО, который в свою очередь способствует накоплению холестерина в макрофагах, образованию пенистых клеток и формированию атеросклеротических бляшек [18]. ТМАО повышает образование провоспалительных цитокинов (TNF-α, ИЛ-1β) и уменьшает уровень противовоспалительных цитокинов (ИЛ-10) [19].

Изменения в составе кишечной микробиоты могут приводить к нарушению целостности кишечного эпителия («leaky gut»). Целостность кишечного барьера препятствует проникновению бактериальных компонентов и токсинов в кровь, предупреждая развитие «системного воспаления». Наиболее известными эндотоксинами являются липополисахариды (ЛПС), локализованные на внешней мембране грамотрицательных бактерий, включая Klebsiella, Parabacteroides, Desulfovibrio и Prevotella [20]. Проникновение ЛПС в циркуляторное русло приводит к усиленной выработке провоспалительных цитокинов (TNF-α, ИЛ-1, ИЛ-6) и метаболическим нарушениям. Введение ЛПС в дозе 300 мкг на 1 кг массы тела в день в течение четырех недель у мышей приводило к ожирению, повышению в 2—3 раза уровней глюкозы и инсулина в крови по отношению к показателям у животных контрольной группы. Следующее экспериментальное исследование показало, что применение ЛПС у крыс в дозе 10 мг на 1 кг массы тела увеличивает частоту сердечных сокращений, ослабляет чувствительность барорецепторного рефлекса, усиливает экспрессию белков Toll-подобных рецепторов и TNF-α в паравентрикулярном ядре гипоталамуса, играющих ключевую роль в регуляции уровня артериального давления (АД) [21].

Одним из возможных механизмов изменения проницаемости кишечной стенки является снижение экспрессии основных трансмембранных белков ZO-1, окклюдина, клаудина-1 в зоне плотных контактов, регулирующих параклеточный транспорт. M. Santisteban и соавт. показали, что у гипертензивных крыс снижен уровень экспрессии межклеточных белков плотных контактов, уровень которых восстанавливался после трансплантации фекальной микробиоты от контрольных животных [22].

Перспективным является направление модуляции микробиоты кишечника в сторону образования «полезных» метаболитов, поддерживающих целостность кишечного эпителиального барьера, нейтрализующих выработку эндотоксинов. К этой группе относятся КЛЖК. КЛЖК с длиной цепи до 6 атомов углерода, которые представляют собой конечные продукты ферментации пищевых волокон, резистентных крахмалов, не подвергающихся перевариванию в верхних отделах желудочно-кишечного тракта. В основном в просвете толстого кишечника (95%) образуются уксусная, пропионовая и масляная кислоты в соотношении 60:23:17 [23] (рис. 1). Пропионат и ацетат в основном всасываются в кишечнике и попадают в циркуляторное русло, в то время как бутират служит энергетическим субстратом для энтероцитов и поддерживает целостность кишечного барьера. КЦЖК являются сигнальными молекулами, выступая в качестве лигандов для нескольких рецепторов, связанных с G-белком (G-protein coupled receptors), включая GPR41 (также известный как FFAR3), GPR43 (также известный как FFAR2), оказывая сосудорасширяющее действие и снижая уровень АД [24, 25].

Рис. 1. Биомаркеры микробиоты кишечника при сердечно-сосудистых заболеваниях [25].

Молекулярный водород как биомаркер антиоксидантной активности микробиоты

В последние годы стало понятно, что при ферментации пищевых волокон образуются не только КЦЖК, но и выделяются большие количества молекулярного водорода (см. рис. 1), оказывающего антиоксидантное действие. Результаты первого исследования, продемонстрировавшего терапевтические возможности молекулярного водорода, опубликованы под руководством S. Ohta в 2007 г. [26]. Ингаляционное применение водорода в концентрации 2% статистически значимо обеспечивало нейропротекторный эффект на экспериментальной модели ишемии-реперфузии. Последующие фундаментальные исследования показали защитное действие вводимого экзогенного водорода в виде насыщенной водородом воды или ингаляции в модельных опытах на животных, клеточных культурах в условиях окислительного стресса. Показано антиатеросклеротическое действие молекулярного водорода в опытах на мышах [27, 28], замедление развития хронической сердечной недостаточности у крыс [29]. Отмечены кардиопротективное действие на модели ишемии/реперфузии миокарда у крыс [30] и антистрессорный эффект высоких концентраций водорода в опытах на мышах [31]. Клинические испытания антиоксидантных свойств молекулярного водорода в основном подтвердили результаты ранее выполненных фундаментальных исследований на животных [32, 33].

Молекула водорода, имея малый размер 2 Да, способна легко диффундировать через мембраны клеток, достигая внутриклеточных структур (митохондрии, ядро). Особенностью антиоксидантного действия молекулы водорода является способность селективно нейтрализовать наиболее сильные окислители — ионы OH^– и OONO^– [26], а также активировать эндогенную антиоксидантную систему за счет усиления Nrf2-зависимых сигнальных путей. Молекулярный водород способен проявлять противовоспалительные свойства, подавляя экспрессию генов провоспалительных цитокинов (ИЛ-1β, ИЛ-6, TNF-α и др.) [34].

Основной источник образования молекулярного водорода — анаэробная бактериальная ферментация пищевых волокон (поли-, олиго- и моносахаридов) в толстом кишечнике (рис. 2). В процессе ферментации восстановленные НАДФ и ферредоксин повторно окисляются при помощи тримерных гидрогеназ для поддержания окислительно-восстановительного баланса с образованием H₂ (путь 1); образованный пируват окисляется до ацетил-КоА при помощи пируват:ферредоксин-оксидоредуктазы до восстановленного ферредоксина и снова окисляется гидрогеназами с образованием H₂ (путь 2); образованный формиат метаболизируется до H₂ и CO₂, захватывающиеся сульфат-редуцирующимися и метаногенными бактериями с образованием H₂S и CH₄, соответственно (путь 3) [35, 36].

Рис. 2. Основные метаболические пути образования газов (водорода, метана, сероводорода) в кишечнике [36].

В работах in vitro показано, что к водород-генерирующим бактериям относятся бактерии родов Roseburia [37], Ruminococcus [38], видов Blautia coccoides, Clostridium leptum, Escherihia coli, Bacteroides fragilis [39]. In vivo подтверждена водород-образующая способность у бактерий из семейств Lachnospiraceae, Ruminococcaceae; Eubacteriaceae класса Clostridia [40, 41]; класса Bacteroidia [38]; семейства Enterobacteriaceae класса γ-proteobacteria [42].

Образование и утилизация водорода — сложный процесс, регулирующийся в основном тремя механизмами. Первый — возрастание парциального давления водорода в кишке термодинамически тормозит скорость ферментации. Второй — баланс содержания водорода зависит как от скорости всасывания в кровь с последующим выделением через легкие, так и с объемом газа, выделяемым через анус. Третий — три основных группы гидрогенотрофных (утилизирующих водород) микроорганизмов потребляют водород как субстрат при синтезе уксусной кислоты, метана (метаногенные Археи) и сероводорода (сульфат-редуцирующие бактерии) [43].

Работы конца прошлого столетия заложили основу наших знаний об основных параметрах генерации водорода микробиотой толстого кишечника и возможности оценки этого процесса на основании динамики содержания его в выдыхаемом воздухе [44—46]. Несмотря на то, что количество водорода в выдыхаемом воздухе значительно ниже образованного в просвете кишечника, ряд исследователей подтвердили тесную корреляцию между образуемым водородом в кишечнике и измеренным в выдыхаемом воздухе [47, 48]. Измерение концентрации водорода в выдыхаемом воздухе (дыхательный тест) широко используется для оценки ферментативной активности микробиоты.

Диетологические и фармакологические факторы, ведущие к увеличению генерации водорода микробиотой кишечника

Пищевые волокна. Пищевые волокна представляют собой высокомолекулярные полисахариды, не перевариваемые и не всасывающиеся в тонком кишечнике. К этой группе веществ относятся устойчивые крахмалы, полисахариды некрахмального строения, (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины), неперевариваемые олигосахариды (фрукто- и галактоолигосахариды). Полезные эффекты пищевых волокон связывают с их способностью стимулировать рост бутират-продуцирующих бактерий: Roseburia, Eubacterium rectale, Faecalibacterium prausnitzii, а также увеличению продукции водорода [48]. Рационы с низким содержанием неперевариваемых углеводов связаны с дисбиотическим фенотипом [49].

Жировые продукты. Установлено, что присутствие в рационе питания ненасыщенных жирных кислот (олеиновой, линолевой, линоленовой) препятствует развитию окислительного стресса и снижает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний [50]. Возможно, антиоксидантный эффект отчасти обусловлен повышенной продукцией эндогенного водорода. В нашем исследовании присутствие в рационе у крыс растительных ненасыщенных жиров в течение 18 нед способствовало увеличению продукции водорода относительно контрольной группы в 2,25 раза [51].

Ингибиторы альфа-глюкозидазы. Препараты группы ингибиторов альфа-глюкозидазы предположительно способны эффективно повышать выработку эндогенного молекулярного водорода. Прием препарата акарбоза в дозе 300 мг/день увеличивал уровень водорода в выдыхаемом воздухе у здоровых добровольцев [52].

Метаанализ данных пациентов с сахарным диабетом 2-го типа, длительно принимавших акарбозу (не менее 52 нед), показал защитный эффект против сердечно-сосудистых заболеваний, что может свидетельствовать о наличии у этой группы лекарственных средств дополнительного положительного фармакотерапевтического эффекта [53].

Статины. Methanobrevibacter Smithii, относящиеся к семейству Euryarchaeota домена Archaea, представляют собой наиболее многочисленный вид метаногенов в кишечнике человека. Количество их в стуле может достигать 10⁹ КОЕ/г [54, 55].

Согласно представлениям A. Strocchi и M. Levitt, образование водорода является термодинамически равновесным процессом, который определяется скоростью образования водорода гидрогенами и скоростью утилизации водорода другими типами микроорганизмов (гидрогенотрофами) [45]. Образование метана метаногенами происходит с участием других газов, в том числе и водорода: CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O.

Показано, что симвастатин, ловастатин, имеющие в структуре лактоновое кольцо, блокируют образование главного структурного компонента клеточной стенки метанпродуцирующих архей [56]. Предположительно подавление образования метаногенных архей при приеме этой группы гиполипидемических препаратов может способствовать увеличению образования водорода в просвете кишечника, подавлять реакции окислительного стресса в организме, тем самым обеспечивая дополнительные фармакотерапевтические эффекты.

Заключение

Результаты недавних исследований свидетельствуют о важной роли микробиоты кишечника в регуляции сердечно-сосудистой системы в норме и при развитии патологии. Наибольшее значение имеет образование микробиотой таких биомаркеров, как триметиламин, триметиламин-N-оксид. Эти вещества могут оказывать провоспалительное действие и участвовать в нарушении функции эндотелия, вызывать развитие легочной и артериальной гипертензии, сердечной недостаточности. Короткоцепочечные жирные кислоты, молекулярный водород, усиливая иммунитет, сохраняя барьерную функцию кишечника и обладая антиооксидантным действием, могут быть кардиопротекторами, предупреждая развитие сердечно-сосудистых заболеваний. Персонифицированный подход к использованию экзогенного и эндогенного микробиотического водорода может служить дополнительным инструментом для профилактики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.