Введение

Одной из доминирующих характеристик воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК) является их мультисистемность, т.е. вовлечение в иммуновоспалительный процесс не только кишечника, но и органов, не относящихся к пищеварительной системе [1, 2]. Внекишечные проявления (ВКП), согласно данным Европейской организации по изучению болезни Крона (БК) и язвенного колита (ЯК) (ECCO), определяются как патологические состояния, развивающиеся за пределами желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) при ВЗК. Патогенез ВКП либо зависит от экспансии иммунных реакций, либо является независимым воспалительным событием, индуцированным ВЗК, либо предполагает наличие общей предрасположенности, определяемой факторами окружающей среды и наследственностью [3]. Публикации ряда авторов и данные Северо-Западного регистра пациентов с ВЗК свидетельствуют о том, что ВКП могут встречаться у 50—60% лиц [4—6].

На сегодняшний день с учетом отсутствия однозначного понимания механизмов развития ВКП последние принято рассматривать в аспекте мультифакториальной природы [3,7]. В связи с этим необходимо учитывать роль кишечного микробиома [3, 8, 9], включая феномен молекулярной мимикрии [10] и транслокацию микроорганизмов в системный кровоток [7], повышенную продукцию микробных факторов (липополисахаридов и других провоспалительных молекул) [1]. Возрастает понимание важности в патогенезе ВКП измененного кишечного метаболома (включая короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), желчные кислоты, аминокислоты и т.д.) [11—14], который, в свою очередь, поддерживает кишечный гомеостаз и регулирует системный иммунный ответ [14].

Изучение метаболомного профиля у пациентов с ВЗК представляет собой актуальную область исследований, что подтверждается имеющимися систематическими обзорами [15—17] и метаанализами [18, 19]. В систематическом обзоре и метаанализе X. Zhuang и соавт., включившем 12 исследований, представлена оценка концентрации КЦЖК у пациентов с БК и ЯК на основе стандартизированной разницы средних величин с 95% доверительным интервалом (ДИ). Авторы подчеркивают неоднозначность полученных данных, необходимость дальнейших исследований, а также указывают на потенциальную роль КЦЖК в терапии пациентов этой группы [18].

В будущих исследованиях результаты, полученные с помощью нецелевой метаболомики, а также точные механизмы метаболических изменений при ВЗК должны быть подтверждены и уточнены с помощью методов целевой метаболомики [20] и других омикс-технологий, таких как протеомика, геномика, транскриптомика, метагеномика и метатранскриптомика [21].

Биохимические аспекты короткоцепочечных жирных кислот

Известно, что КЦЖК представляют собой карбоновые кислоты, содержащие менее 6 атомов углерода [22]. Из них соотношение C2, C3, C4 составляет примерно 3:1:1 [23]. Пути образования КЦЖК представлены метаболическими реакциями, протекающими в организме человека, и реакциями расщепления пищевых волокон, осуществляемыми кишечной микробиотой [24] (табл. 1). Названия и формулы КЦЖК [25—30] приведены на рис. 1.

Таблица 1. Метаболические пути образования короткоцепочечных жирных кислот и участвующие в них бактерии

Примечание. КЦЖК — короткоцепочечные жирные кислоты; КоА — коэнзим А.

Рис. 1. Названия и формулы короткоцепочечных жирных кислот.

ИЮПАК — международный союз теоретической и прикладной химии.

Транспортеры и рецепторы короткоцепочечных жирных кислот

Концентрация КЦЖК в проксимальном отделе толстой кишки составляет 131±9 ммоль/л, в то время как в дистальном отделе толстой кишки она ниже — 80±11 ммоль/л [31].Сообщается, что КЦЖК могут проникать в клетки путем пассивной диффузии [32] либо с помощью транспортных переносчиков — протон-связанного монокарбоксилат-транспортера 1 (MCT1/SLC16A1) и натрий-связанного монокарбоксилат-транспортера 1 (SMCT1/SLC5A8) [33, 34]. По данным литературы, КЦЖК способны активировать сигнальные пути через рецепторы, сопряженные с G-белком (GPR): GPR41 (рецептор свободных жирных кислот 3; FFAR3), GPR43 (рецептор свободных жирных кислот 2; FFAR2) и GPR109A (рецептор гидроксикарбоновой кислоты 2; HCAR2) [35, 36]. Большая часть КЦЖК используется эпителиальными клетками слизистой оболочки толстой кишки [37], меньшая — поступает в верхнюю брыжеечную вену, нижнюю брыжеечную вену и воротную вену путем пассивной диффузии и активного транспорта (концентрации C2, C3 и C4 составляют 262,8 мкм/л, 30,3 мкм/л и 30,1 мкм/л соответственно) [31, 38, 39]. Часть КЦЖК метаболизируется в печени, часть попадает в системный кровоток (концентрации C2, C3 и C4 составляют 172,9 мкмоль/л, 3,6 мкмоль/л и 7,5 мкмоль/л соответственно) [40, 41].

Роль короткоцепочечных жирных кислот в поддержании гомеостаза кишечника

Показано, что КЦЖК вызывают протективный эффект в отношении кишечного иммунного барьера, снижая уровни фактора некроза опухоли α (ФНО-α), интерферона-γ (ИФН-γ) и интерлейкина (ИЛ)-6, активируя экспрессию рецепторов, сопряженных с G-белком (GPR), ингибируя индуцированную липополисахаридами активацию ядерного фактора каппа B (NF-κB), а также способствуя образованию ИЛ-18, подавлению гистондеацетилазы (HDAC) и экспрессии провоспалительных цитокинов [42—49]. Кроме того, КЦЖК могут улучшать целостность кишечного барьера путем ингибирования сигнального пути, опосредуемого Toll-подобным рецептором 4 (TLR4) [50].

Бутановая кислота способствует поддержанию барьерной функции, оказывая воздействие на транскрипционные факторы. В частности, она стабилизирует транскрипционный индуцируемый гипоксией фактор HIF-1 [51], активирует STAT3 и SP1, тем самым модулируя экспрессию генов белков плотных контактов [52, 53]. Еще одним механизмом, участвующим в поддержании функции эпителиального барьера, является продукция антимикробных пептидов (АМП) интестинальными эпителиоцитами. На модельных животных показано, что метаболиты кишечной микробиоты (в частности, бутановая кислота) способствуют экспрессии интестинальными эпителиоцитами антимикробного лектина (RegIIIγ) и β-дефенсинов, необходимых для поддержания кишечного гомеостаза [54]. Таким образом, эффекты КЦЖК в отношении барьерной функции не ограничиваются только межэпителиальными соединениями, но также включают регуляцию взаимодействия эпителия и люминальных бактерий посредством производства АМП в качестве эффекторов первой линии защиты от патогенов [55].

В работе J.R. Marchesi и соавт. показано, что при БК и ЯК по сравнению с группой контроля снижается уровень КЦЖК в кале ввиду нарушения состава кишечной микробиоты и снижения ферментации пищевых волокон [56], что может способствовать изменению регуляции иммунного ответа и подавлению барьерной функции кишечника. Важно, что, несмотря на наличие данных, подтверждающих потенциальный положительный эффект КЦЖК в отношении воспалительных процессов и поддержания гомеостаза кишечника, взаимосвязь между указанными метаболитами и ВЗК сложна и до конца не изучена [57]. Последнее определяет необходимость дальнейших исследований для более точного понимания механизмов и в связи с этим применения таргетных подходов для профилактики возникновения ВКП.

Цель исследования – провести сравнительный анализ содержания КЦЖК у лиц с БК и ЯК в зависимости от наличия и отсутствия ВКП; оценить структуру ВКП в изучаемой когорте.

Материал и методы

Проведено проспективное когортное исследование, размер выборки которого предполагал 80 человек: 47 (58,75%) с БК и 33 (41,25%) с ЯК (рис. 2). Исследование проведено на базе отделения гастроэнтерологии клиники им. Петра Великого ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет имени И. И. Мечникова» Минздрава России в период 2024—2025 гг.

Рис. 2. Дизайн исследования.

Исследование выполнено в рамках реализации научного исследования ФГБОУ ВО «Российский университет медицины» Минздрава России.

Проведение исследования одобрено межвузовским комитетом по этике (выписка из протокола №4 заседания от 11.04.2024).

Все пациенты подписали информированное добровольное согласие на участие в исследовании. Все данные анонимизированы. Исследование проведено в соответствии с этическими стандартами и принципами защиты персональных данных.

На I этапе исследования все пациенты (n=80) обследованы с помощью комплекса методов клинической и лабораторно-инструментальной диагностики: это сбор анамнеза (в том числе относительно наличия ВКП); физикальное обследование; выполнены общеклинические и биохимические лабораторные исследования, определение содержания фекального кальпротектина; видеоколоноскопия с мультифокальной биопсией; ультразвуковое исследование кишечника и/или гидро-магнитно-резонансная томография. Проведена оценка индексов клинической и эндоскопической активности: определены индекс активности БК — CDAI (Crohn’s Disease Activity Index), показатели простой эндоскопической шкалы болезни Крона — SES-CD (Simple Endoscopic Score for Crohn’s Disease), индекс Мейо, эндоскопическая активность по Schroeder.

На II этапе у пациентов, соответствовавших критериям включения (n=60), проводилось исследование кала на КЦЖК методом газожидкостной хроматографии. Состав параметров представлен монокарбоновыми кислотами: C2 (этановой), C3 (пропановой), C4 (бутановой), суммарным содержанием изомеров кислот C4, C5 (пентановой), C6 (гексановой). Представлены расчетные параметры КЦЖК: общее содержание всех фракций C2—C6, анаэробный индекс.

Критерии включения: БК с локализацией поражения по Монреальской классификации — L1—L3, L4 с L1—L3, CDAI ≥150, SES-CD ≥3; ЯК с локализацией поражения по Монреальской классификации — E1, E2, E3, индекс Мейо ≥3, эндоскопическая активность по Schroeder ≥1; для групп с ВКП — наличие клинически активного ВКП на момент скрининга.

Критерии невключения: возраст моложе 18 лет и старше 75 лет, кишечные инфекции (в том числе Clostridioides difficile), применение антибактериальных, противопаразитарных, противогрибковых препаратов в течение предшествующих 2 нед, неоплазии толстой и тонкой кишки, ишемический колит, дивертикулит, колэктомия, декомпенсация хронических соматических заболеваний, острые соматические заболевания, онкологические заболевания, беременность, грудное вскармливание.

Статистический анализ выполнен в программе SPSS v. 16.0. Для сравнения средних значений использовали t-тест Уэлча с расчетом 95% ДИ. Двусторонний уровень значимости — 0,05. Категориальные переменные описаны как абсолютные числа и проценты. Количественные непрерывные переменные отображаются как среднее и стандартное отклонение или медиана и межквартильный размах.

Результаты

Выявлены ВКП в 53,19% (n=25) и 51,52% (n=17) случаев, из них клинически активные ВКП — в 34,04% (n=16) и 42,42% (n=14) случаев у пациентов с БК и ЯК соответственно.

В исследуемой когорте пациентов структура как клинически активных ВКП, так и ВКП, имевших место в анамнезе, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура внекишечных проявлений у пациентов с язвенным колитом и болезнью Крона.

Отмечено, что ВКП, связанные с активностью ВЗК, встречались наиболее часто в обеих группах: 64,7% (n=11) и 76% (n=19) при ЯК и БК соответственно, они представлены периферической артропатией (47% и 60% случаев при ЯК и БК соответственно), поражением кожи в виде гангренозной пиодермии (4% случаев при БК) и васкулита (5,88% и 8% случаев при ЯК и БК соответственно), поражением слизистых оболочек в виде афтозного стоматита (11,76% и 20% случаев при ЯК и БК соответственно).

Не связанные с активностью ВЗК ВКП, так называемые сопутствующие аутоиммунные заболевания, встречались при ЯК и БК в 29,4% (n=5) и 28% (n=7) случаев соответственно и представлены анкилозирующим спондилитом (5,88 и 8% случаев соответственно), поражением кожи в виде атопического дерматита (17,7% и 4% соответственно) и псориаза (5,88% и 8% соответственно), поражением костного аппарата в виде остеопороза (8% при БК).

Обусловленные длительным воспалительным процессом и метаболическими нарушениями ВКП встречались реже как при ЯК, так и при БК: 29,4% (n=5) и 20% (n=5) случаев соответственно. Последние представлены холелитиазом (5,88% и 4% случаев) и стеатозом печени (23,5% и 12% случаев) при ЯК и БК соответственно.

Одновременно несколько ВКП встречались в 32% (n=8) при БК, из них в 8% (n=2) случаев имели место 3 ВКП, в 24% (n=6) — 2 ВКП. При ЯК одновременно 2 ВКП встречались в 23,5% (n=4) случаев (см. рис. 3).

Общая характеристика пациентов, соответствовавших критериям включения (в том числе с клинически активными ВКП), представлена в табл. 2, 3.

Таблица 2. Характеристика пациентов с болезнью Крона

Примечание. Данные представлены в виде среднего и стандартного отклонения: M±SD, медианы и межквартильного размаха: Me (IQR), абсолютных и относительных значений: n (%). БК+ВКП — болезнь Крона с клинически активными внекишечными проявлениями; БК–ВКП — болезнь Крона без внекишечных проявлений; CDAI (Crohn’s Disease Activity Index) — индекс активности болезни Крона; SES-CD (Simple Endoscopic Score for Crohn’s Disease) — простая эндоскопическая шкала болезни Крона.

Таблица 3. Характеристика пациентов с язвенным колитом

Примечание. Данные представлены в виде среднего и стандартного отклонения: M±SD, медианы и межквартильного размаха: Me (IQR), абсолютных и относительных значений: n (%). ЯК+ВКП — язвенный колит с клинически активными внекишечными проявлениями; ЯК–ВКП — язвенный колит без внекишечных проявлений.

Из обследуемых пациентов с клинически активными ВКП при БК и ЯК в обеих группах преобладали женщины: 62,5% (n=10) и 64,29% (n=9) соответственно. Средний возраст составил 43,75±10,64 года и 47,07±15,06 года соответственно.

При БК с наличием клинически активных ВКП у 50% (n=8) пациентов локализация поражения и фенотип заболевания по Монреальской классификации соответствовали L1 и В1. При ЯК с наличием клинически активных ВКП у большинства пациентов (57,14%, n=8) имел место левосторонний колит, у остальных — тотальное поражение толстой кишки (42,86%, n=6), что соответствует E2 и E3 по Монреальской классификации.

У пациентов с БК и наличием ВКП преобладала минимальная и умеренная клиническая активность по CDAI — 50% (n=8) и 43,75% (n=7) соответственно. У большинства пациентов (56,25%, n=9) выявлена умеренная, у каждого третьего пациента (31,25%, n=5) — минимальная эндоскопическая активность по SES-CD. У пациентов группы ЯК с наличием ВКП отмечена преимущественно легкая и среднетяжелая атака согласно индексу Мейо — 42,86% (n=6) и 35,71% (n=5).

Характеристика и сравнительное содержание КЦЖК у пациентов с БК и ЯК представлены в табл. 4, 5. Статистически значимые различия получены в группах пациентов с БК в зависимости от наличия и отсутствия ВКП (см. табл. 4): среднее содержание C4 (бутановой кислоты) составило 0,62 (95% ДИ 0,45; 0,79) и 1,41 (95% ДИ 0,87; 1,95) соответственно (p=0,008); среднее значение суммарного содержания C2—C6 (этановой, пропановой, бутановой, пентановой, гексановой кислот) составило 4,04 (95% ДИ 2,97; 5,11) и 6,67 (95% ДИ 4,73; 8,61) соответственно (p=0,019). В группах пациентов с ЯК в зависимости от наличия и отсутствия ВКП (см. табл. 5) не получены статистически значимые различия ни по одному из исследуемых параметров.

Таблица 4. Характеристика и сравнение содержания короткоцепочечных жирных кислот у пациентов с болезнью Крона в зависимости от наличия и отсутствия внекишечных проявлений

Примечание. Данные представлены в виде среднего значения и 95% ДИ. КЦЖК — короткоцепочечные жирные кислоты; БК+ВКП — болезнь Крона с клинически активными внекишечными проявлениями; БК–ВКП — болезнь Крона без внекишечных проявлений; SisoCn — суммарное содержание изоформ C4—C6; SisoCn+Cn — суммарное содержание C2—C6.

Таблица 5. Характеристика и сравнение содержания короткоцепочечных жирных кислот у пациентов с язвенным колитом в зависимости от наличия и отсутствия внекишечных проявлений

Примечание. Данные представлены в виде среднего значения и 95% ДИ. ЯК+ВКП — язвенный колит с клинически активными внекишечными проявлениями; ЯК–ВКП — язвенный колит без внекишечных проявлений; SisoCn — сумммарное содержание изоформ C4—C6; SisoCn+Cn — суммарное содержание C2—C6.

Обсуждение

Как упомянуто выше, изменения кишечного микробиома и, как следствие, метаболомного профиля могут рассматриваться в качестве механизмов развития ВКП при ВЗК. При этом повреждения интестинального барьера в условиях ВЗК могут усугублять имеющиеся изменения, приводя к транслокации микробиоты и экспансии иммунного ответа в другие органы и системы.

Кишечный эпителиальный барьер является первой линией защиты иммунной системы кишечника и состоит из эпителиоцитов слизистой оболочки и слоя слизи [58]. Слой слизи представляет собой двухфазную структуру, состоящую из муцина. При этом рыхлый внешний слой обеспечивает среду обитания для кишечных комменсальных бактерий, а плотный внутренний слой предотвращает нисходящую инвазию последних [59]. Основной продукт ферментации бактериями пищевых волокон в кишечнике — КЦЖК — играет важную роль в поддержании барьерной функции кишечника, в том числе при ВЗК.

Изменения интестинального барьера различны у пациентов с БК и ЯК. Так, в исследовании S. Zeissig и соавт. показано, что при БК в отличие от ЯК не обнаружены очаговые поражения кишечного эпителиального барьера [60]. Авторы сделали вывод об отсутствии различий в соотношении апоптоза эпителиоцитов у пациентов с минимальной и умеренной активностью БК и ЯК. Предполагается, что более существенные функциональные последствия характерны для ЯК ввиду различий реституции эпителиального барьера. В работе A.U. Dignass и соавт. отмечено более быстрое восстановление эпителия при БК в условиях синтезируемых реституционных цитокинов: TGF-α, эпидермального фактора роста (EGF), ИЛ-1 β и IFN-γ [61]. Напротив, результаты исследования F.Heller и соавт. показали замедленную реституцию эпителиоцитов, опосредуемую эффекторным цитокином ИЛ-13, что обусловливает очаговые эпителиальные поражения при ЯК, но не при БК [62]. Кроме того, результаты исследования S. Zeissig и соавт. показали более высокую экспрессию клаудина 2 при ЯК по сравнению с БК, что составляет молекулярную основу разрушения плотных контактов указанным порообразующим белком [60]. Результаты, приведенные A.H. Gitter и соавт., показали, что в повышение ионной проницаемости толстой кишки при ЯК вносят вклад как генерализованные изменения плотных контактов, так и нарушенный эпителиальный барьер вследствие множественного эпителиального апоптоза ввиду наличия эрозий/язв [63].

В проведенном нами исследовании в группах пациентов с ЯК не обнаружены статистически значимые различия в содержании КЦЖК в зависимости от наличия или отсутствия ВКП. Мы предполагаем, что полученные результаты могут объяснять более выраженные изменения кишечного барьера при ЯК, что также показано в приведенных работах. Как следствие, для данной когорты пациентов характерно более активное выведение КЦЖК из просвета толстой кишки, что обусловливает отсутствие полноценного влияния данных метаболитов на интестинальный барьер.

В настоящее время нет публикаций, отражающих количественное и качественное содержание КЦЖК у пациентов при ВЗК в зависимости от наличия ВКП. Однако представлены работы, показавшие изменение указанных выше метаболитов при аутовоспалительных заболеваниях, которые могут рассматриваться как ВКП при ВЗК. Так, в работе J.U. Scher и соавт. у пациентов с псориатическим артритом и псориазом обнаружено снижение содержание гексановой (C6) и энантовой (C7) кислот [11]. Авторы отмечают, что профиль кишечной микробиоты при псориатическом артрите был аналогичен ранее описанному при ВЗК: относительное снижение содержания видов Coprococcus и Ruminococcus — представителей, вырабатывающих КЦЖК и обеспечивающих поддержание гомеостаза кишечника.

Результаты исследования Y.K. Nakamura и соавт. показали, что при экспериментальном аутоиммунном увеите пероральный прием КЦЖК может ослаблять тяжесть увеита и быть связан с ингибированием индукции эффекторных T-клеток и/или усилением кишечного гомеостаза [64]. В работе впервые продемонстрирована миграция лейкоцитов между ЖКТ и глазом в рамках имеющегося увеита, а также показано снижение миграции эффекторных T-клеток между кишечником и селезенкой в условиях аутоиммунной модели увеита за счет предполагаемого действия КЦЖК. Демонстрация того, что иммунокомпетентные клетки мигрируют из кишечника в глаз, дает понимание связи между патологией кишечника и увеитом, что может рассматриваться в рамках ВКП ВЗК.

Как сказано ранее, в исследуемой нами когорте пациентов средние значения масляной кислоты и суммарного содержания КЦЖК (C2—C6, включая их изомеры) оказались статистически значимо выше у пациентов с БК и отсутствием ВКП. Полученные данные могут свидетельствовать о протективном эффекте КЦЖК в отношении компонентов кишечного барьера и, как следствие, в снижении кишечной проницаемости и восстановлении интестинального барьера, снижении транслокации кишечной микробиоты и экспансии иммунного ответа в органы, клетки которых имеют схожие эпитопы с таковыми в слизистой оболочке кишечника.

Корректность результатов исследования доказывается достаточной выборкой пациентов (n=60) с клинико-эндоскопически активным ВЗК; при этом пациенты соответствующих групп имели клинически активные ВКП. Таким образом, исходные характеристики сравниваемых групп были сопоставимы между собой.

Полученные данные следует рассматривать в свете некоторых ограничений. Одно из них — негомогенность исследуемого биоматериала. Кроме того, абсорбция КЦЖК может зависеть от моторики кишечника. Важно учитывать, что на полученные результаты влияют различия в количественном и качественном составе кишечного микробиома, а также индивидуальные различия в отношении потребляемых пищевых волокон.

Заключение

Результаты исследования позволяют предположить, что расчетный показатель суммарного содержания КЦЖК (C2—C6) и содержание бутановой кислоты (C4) могут представлять собой диагностические инструменты для выявления ВКП при БК и, как следствие, обеспечить своевременный подход к профилактике последних. Предполагаемые значения установлены в интервале от 2,97 до 5,11 мг/г и от 0,45 до 0,79 мг/г для суммарного содержания КЦЖК (C2—C6) и бутановой кислоты (C4) соответственно.

Таким образом, в представленной популяции пациентов прецизионная диагностика метаболомного профиля позволяет осуществить раннюю диагностику ВКП и, как следствие, применить таргетный подход к терапии.

В связи с изложенными ограничениями проведенного нами исследования появляется необходимость в оценке концентрации КЦЖК в системном кровотоке, а также в изучении кишечного микробиома и сопоставлении результатов с содержанием КЦЖК в кале.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Бакулин И.Г., Акишина Ю.А., Лямина С.В., Маев И.В.

Сбор и обработка материала — Бакулин И.Г., Акишина Ю.А.

Статистический анализ данных — Бакулин И.Г., Акишина Ю.А.

Написание текста — Бакулин И.Г., Акишина Ю.А.

Редактирование — Бакулин И.Г., Акишина Ю.А., Лямина С.В., Маев И.В.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors contribution:

Study design and concept — Bakulin I.G.,

Akishina Yu.A., Lyamina S.V., Maev I.V.

Data collection and processing — Bakulin I.G., Akishina Yu.A.

Statistical analysis — Bakulin I.G.,

Akishina Yu.A.

Text writing — Bakulin I.G., Akishina Yu.A.

Editing — Bakulin I.G., Akishina Yu.A. , Lyamina S.V., Maev I.V.