"Все болезни начинаются в кишечнике": выяснение механизма заболеваний, связанных с дисфункцией кишечного барьера

Медицинский Центр Маастрихтского Университета
Кафедра внутренних болезней
Отделение гастроэнтерологии и гепатологии
Маастрихт, Нидерланды
E-mail: daniel.keszthelyi@maastrichtuniversity.nl

Аннотация

Плотные контакты (англ. Tight junctions) между кишечными эпителиальными клетками формируют селективный барьер, который регулирует парацеллюлярный траффик веществ в собственную пластинку (Lamina Propria). Поскольку кишечник является участком, открытым для воздействия антигенов, эта барьерная функция играет важную роль во всей иммунной системе организма, в том числе у кошек и собак. Накопленные к настоящему моменту результаты исследований свидетельствуют в пользу того, что нарушение барьерной функции кишечника играет роль в патогенезе ряда системных заболеваний, в том числе сахарного диабета 1 типа.

Работа кишечного барьера и функция плотных контактов

Слой клеток, выстилающий желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) на всей его протяженности, отделяет внутреннюю систему организма кошек и собак от окружающей ее среды. За счет этого обеспечивается защита кишечника от широкого спектра патогенов, попадающих извне, и предотвращается возникновение инфекции, воспаление и изменение нормальных функций организма. Помимо плотного слоя эпителиальных клеток, в поддержании правильной барьерной функции важную роль играют также слизь, иммуноглобулины и многие другие антимикробные агенты.

Сорбционные функции тонкого кишечника регулируются двумя механизмами.

межклеточный транспорт через клеточный барьер непосредственно энтероцитов, обычно осуществляемый либо при помощи селективных белков-переносчиков, либо посредством пассивной диффузии.
неопосредованный клеточными носителями транспорт через парацеллюлярные (экстрацеллюлярные) пространства, основанный исключительно на пассивной диффузии молекул.

В ряде недавних сообщений были рассмотрены структура и функция плотных контактов, которые, как выяснилось, играют основную роль в регулировании парацеллюлярного транспорта через кишечный эпителий. Коротко говоря, соединения между соседними эпителиальными клетками состоят преимущественно из плотных контактов, открытых к апикальной поверхности. Плотные контакты имеют в своем составе трансмембранные белки (окклюдины, клаудины) и белковые бляшки (в том числе белки семейства ZO: Zonula occludens - белок плотных соединений). Они связаны с цитоплазматической стороны с актин-миозиновыми филаментами. Такие обычные составляющие компоненты диет, как глюкоза и аминокислоты, способны индуцировать «открывание» плотных контактов и повышать парацеллюлярную проницаемость. Эти открывания регулируются рядом сигнальных трансдукторных путей, связанных с повышением активности киназы легкой цепи миозина, которая фосфорилирует миозин и как следствие приводит к сокращение составляющих цитоскелета, а также конформационные изменениям в связанных с ним структурах, таких как плотные контакты. Таким образом, динамический процесс открытия и закрытия комплекса плотных соединений регулирует парацеллюлярный транспорт веществ в собственную пластинку.

Измерение проницаемости кишечника

При оценке проницаемости кишечника (ПК) исследователей особенно интересуют регуляторные механизмы и показатели, касающиеся внутренней проницаемости кишечного барьера. Для измерения барьерной функции кишечника ученые использовали:

моносахариды (маннит, L-рамнозу);
дисахариды (лактулозу, сукралозу);
полиэтиленгликоль и хелаты (51Cr-EDTA).

Все они имеют общие специфические характеристики: они имеют небольшой размер, являются водорастворимыми, не разлагаются и не метаболизируются в просвете кишечника, нетоксичны, полностью выводятся почками, и поэтому их можно легко обнаружить в анализе мочи. На измерения с использованием единственной молекулы (например,51Cr-EDTA) могут оказывать влияние такие не связанные с проницаемостью стенки кишечника индивидуальные различия испытуемых, как кишечный транзит или мочевыделительная экскреция.

До недавних пор проницаемость кишечника человека измерялась на основании выделения с мочой двух веществ разных размеров, но сходных в плане процессов транзита и поглощения. Далее рассчитывались соотношения экскреции моносахарида и дисахарида, таких как маннит и лактулоза, соответственно . Эти вещества отличались в отношении способа транспорта - парацеллюлярного или трансцеллюлярного. Таким образом, сравниваются два пути транспорта. Наиболее широко распространенным методом измерения проницаемости стенки в тонком кишечнике человека является исследование экскреции мочи на предмет содержания и соотношения в ней лактулозы/ маннита или лактулозы/рамнозы. В здоровом тонком кишечнике проницаемость для более больших и тяжелых сахаров, (дисахаридов, полисахаридов) как например лактулоза, намного ниже, чем для таких сахаров, как маннит или рамноза. Молекулы лактулозы проходят через межклеточные пространства, которые регулируются посредством межклеточных плотных контактов. При патологических состояниях, таких как воспаление слизистой оболочки, увеличивается проницаемость клеточных мембран для полисахаридов, а проницаемость для моносахаридов остается стабильной или уменьшается. Это приводит к увеличению соотношения мочевыделения высших сахаров к низшим.

Роль барьерной функции кишечника при системных заболеваниях.

Было высказано предположение о том, что повышенная проницаемость кишечника, часто называемая "дырявым кишечником" (или синдром дырявой кишки - англ.: Leaky gut syndrome, LGS), связана с рядом желудочно-кишечных расстройств, в том числе с заболеваниями кишечника и печени, такими как воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) и неалкогольный гепатит. Было также высказано предположение о том, что повышенная проницаемость кишечника связана и с другими заболеваниями, которые не связаны напрямую с нарушением функции ЖКТ, например, с диабетом первого и второго типа.

Хотя нарушение барьерной функции кишечника может являться следствием обострения какого-либо из указанных заболеваний, накоплены также клинические данные, свидетельствующие и об обратной возможности, - что изменение функции кишечного барьера может являться первичным причинным фактором, способствующим возникновению и развитию заболевания. Например, у здоровых родственников пациентов с ВЗК и целиакией наблюдается повышенная проницаемость кишечного барьера.

Несмотря на то, что заболевания, связанные с повышенной проницаемостью кишечника, различаются с точки зрения патогенеза и клинической картины, можно, по-видимому, предположить наличие у них некоторого общего знаменателя. Полагают, что измененная барьерная функция облегчает доступ в организм антигенов, которые могут вызвать патологическую иммунную реакцию, аутоиммунные расстройства и изменение нормальной функции организма.

В рамках этой модели специфическая локализации заболевания (таргетная ткань) обусловливается как антигеном, так и генетической аномалией всей иммунной системы. Например, мишенью могут стать бета-клетки островков поджелудочной железы (диабет), эпителиальные клетки кишечника (целиакия) или миелиновые оболочки, окружающие нервы, (рассеянный склероз).

Данная модель, однако, не уточняет того, как возникает увеличение проницаемости кишечного барьера. Оно может возникнуть во время инфекционного процесса путем активации эндогенных нейроэндокринных путей или же посредством микробной активности в эпителии хозяина. Увеличение проницаемости кишечника также может возникать, исчезать и вновь возникать. Этот факт может объяснить, что у некоторых пациентов с аномалиями проницаемости кишечника они не были обнаружены в ряде тестов.

Нам представляется, что наиболее убедительные доказательства такой модели заболевания были собраны в отношении сахарного диабета 1 типа.

Mooрдиан и его коллеги (Moordian et al) были первыми, кто указали на наличие повышенной проницаемости кишечника у больных сахарным диабетом, измерив секреции лактулозы и рамнозы в моче пациентов. Позднее у больных сахарным диабетом выявили существенное увеличение коэффициента соотношения лактулоза/маннит по сравнению со здоровыми испытуемыми, но достоверной корреляции этого изменения с длительностью заболевания или средними значениями HbA1c не было установлено. Похожие выводы можно найти и в трудах других исследователей. Было установлено, что наибольшее увеличение вышеназванного коэффициента наблюдалось у испытуемых, находившихся непосредственно в преддиабетическом состоянии. Это свидетельствует о том, что повышенная проницаемость кишечника предшествует возникновению клинического диабета. В то же время, Боси с коллегами не наблюдали различий, измеренных с помощью теста на соотношение лактулоза/маннит, между испытуемыми с доклиническим диабетом и пациентами с длительным течением этого заболевания. Следовательно, можно предположить [1], что длительность течения диабета не оказывает дальнейшего влияния на проницаемость кишечного барьера и [2] что увеличение проницаемости предшествует заболеванию сахарным диабетом 1 типа, а не вызвано течением этого заболевания. Дальнейшие опыты, проведенные на крысах, показали, что повышенная проницаемость кишечника, обнаруженная у преддиабетических крыс, некоторым образом связана со снижением экспрессии клавдина-1 и окклюдина. Это дает возможность предположить, что плотные контакты играют существенную роль в изменении барьерной функции кишечника при заболевании диабетом.

Полученные результаты показали, что повышенная проницаемость кишечника наблюдается не только у пациентов с развитой формой сахарного диабета первого типа, но и испытуемых, которые находится в доклиническом состоянии. Можно предположить, что субклиническое воспаление, выявленное у молодых пациентов, больных сахарным диабетом, и характеризующееся повышением уровня интерлейкина-4 (Ил-4), наличием фактора некроза опухоли-α (TNF-α) и интерферона-γ (IFN-γ), способствует нарушению целостности эпителиального барьера, что приводит к нарушению барьерной функции кишечника.

Вопрос о том, предшествует ли увеличение проницаемости кишечника субклиническому воспалению или же является его следствием, требует дальнейшего изучения. Тем не менее, уже установлено, что повышенная проницаемость делает хозяина более восприимчивым и склонным к иммунным ответам на антигены из диеты (инсулин подобные факторы из коровьего молока, а также глиадины пшеницы) или имеющие вирусное или бактериальное происхождение.

Эти агенты могут активировать гуморальные пути и вызвать аутоиммунные реакции организма на инсулин-продуцирующие бета-клетки поджелудочной железы при наличии у хозяина генетической предрасположенности к таким реакциям. В соответствии с предложенной моделью заболевания, возникновение клинически заметного диабета обусловлено генетической предрасположенностью к нему, наличием диетического провоцирующего агента и аномальной проницаемостью кишечника. Удаление триггерного антигена или устранение дефекта проницаемости кишечника способно предотвратить начало диабетического заболевания, несмотря на наличие у индивидуума генетической предрасположенности к нему. Эта теория дает специалистам беспрецедентную возможность предотвратить серьезное заболевание путем устранения дисбаланса функций кишечного барьера.

У пациентов с целиакией, например, удаление из рациона антигена (глютена) вызывает полную ремиссию и устранение всех признаков заболевания, включая возвращение аномальной кишечной проницаемости почти в нормальный диапазон у большинства пациентов.

Далее в исследованиях было показано, что собаки породы ирландский сеттер способны развивать глютен-сенсибилизирующую энтеропатию, напоминающую целиакию человека, а также, что болезнь у этих животных можно полностью предотвратить путем переведения их на безглютеновую диету. Однако последующее воздействие антигена (глютена) сразу же снова провоцирует развитие заболевания. Важно отметить, что у домашних животных, которые вообще никогда не получали пищевой клейковины, все равно наблюдалось аномальное увеличение проницаемости тонкого кишечника. Это убедительно свидетельствует о том, что в данном случае аномальная проницаемость кишечника предшествует возникновению заболевания. В этом плане интересную перспективу для исследований представляют пациенты с герпетиформным дерматитом Дюринга (ГД). Пациенты с этим заболеванием демонстрируют огромный спектр состояний кишечника, начиная с откровенной целиакии и заканчивая полной нормой выявляемой при биопсии кишечника и клиническим отсутствием каких-либо признаков кишечных заболеваний. При этом у всех пациентов с герпетиформным дерматитом наблюдается повышенная проницаемость кишечника, в том числе и у пациентов без признаков кишечного заболевания. Поскольку у некоторых пациентов может развиться целиакия, представляется, что в этих случаях повышенная проницаемость предшествует развитию заболевания.

Уже давно установлено наличие связи ревматологических заболеваний с нарушениями функций кишечника, причем превалирующим здесь считается проявление аномальной реактивности на поступающий антиген. На наш взгляд, лучшие сведения по этому вопросу можно найти в литературе по анкилозирующему спондилиту. На протяжении многих десятилетий признают, что у этих больных наблюдается увеличенная проницаемость кишечного барьера, но было неясно, связано ли это с самой болезнью или же с лечением ее нестероидными противовоспалительными препаратами, которые, как известно, влияют на проницаемость кишечника. В более поздних исследованиях на эту тему ученые постарались устранить возможное воздействие НПВП на испытуемых. В результате стало очевидным, что для этих пациентов дефект кишечной проницаемости, по-видимому, является первичным, поскольку он наблюдался у всей группы испытуемых. Также повышенная проницаемость кишечника наблюдалась у пациентов с ювенильными хроническими артритами, причем независимо от того, принимали ли они НПВП или нет. Это указывает на наличие связи нарушенной проницаемости кишечника непосредственно с заболеванием. Таким образом, накопленные данные свидетельствуют о вовлеченности барьерной функции кишечника в патогенез широкого спектра заболеваний. Другим механизмом, связанным с дисфункцией кишечного барьера, является бактериальная транслокация. Увеличение проницаемости кишечника может способствовать перемещениям кишечных бактерий. Это может привести к активации макрофагов, увеличению системного продуцирования провоспалительных цитокинов (интерлейкинов, ФНО-α) и С-реактивного белка, что приводит к системной воспалительной реакции. Эти цитокины могут впоследствии индуцировать системные изменения, например, индукцию периферической инсулинорезистентности путем активации ядерного фактора-kB (NF-kB), что влечет за собой серин-фосфорилирование субстрата инсулинового рецептора-1 и как следствие инсулин-резистентность. Далее было установлено, что бактериальная транслокация играет существенную роль и в других системных заболеваниях. Например, более высокие уровни антител к Klebsiella pneumoniae были обнаружены в сыворотке крови пациентов с анкилозирующим спондилитом, ревматоидным артритом и ВЗК. Относительно недавно было высказано предположение о том, что транслокация через “дырявый кишечник” эндотоксина (липополисахарид, ЛПС), входящего в состав стенки грамотрицательных бактерий, может оказывать кардиотоксическое действие и способствовать развитию хронической сердечной недостаточности.

Новая терапевтическая цель: улучшение барьерной функции кишечника

Хотя перечисленные выше заболевания существенно различаются по патофизиологическим механизмам и клинической картине, можно предположить, что у них есть общий важный инициирующий орган: кишечник. Поэтому укрепление кишечного барьера можно считать очень важной целью. Существует несколько путей, по которым может происходить вмешательство в работу кишечного барьера:

путем изменения воздействия со стороны питательных веществ (антигенов, особенно в молодом возрасте);
путем изменения состава микробиоты (пре -, про-и антибиотики);
путем модификации белков барьера кишечника и других регуляторных белков;
путем устранения воспаления, приводящего потенциально к аутоиммунным реакциям.

Стало очевидным, что при разбалансированности сложного движения макромолекул при прохождении через кишечный барьер могут возникать как кишечные, так и иные нарушения, особенно у генетически восприимчивых индивидуумов. Это новое видение подрывает традиционные теории, объяснявшие возникновение и развитие некоторых заболеваний, поскольку делается предположение о том, что неблагоприятная иммунная активация может быть нейтрализована, если предотвратить взаимодействие между генами и экологическими триггерами, восстановив функции кишечного барьера. Признавая важность роли кишечного барьера в патофизиологии системных заболеваний, ряд исследователей, хотя и с переменным успехом, предпринимали попытки воздействовать на барьерную функцию кишечника, укрепляя ее с помощью пищевых вмешательств. Для проверки истинного терапевтического потенциала улучшения функции кишечного барьера у кошек и собак будут необходимы дальнейшие исследования.

Заключение

Клетки кишечного эпителия образуют селективный барьер и обеспечивают регуляцию трафика молекул веществ между окружающей средой и внутренней средой организма. Нарушения барьерной функции кишечника может оказывать существенное влияние на взаимодействие между иммунной системой, ассоциированной со слизистой ЖКТ и кишечным содержимым, включая антигены пищи и микробные продукты. В конечном итоге, повышенная проницаемость ЖКТ может способствовать развитию системных функциональных нарушений организма и потенциальному развитию ряда заболеваний. Клинические и экспериментальные данные проведенных исследований подтвердили предположение ученых о том, что такие заболевания, как диабет, целиакия, ВЗК и ревматоидные расстройства, связаны в том числе и с повышенной проницаемостью кишечника. Вопрос о том, является ли нарушение функции кишечного эпителиального барьера основным причинным фактором для развития этих заболеваний, требует дальнейшего выяснения. Тем не менее, недавние исследования выявили ряд существенных механизмов, которые могли бы объяснить повышение открытости кишечного содержимого иммунокомпетентным клеткам хозяина. Такое состояние способствует изменению иммунных реакций организма и может привести либо к аутоиммунному разрушению определенных клеток-мишеней и, следовательно, - к проявлению того или иного заболевания, или же, напротив, может способствовать усилению системной иммунной реакции. Поэтому задача улучшения барьерной функции кишечника может стать важной как в предотвращении, так и в противодействии патофизиологическим механизмам. Более полное понимание особенностей молекулярного транспорта и его функций при регуляции активности кишечного барьера будет иметь важное клиническое значение, открывая новые горизонты в лечении и профилактике ряда системных заболеваний, включая сахарный диабет, в том числе и у домашних животных.

Автор перевода: Анатолий Черников – главный ветеринарный врач, Клиника «101 Далматинец», Москва

Список литературы

1. Arrieta MC, Bistritz L, Meddings JB. Alterations in intestinal permeability. Gut. 2006;55:1,512-1,520.
2. Groschwitz KR, Hogan SP. Intestinal barrier function: molecular regulation and disease pathogenesis. J Allergy Clin Immunol. 2009;124:3-20:(quiz)21-22.
3. Rao AS, Camilleri M, Eckert DJ, et al. Urine sugars for in vivo gut permeability: validation and comparisons in irritable bowel syndrome-diarrhea and controls. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2011;301:G919-G928.
4. Bjarnason I, MacPherson A, Hollander D. Intestinal permeability: an overview. Gastroenterology. 1995;108:1,566-1,581.
5. Meddings J. What role does intestinal permeability have in IBD 3 pathogenesis? Inflamm Bowel Dis. 2008;14(Suppl 2):S138-S139.
6. Miele L, Valenza V, La Torre G, et al. Increased intestinal permeability and tight junction alterations in nonalcoholic fatty liver disease. Hepatology. 2009;49:1,877-1,887.
7. de Kort S, Keszthelyi D, Masclee AA. Leaky gut and diabetes mellitus: what is the link? Obes Rev. 2011;12:449-458.
8. Soderholm JD, Olaison G, Lindberg E, et al. Different intestinal permeability patterns in relatives and spouses of patients with Crohn's disease: an inherited defect in mucosal defence? Gut. 1999;44:96-100.
9. Peeters M, Geypens B, Claus D, et al. Clustering of increased small intestinal permeability in families with Crohn's disease. Gastroenterology. 1997;113:802-807.
10. Secondulfo M, de Magistris L, Fiandra R, et al. Intestinal permeability in Crohn’s disease patients and their first degree relatives. Dig Liver Dis. 2001;33:680-685.
11. Yacyshyn B, Meddings J, Sadowski D, et al. Multiple sclerosis patients have peripheral blood CD45RO+ B cells and increased intestinal permeability. Dig Dis Sci. 1996;41:2,493-2,498.
12. Mooradian AD, Morley JE, Levine AS, et al. Abnormal intestinal permeability to sugars in diabetes mellitus. Diabetologia. 1986;29: 221-224.
13. Kuitunen M, Saukkonen T, Ilonen J, et al. Intestinal permeability to mannitol and lactulose in children with type 1 diabetes with the HLA-DQB1*02 allele. Autoimmunity. 2002;35:365-368.
14. Sapone A, de Magistris L, Pietzak M, et al. Zonulin upregulation is associated with increased gut permeability in subjects with type 1 diabetes and their relatives. Diabetes. 2006;55:1,443-1,449.
15. Bosi E, Molteni L, Radaelli MG, et al. Increased intestinal permeability precedes clinical onset of type 1 diabetes. Diabetologia. 2006;49:2,824-2,827.
16. Neu J, Reverte CM, Mackey AD, et al. Changes in intestinal morphology and permeability in the biobreeding rat before the onset of type 1 diabetes. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 2005;40:589-595.
17. Meddings JB, Jarand J, Urbanski SJ, et al. Increased gastrointestinal permeability is an early lesion in the spontaneously diabetic BB rat. Am J Physiol. 1999;276:G951-G957.
18. Bruewer M, Utech M, Ivanov AI, et al. Interferon-gamma induces internalization of epithelial tight junction proteins via a macropinocytosis-like process. FASEB J. 2005;19:923-933.
19. Vaarala O. Leaking gut in type 1 diabetes. Curr Opin Gastro - enterol. 2008;24:701-706.
20. Vaarala O, Atkinson MA, Neu J. The “perfect storm” for type 1 diabetes: the complex interplay between intestinal microbiota, gut permeability, and mucosal immunity. Diabetes. 2008;57:2,555-2,562.
21. Tiittanen M, Paronen J, Savilahti E, et al. Dietary insulin as an immunogen and tolerogen. Pediatr Allergy Immunol. 2006;17:538-543.
22. Duerksen DR, Wilhelm-Boyles C, Parry DM. Intestinal permeability in long-term follow-up of patients with celiac disease on a gluten-free diet. Dig Dis Sci. 2005;50:785-790.
23. Hall EJ, Batt RM. Abnormal permeability precedes the development of a gluten sensitive enteropathy in Irish setter dogs. Gut. 1991;32:749-753.
24. Smecuol E, Sugai E, Niveloni S, et al. Permeability, zonulin production, and enteropathy in dermatitis herpetiformis. Clin Gastroenterol Hepatol. 2005;3:335-341.
25. Morris AJ, Howden CW, Robertson C, et al. Increased intestinal permeability in ankylosing spondylitis — primary lesion or drug effect? Gut. 1991;32:1,470-1,472.
26. Vaile JH, Meddings JB, Yacyshyn BR, et al. Bowel permeability and CD45RO expression on circulating CD20+ B cells in patients with ankylosing spondylitis and their relatives. J Rheumatol. 1999; 26:128-135.
27. Picco P, Gattorno M, Marchese N, et al. Increased gut permeability in juvenile chronic arthritides. A multivariate analysis of the diagnostic parameters. Clin Exp Rheumatol. 2000;18:773-778.
28. Hotamisligil GS, Erbay E. Nutrient sensing and inflammation in metabolic diseases. Nat Rev Immunol. 2008;8:923-934.
29. Cooper R, Fraser SM, Sturrock RD, et al. Raised titres of anti-klebsiella IgA in ankylosing spondylitis, rheumatoid arthritis, and inflammatory bowel disease. Br Med J (Clin Res Ed). 1988; 296:1,432-1,434.
30. Sandek A, Bjarnason I, Volk HD, et al. Studies on bacterial endotoxin and intestinal absorption function in patients with chronic heart failure. Int J Cardiol. doi: 10.1016/ j.ijcard.2010.12.016.

Автор перевода: Анатолий Черников – главный ветеринарный врач, Клиника «101 Далматинец», Москва