3 M czyli. motoryka, metabolizm i MIKROBIOTA

Transkrypt

1 3 M czyli motoryka, metabolizm i MIKROBIOTA III RZESZOWSKIE DNI HEPATOGASTROENTEROLOGICZNE Marek Waluga Katedra i Klinika Gastroenterologii i Hepatologii Śląski Uniwersytet Medyczny Katowice

2 Mikrobiota kompleks około 100 bilionów (10 14 ) bakterii, grzybów i wirusów (w tym bakteriofagów) waga ok. 1-2 kg >1000 różnych gatunków ( wg różnych danych) 10 x więcej komórek niż wchodzi w skład ciała ludzkiego x więcej genów niż ludzki genom

3 Mikrobiota Bakterie tlenowe Bakterie beztlenowe

4 Mikrobiota skład w ciągu życia Bacteroides i Firmicutes stanowią ponad 90% składu bakterii jelitowych Każdy człowiek ma indywidualny i fizjologicznie dość stabilny skład mikrobiota, który utrzymuje się do końca życia Przyczyną rozmaitych schorzeń mogą być: Zaburzenia tego składu Zmniejszenie różnorodności mikrobiota

5 Microflora bakteryjna skład zależny od diety Ten makroorganizm składający się z mikroorganizmów wpływa na: bilans energetyczny gospodarza o m.in. modulując absorpcję energii metabolizm węglowodanów i lipidów gromadzenie tłuszczu w wątrobie apetyt motorykę jelitową

6 Pathobiont R.gnavus E.coli AIEC Xxx. ŚRODOWISKO ZABURZENIE RÓWNOWAGI Symbiont F.prausnitzii R.intestinalis A.muciniphyla Xxx. GENY Choroby metaboliczne Zaburzenia u. immunologicznego Zaburzenia motoryki p.p.

7 Znaczenie równowagi mikrobiota - gospodarz Zaburzenie równowagi między układem immunologicznym mikrobioty i gospodarza prowadzi do: Translokacji fragmentów bakteryjnych przez ścianę jelita Zapalenia układowego Rozwoju metabolicznej endotoksemii Oporności na insulinę

8 Rola mikrobioty w aktywacji ukadu immunologicznego Zasadniczy udział w: dojrzewaniu układu immunologicznego gospodarza rozwoju tkanki limfatycznej różnicowaniu komórek T Dysbioza prowadzi do: zmienionego różnicowania komórek T zaburzenia równowagi pomiędzy limfocytami T- helper i T-reg co powoduje zaburzenia tolerancji immunologicznej i rozwoju chorób autoimmunologicznych a także metabolicznych Muccioli GG et al.mol.syst.biol 2010; 6: 392 Sekirov I. Physiol Rev 2010; 90: , Lee YK Science 2010; 330: 1768

9 MICROBIOTA Dojrzewanie układu immunologicznego gospodarza Rozwój tkanki limfatycznej jelit ( gut associated ) Bilansowanie różnicowania komórek T

10 DYSBIOZA Choroby autoimmunologiczne Zaburzenia różnicowania komórek T Zaburzenie bilansu pomiędzy limfocytami T-regulacyjnymi i T-helper Zaburzenie tolerancji immunologicznej Choroby metaboliczne

11 OTYŁOŚĆ Bacteroides Firmicutes Bifidobacterium Staphylococcus Enterobacteriacae Ley RE. Nature 2006; 444:1022 Escherichia coli

12 Mikrobiota i otyłość badania eksperymentalne Myszy jałowe (germ free GF): mają o 40% mniej tłuszczu niż u szczepów dzikich po kolonizacji bakteryjnej zwiększają masę ciała a ilość tłuszczu brzusznego wzrasta u nich o 60% Genetycznie otyłe myszy ob/ob Wykazują Bacteroides o 50% i proporcjonalny Firmicutes Backhed F et al. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101, 15718

13 Patogeneza niealkoholowej choroby stłuszczeniowej wątroby (NAFLD) Wątroba Multiparallel hits hypothesis TNFα MCP-1 IL-6 FFA, DAG ceramidy Leptyna Motoryka pęcherzyka żółciowego Sekrecja żółci Adiponektyna Tkanka tłuszczowa Insuliooporność Otyłość Przewlekły stan zapalny Trzustka Sekrecja insuliny Sekrecja GLP-1 Aktywność GIP Przepuszczalność bariery jelitowej LPS Translokacja bakterii TLR4/TLR9.. Jelito Rosso N et al. World J Gastroenterol 2014; 20(27):

14 SIBO PRZEPUSZCZALNOŚCI JELITOWEJ NAFLD

15 Bacteroides Clostridium coccoides NASH

16 Zmienna ilość Gammaproteobacteria i Erysipelotrichi Escherichia coli Deficyt choliny NASH

17 DYSBIOZA Zapalenie systemowe TLR-4 (toll-like receptor) ilości cytokin prozapalnych PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) NASH

18 Wpływ mikrobiota na metabolizm i homeostazę kwasów żółciowych MIKROFLORA SILNA AKTYWNOŚĆ PRZECIWBAKTERYJNA SILNY WPŁYW NA METABOLIZM KWASY ŻÓŁCIOWE HOMEOSTAZA KWASÓW ŻÓŁCIOWYCH Receptory jądrowe FXR Receptory błonowe TGR5 (wiążące białko) Spadek stężenia glukozy i TG 1) stężenia camp, 2) spadek IR, 3) przekształcanie tyrozyny w trijodotyroninę

19 Receptory dla kwasów żółciowych FXR TGR5 Efekty metaboliczne ekspresji genów dla enzymów produkujących BA ekspresji genów glukoneogenezy wydatkowania energii Sekrecja GLP1 z komórek L

20 UDCA trochę historii Suszona żółć chińskich niedźwiedzi czarnych (kumanai) używana była w Japonii od średniowiecza 1957 pierwszy preparat komercyjny (URSO, Tokyo Tanabe Pharma)

21 UDCA mechanizm działania ochrona cholangiocytów (bardziej hydrofilny i mniej cytotoksyczny od innych kwasów żółciowych) stabilizujące działanie na błony hepatocytów (działanie hepatoprotekcyjne) UDCA hamowanie apoptozy (rola ochronna wobec mitochondriów) działanie immunomodulacyjne (zmniejszenie ekspresji HLA na powierzchni cholangiocytów) hamowanie aktywacji i degranulacji eozynofili działanie antyoksydacyjne (korygowanie aktywności antyutleniającej, normalizowanie układu NAD+/NADH oraz β- oksydacji) działanie antyfibrotyczne

22 UDCA wskazania rejestracyjne REFUNDOWANE: Pierwotne zapalenie przewodów żółciowych (dawniej: Pierwotna żółciowa marskość wątroby) REFUNDOWANE: zaburzenia czynności wątroby i dróg żółciowych związane z mukowiscydozą bez ograniczeń wiekowych! Zapalenie błony śluzowej żołądka spowodowane zarzucaniem żółci (Zapobieganie nawrotom kamicy żółciowej????)

23 UDCA inne wskazania kliniczne Zespoły cholestatyczne o nieznanej etiologii Pierwotne stwardniające zapalenie przewodów żółciowych (PSC - primary sclerosing cholangitis) HBV, HCV z komponentą cholestatyczną (Zapalenie wątroby typu B, C) NAFLD (non-alcoholic fatty liver disease) Cholestaza ciężarnych Zespół po cholecystektomii

24 Receptory dla kwasów żółciowych FXR TGR5 Efekty metaboliczne ekspresji genów dla enzymów produkujących BA ekspresji genów glukoneogenezy wydatkowania energii Sekrecja GLP1 z komórek L

25 Komórki L jako pośrednicy (rodzaj EEC enteroendocrine cells wydzielających GLP-1) pomiędzy sygnałami ze światła jelita a narządami odpowiedzialnymi za metabolizm i układem immunologicznym gospodarza. Komórki L odczuwają sygnały środowiska ze światła jelita poprzez receptory i za pośrednictwem przekaźników powodują sekrecję hormonów i cytokin. FA kwasy tłuszczowe, FFAR receptory dla kwasów tłuszczowych, SCFA krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe SGLT1 sodium-dependent glucose transporter 1, PEPT1 proton-coupled peptide-transporter 1, GLP-1 glucagon-like peptide 1, TGR5 G- - protein-coupled bile acid receptor

26 Interakcje pomiędzy gospodarzem, dietą i mikrobiotą oraz proponowane mechanizmy odczuwania bakterii na poziomie EEC. EEC są zdolne odczuwać produkty bakteryjne, takie jak SCFA, związki indolowe, poprzez receptory smakowe (TR), receptory dla kwasów tłuszczowych (FFAR/SCFA) i potasowe kanały jonowe. Kwasy żółciowe są odczuwane przez komórki EEC za pośrednictwem TGR5 i mogą być metaboliowane i koniugowane przez mikrobiota wpływające na metabolizm gospodarza. Dieta, microbiota, stan metaboliczny oraz profil genetyczny są współzależnymi czynnikami wpływającymi na funkcję EEC.

27 Na poziomie jelita krzyżują się rozmaite wpływy metaboliczne i zapalne. Wiele czynników skojarzonych z sygnałami metabolicznymi i zapalnymi jak hormony jelitowe, cytokiny, komórkowe ścieżki sygnałowe dotyczące stresu oraz wpływy mikrobioty nakładają się na poziomie jelita (UPR unfolded protein response) Zietek T. et al. Frontiers in Immunology 2016, 7:154

28 EEC w patologii jelitowej: Zmiany w funkcji EEC i ich hormonów w warunkach zapalenia jelita podczas infekcji i w przypadku IBD. Podczas gdy CCK i 5-HT dominują w trakcie infekcji, istotna jest rola EEC w IBD. Sugeruje się rolę SNIP w transkrypcji czynnika Phox2b skojarzonego z EEC, autoprzeciwciała (aab) przeciw białku UbE4A komórek EEC, znaczenie wzrostu sekrecji IL-17C i zwiększonego poziomu GLP-1. Czynniki wzrostowe produkowane przez EEC mogą brać udział w progresji w kierunku nowotworu podczas długotrwałego zapalenia, również będącego wynikiem przewlekłej infekcji bakteryjnej lub ZABURZEŃ SKŁADU MIKROBIOTY.

29 Skład mikrobioty w cukrzycy T2DM Spadek ilości Roseburia intestinals* Faecalibacterium prausnitzii* Wzrost ilości Bacteroides caccae Pozostałe Clostridiales, Escherichia coli Desulfovibrio^ Lactobacillus species Zdrowi Większa ilość Clostridiales sp. SS3/4* Eubacterium rectale* Faecalibacterium prausnitzii* Ruminococcus intestinalis* * odpowiedzialne za produkcję maślanu ^ odpowiedzialne za redukcję związków siarki Karlsson FH et al. Gut metagenome in European women with normal, impaired and diabetic glucose control. Nature 2013; 498(7452): Qin J et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature 2012; 490(7418):55-60.

30 Rola mikrobioty w cukrzycy T2DM produkcja maślanu transport przezbłonowy cukrów transport aminokwasów rozgałęzionych redukcja związków siarki stresu oksydacyjnego w enterocytach aktywności prozapalnej produkcji witamin Karlsson FH et al. Gut metagenome in European women with normal, impaired and diabetic glucose control. Nature 2013; 498(7452): Qin J et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature 2012; 490(7418):55-60.

31 Wpływ mikrobiota na homeostazę energetyczną, węglowodanową i tłuszczową 1. Hydrolazy glikozydowe rozkład złożonych, roślinnych polisacharydów do SCFAs (octan, propionian, maślan). Dodatkowe kcal (4-10%) dziennego zapotrzebowania. 2. Aktywacja receptora sprzężonego z białkiem G (Gpr41) powoduje pobudzanie syntezy peptydu YY (PYY), który motorykę jelit, spowalnia pasaż pokarmu, zmniejsza wchłanianie składników odżywczych. 3. Aktywacja Gpr41 i Gpr43 stymuluje syntezę GLP1 w jelicie co zwiększa insulinowrażliwość 4. Aktywacja Gpr43 na adipocytach hamuje szlak sygnałowy insuliny i przez to akumulację FFA w adipocytach. 5. Maślan i propionian aktywują jelitową glukoneogenezę 6. Mikrobiota hamuje ekspresję czynnika tkankowego indukowanego głodzeniem (FlAF), inhibitora lipazy lipoproteinowej (LPS). 7. Stymuluje odnowę enterocytów

32 Flora bakteryjna np. VSL#3 Produkcja krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA) Produkcja kwasu masłowego sekrecji GLP-1 Wpływ na ekspresję genów regulacyjnych Poprawa metabolizmu węglowodanów i lipidów

33 Potencjalne strategie terapeutyczne w celu zapobiegania lub leczenia NAFLD i zespołu metabolicznego 1. Probiotyki mogą utrzymać właściwą przepuszczalność jelitową przez zwiększenie integralności połączeń ścisłych oraz zapobieganie wzrostowi szkodliwych bakterii 2. Prebiotyki mogą działać przez poprawę działania bakterii probiotycznych lub hamowanie wzrostu bakterii szkodliwych 3. Antybiotyki (RIFAKSYMINA) mogą bezpośrednio działać przez hamowanie wzrostu bakterii szkodliwych 4. Transplantacja flory bakteryjnej (stolca) może prowadzić do odnowy zdrowej mikroflory 5. Niektóre opcje terapeutyczne mogą oddziaływać na wrodzony system immunologiczny przez działanie na szlaki sygnałowe za pośrednictwem TLRs lub 6. Inhibitorów NFκB prowadząc do zmniejszenia ekspresji cytokin prozapalnych Chassaing B, Hepatology, 2014, 59:

34 Probiotyki - działanie 1. Poprawiają integralność bariery jelitowej 2. Zmniejszają zapalenie wewnątrzjelitowe 3. Poprawiają bilans energetyczny 4. Sprzyjają utracie nadmiernej masy ciała 5. Fizjologiczne wydzielanie śluzu i mucyny 6. Regulacja systemu immunologicznego 7. Poprawa trawienia i metabolizmu niestrawionych resztek pokarmowych 8. Wydzielanie czynników p/bakteryjnych 9. Regulacja wydzielania cytokin i chemokin 10. Uszczelnianie bariery jelitowej 11. Poprawa ukrwienia i motoryki jelit

35 Prebiotyki związki chemiczne, głównie oligosacharydy stanowiące pokarm dla bakterii jelitowych przyśpieszanie wzrostu pożytecznych organizmów komensalnych (Bifidobacterium, Lactobacillus) wpływ na uzyskiwanie energii z pożywienia - zwiększanie wydzielania insuliny, obniżanie stężenia glukozy i zmniejszenie insulinooporności b b b b energii uzyskiwanej z pożywienia, ograniczenie przyrostu masy ciała wydzielania hormonów inkretynowych uczucia sytości.

36 stosowanie proi prebiotyków przywrócenie flory bakteryjnej SCFAs (maślanu) insulinowrażliwości przepuszczalności jelitowej produkcji anorektycznych hormonów jelitowych GLP-1 GLP-2 uszkodzenia wątroby i ryzyka NAFLD apetytu

37 Mikrobiota a motoryka przewodu pokarmowego

38 Mikrobiota a motoryka Mikrobiota wpływa na motorykę: czynność elektryczną czynność motoryczną czas pasażu Np. Choroby neuropatyczne i miopatyczne jak sklerodermia i polimyositis wydają się być związane z SIBO Probiotyki mogą poprawiać zaburzoną motorykę GI zmniejszając ekspresję neuroprzekaźników i białek zwiększających kurczliwość Motoryka wpływa na skład mikrobioty: ilość lokalizacja różnorodność (skład gatunkowy)

39 dysbioza Aktywacja immunocytów Uwalnianie cytokin Mediatory zapalenia Komponenty bakteryjne Zwiększenie przepuszczalności międzykomórkowej Nadwrażliwość bólowa Uszkodzenie mięśniówki ZABURZENIE FUNKCJI MOTORYCZNEJ PP Uszkodzenie ENS BÓL

40 IBS poinfekcyjny PI-IBS liczba komórek immunologicznych (głównie tucznych) w śluzówce jelita cienkiego i grubego interleukiny 1β aktywacja komórek entero-endokrynnych produkujących 5-HT (w/w efekt utrzymuje się przez okres 1 roku) cytokin Th2 (Il 4, 5 i 13) (tylko w czasie trwania infekcji) NF-κβ: cyclooxygenazy-2 (COX-2) zlokalizowanej w mięśniach produkcji prostaglandyny E Ten efekt może przetrwać znacznie dłużej

41 Zmiany flory bakteryjnej w IBS w krajach zachodnich: Proteobacteria Firmicutes w populacji Chińskiej: Escherichia coli Enterobacterium Actinobacteria Bacteroides Lactobacilli Bifidobacteria W różnych regionach świata skład flory u pacjentów z IBS jest zmienny ale zawsze inny od stwierdzanego w zdrowej populacji

42 Bezpośredni wpływ flory bakteryjnej Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFAs) Homologi neurotransmiterów Gazy oddziałują bezpośrednio z aparatem nerwowomięśniowym przewodu pokarmowego

43 Działanie SCFAs Jako cząsteczki przekaźnika poprzez receptory: dla SCFAs znajdujące się na komórkach EEC w śluzówce z rodziny G (FFAR2, FFAR3, OLFR78, GPR109A) receptory 5-HT 4 (propioniany) Oddziaływanie poprzez neurony aferentne Stymulacja mięśniówkowych neuronów cholinergicznych o również na komórkach EEC zawierających peptyd YY Jako regulatory ekspresji genów Poprzez uwalnianie prostaglandyn (propioniany) Aktywacja ruchów propulsywnych (perystaltycznych) w jelicie cienkim Zwiększanie napięcia ściany jelita cienkiego

44 Działanie innych substancji Dekoniugowane sole żółciowe: Poprzez receptory TGR5: Hamowanie neuronów motorycznych w jelicie Relaksacja mięśniówki gładkiej pęcherzyka żółciowego Tryptamina: Naśladuje działanie serotoniny Wiele genów kodujących powstawanie enzymów metabolizujących białka i aminokwasy oraz syntetyzujące neuroprzekaźniki (katecholaminy, serotonina/melatonina, acetylocholina) obecne w genomie microbioty Mikrobiota jako istotne źródło NO, kluczowej substancji kontrolującej funkcje motoryczne przewodu pokarmowego

45 Działanie gazów jelitowych na motorykę Metan (CH 3 ): Zwalnia pasaż w jelicie cienkim skurcze mięśniówki okrężnej j.cienkiego Wodór (H 2 ): Skraca czas pasażu przez jelito grube Siarczek wodoru (H 2 S): aktywność skurczową jelita cienkiego działając na komórki Cajala i neurony jelitowe

46 Bezpośredni wpływ produktów fermentacji bakteryjnej na motorykę p.p. Produkt fermentacji Wpływ na motorykę p.p. Mechanizm SCFA Dekoniugowane sole kwasów żółciowych napięcia jelita cienkiego i skurczów perystaltycznych Pobudzenie neuronów mięśniówkowych i mięśniówki gładkiej Relaksacja pęcherzyka żółciowego Aktywacja receptorów (z rodziny G) dla FFT (FFAR2, FFAR3, OLFR78, GPR109A) Uwalnianie 5-HT z komórek EC Uwalnianie prostaglandyn Aktywacja transbłonowych receptorów z rodziny G Hamowanie skurczów pęcherzyka żółciowego Redukcja receptorów dla CCK Zwiększenie mediatorów zapalenia i stresu oksydacyjnego Tryptamina Pobudzenie motoryki jelita cienkiego Synteza neuroprzekaźników Gazy Skrócenie czasu transportu jelitowego Wzrost ilości skurczów okrężnych jelita cienkiego Hamowanie aktywności skurczowej jelita cienkiego Produkcja metanu (CH 4 ) Produkcja wodoru (H 2 ) Produkcja siarczku wodoru (H 2 S)

47 Molekularne komponenty mechanizmów działania bakterii Receptory toll-like (TLRs) jako pośrednicy pomiędzy mikrobiotą a aparatem nerwowo-mięśniowym w zwojach mięśniówkowych i podśluzówkowych. Występują na neuronach, komórkach mięśniowych i w gleju Aktywacja TLR-4 przez lipopolisacharyd bakteryjny (LPS): kurczliwości związane ze zmianami w cytoszkielecie zaburzenie bilansu oksydacyjnego na poziomie komórkowym efekty te utrzymują się długo, nawet po usunięciu LPS Aktywacja TLR-2 powoduje: produkcję neutrofin zwiększających strukturalną i funkcjonalną integralność ENS zapobiega zmianom wywoływanym przez LPS indukowaną przez LPS aktywację NFκB sekrecję prozapalnej IL-6 uzupełnia niedobory przeciwzapalnej IL-10

48 LPS Światło jelita Mucosa submucosa +stress oksydacyjny H 2 O 2 Ach Probiotyk (np.lgg) TLR4 Receptor typu G Ca 2+ TLR2 Ca 2+ Aktywacja NFκB PGE2 H 2 O 2

49 Przykłady działania probiotyków na motorykę przewodu pokarmowego Lactobacillus rhamnosus GG (LGG): Działa poprzez TLR2, działania j.w. Escherichia coli szczep Nissle 1917: Moduluje kurczliwość mięśniówki jelita grubego Lactobacillus species: Reguluje motorykę jelita czczego Moduluje pobudliwość neuronów jelita grubego poinfekcyjną nadwrażliwość skurczową Bifidobacterium i Lactobacillus: nadwrażliwość trzewną Odnawiają barierę jelitową (uszkodzoną w czasie infekcji) Probiotyki skuteczne także w leczeniu niektórych schorzeń nerwowo-mięśniowych????

50 Pro- i prebiotyki jako uzupełnienie działania leków prokinetycznych Przykład Itopryd: Aktywność antycholinesterazowa Antagonista receptorów D2 częstotliwości fal perystaltycznych i skurczów segmentowych jelita grubego amplitudy skurczów segmentowych Inicjacja wysokoamplitudowych, szybko wędrujących skurczów migrujących Stosowany w zaburzeniach pasażu w zakresie górnego jak i dolnego odcinka przewodu pokarmowego Pre- i probiotyki mogą być stosowane jako uzupełnienie terapii lekami prokinetycznymi

51 PODSUMOWUJĄC Skład mikrobioty jest indywidualny u każdego człowieka ale wiele czynników, również zewnętrznych może wpływać na ten skład Mikrobiota mają bardzo istotny wpływ na powstanie i przebieg wielu chorób metabolicznych, takich jak: otyłość, cukrzyca, niealkoholowa choroba stłuszczeniowa wątroby Leczenie chorób metabolicznych powinno uwzględniać wpływ na skład mikrobiota, jednak na obecnym etapie wiedzy możliwość wpływu na ten skład jest bardzo ograniczona Zaburzenia motoryki przewodu pokarmowego mogą wynikać m.in. z zaburzenia składu mikrobioty Ewentualne zastosowanie antybiotyków lub probiotyków można rozważać indywidualnie w leczeniu zespołu metabolicznego lub zaburzeń motoryki; brak jest jednoznacznych dowodów na ich praktyczną skuteczność, w związku z tym brak też stosownych rekomendacji

52 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ