О перспективах применения хондроитина сульфата и глюкозамина сульфата в терапии пациентов с остеоартритом на фоне ожирения (метаболического синдрома)

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Остеоартрит (ОА) – дегенеративное заболевание суставов, связанное с гипертрофическими изменениями костей. Современные фармакологические методы лечения ОА включают применение нестероидных противовоспалительных препаратов, анальгетиков, кортикостероидов кратковременного действия, хондроитина сульфата (ХС), глюкозамина сульфата (ГС), гиалуроновой кислоты, экстрактов авокадо и различных комбинаций этих компонентов.

Факторы риска ОА включают травмы в анамнезе, пожилой возраст и ожирение. Высокая распространенность ожирения во всем мире существенно утяжеляет течение ОА в масштабе популяций [1]. В мире распространенность ожирения среди взрослых составляет примерно 13% [2]; в России и других странах ожирение часто сочетается с ОА (10–16%) [3][4]. Ожирение выделяется как отдельный фенотип ОА [5].

У пациентов с избыточной массой тела повышен риск развития ОА и более быстрого прогрессирования этого заболевания. Важной причиной возникновения и прогрессирования OA является инсулинорезистентность, которая запускает порочный круг метаболических изменений в жировой, соединительной и хрящевой тканях [6]. Клинико-эпидемиологические исследования показывают, что метаболический синдром, а не ожирение как таковое является главным фактором риска OA [7].

При снижении избыточной массы тела более чем на 5% отмечено уменьшение не только метаболических нарушений и факторов сердечно-сосудистого риска, но и симптоматики ОА [8]. Исследование пациентов с ОА и ожирением (n=2200, индекс массы тела (ИМТ) ~46 кг/м2) после хирургического лечения ожирения продемонстрировало снижение боли и улучшение функций суставов по шкале WOMAC¹ [9]. В другой работе (n=1383, средний возраст 64 года, ИМТ ~34 кг/м2, ожирение у 82%) показано, что для достижения клинически значимой разницы по индексу WOMAC снижение избыточной массы тела должно составлять не менее 7,7% от исходного значения [10].

В статье рассмотрены результаты постгеномных исследований патофизиологии ожирения и ОА, взаимосвязи между метаболизмом жиров, нарушениями метилирования ДНК и О-глюкозаминирования белков, результаты экспериментальных и клинических исследований влияния ХС и ГС на избыточную массу тела, а также положительные эффекты воздействия ХС и его олигосахаридов на микробиом желудочно-кишечного тракта, участвующий в обмене жиров.

ПОСТГЕНОМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАТОФИЗИОЛОГИИ ОЖИРЕНИЯ И ОСТЕОАРТРИТА / POSTGENOMIC STUDIES OF OBESITY AND OSTEOARTHRITIS PATHOPHYSIOLOGY

Постгеномные исследования интересны тем, что позволяют получить достаточно широкую картину молекулярных механизмов взаимосвязи патофизиологии различных заболеваний и действия лекарств на эти механизмы. Такие исследования активно проводятся, и их результаты дают возможность утверждать, что существуют сложные взаимосвязи между патофизиологией ОА, метаболического синдрома и эффектами ХС и ГС.

По итогам систематического анализа 37 постгеномных исследований выделено 483 гена и соответствующих белка, связанных с патогенезом ОА: белки регуляции роста соединительной ткани и белки регуляции воспаления, ингибирующие NF-κB и толл-рецепторы липополисахаридов [11]. Избыточная активность толл-рецепторов приводит к хронизации воспаления и развитию комплекса коморбидных патологий, включая ОА и атеросклероз [12]. ХС и ГС, ингибируя сигнальный каскад NF-κB, могут замедлять формирование и рост атеросклеротических бляшек [13]. По данным клинических исследований, регулярное потребление глюкозамина сокращает риск сердечно-сосудистой смертности на 58% [14]. Ингибирование NF-κB посредством ХС и ГС также способствует не только снижению системного воспаления, но и торможению неоваскуляризации при рестенозе после стентирования сосудов [15].

Полногеномное исследование позволило выявить 49 генов-кандидатов, влияющих на риск развития ожирения у человека. Наряду с очевидными генами-кандидатами (инсулин-индуцируемый ген INSIG2, ген FTO, кодирующий белок контроля жировой массы и др.) обнаружено, что важным геном-кандидатом является GNPDA2, кодирующий глюкозамин-6-фосфатдезаминазу 2, участвующую в метаболизме эндогенных ХС и ГС [16].

Взаимосвязь резистентности к инсулину и метаболизмом эндогенных ХС и ГС также опосредована нарушениями метилирования ДНК. Полногеномное исследование выявило 7402 гиперметилированных сайта и 6073 гипометилированных сайта при сравнении геномов здоровых добровольцев с геномами пациентов с инсулинорезистентностью. Дифференциально метилированные гены (SMYD3, UST, BCL11A, BAI3, CHST7, CHST12, CHST11, CHST3, CHST13, CSPG5, DCN, NCAN, DSE и др.) участвуют в процессах биосинтеза хондроитина и дерматансульфата [17]. Важно подчеркнуть, что нарушения метилирования ДНК зачастую связаны с недостаточностью фолатов, витамина В12, пиридоксина и других витаминов группы В.

МЕТАБОЛИЗМ ЖИРОВ И О-ГЛЮКОЗАМИНИРОВАНИЕ БЕЛКОВ / FAT METABOLISM AND PROTEIN O-GLUCOSAMINATION

На метаболизм жиров влияют посттрансляционные модификации белков (биохимические модификации специфических остатков белков после трансляции, т.е. синтеза белка на рибосоме). В частности, O-связанное ацетилглюкозаминирование (О-глюкозаминирование) белков осуществляется посредством O-глюкозаминтрансферазы (англ. O-glucosamine transferase, OGT). Фермент OGT катализирует перенос молекулы N-ацетилглюкозамина (GlcNAc) из комплекса «уридилдифосфат–GlcNAc» на аминокислотные остатки серина/треонина в цитоплазматических и ядерных белках. OGT гликозилирует несколько сотен белков протеома человека, включая гистон H2B, сигнальную киназу AKT1, сигнальные белки EZH2, MAPT/TAU и др. В частности, OGT ингибирует фосфорилирование аминокислотного остатка Thr-308 сигнальной киназы AKT1 и участвует в О-глюкозаминировании сигнальных компонентов инсулина, что приводит к ослаблению передачи сигналов в каскаде рецептора инсулина и формированию резистентности клеток к инсулину [18].

O-глюкозаминирование внутриядерного белка р53 в клетках печени взаимосвязано с выработкой глюкозы в печени. При голодании транскрипционный фактор р53 играет существенную роль в физиологической регуляции гомеостаза глюкозы в печени. Уровни белка р53 в печени пациентов с сахарным диабетом 2-го типа (СД2) повышены и положительно коррелируют с уровнями глюкозы и индекса инсулинорезистентности HOMA2 [19].

Снижение активности OGT или уровней комплекса «уридиндифосфат–GlcNAc», необходимого для работы фермента, снижает О-глюкозаминирование внутриядерных белков и тормозит провоспалительный транскрипционный ответ. Наоборот, повышение активности фермента OGT (например, на фоне дефицита ГС) стимулирует развитие воспаления в белой жировой ткани пациентов с ожирением [20].

Непосредственно участвуя в О-глюкозаминировании белков, фермент OGT ингибирует липолиз висцерального жира и способствует развитию ожирения, особенно на фоне диеты с высоким содержанием насыщенных жиров (рис. 1).

Делеция гена OGT у мышей вызывает быструю потерю висцерального жира за счет стимулирования липолиза. Потеря активности OGT снижает O-глюкозаминирование белка перилипин-1 (PLIN1), участвующего в формировании липопротеиновых частиц, что, в свою очередь, приводит к повышенному фосфорилированию PLIN1 и усилению липолиза. И наоборот, абнормально повышенная экспрессия OGT в жировой ткани ингибирует липолиз и способствует ожирению, вызванному диетой (рис. 2) [21].

Фермент OGT адипоцитов влияет на гиперфагию и ожирение, вызванные несбалансированной диетой. OGT адипоцитов стимулирует гиперфагию за счет транскрипционной активации накопления N-арахидонилэтаноламина – эндогенного каннабиноида, вызывающего аппетит. Фармакологическое воздействие на периферическую передачу сигналов каннабиоидного рецептора CB1 регулирует гиперфагию в зависимости от активности OGT адипоцитов [22].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ГЛЮКОЗАМИНА НА КОНТРОЛЬ МАССЫ ТЕЛА / EXPERIMENTAL STUDIES OF THE EFFECTS OF GLUCOSAMINE ON BODY WEIGHT CONTROL

Воздействия ГС на процессы О-глюкозаминирования белков и на провоспалительный сигнальный каскад NF-κB позволяют предположить положительные эффекты ГС при метаболическом синдроме и ожирении. Следует подчеркнуть, что ГС не оказывает отрицательного влияния на обмен глюкозы. Оценка эффектов ГС и комбинации ГС + ХС у крыс линии Zucker с моделью ожирения показала, что при пероральном приеме D-глюкозамина он не имеет значительного влияния на массу тела, уровень глюкозы в крови или уровень инсулина в сыворотке ни в одной из испытанных доз после приема в течение 13 нед [23]. В обсервационном исследовании ГС не влиял ни на средний уровень гемоглобина A1c, ни на получение его высокого уровня, ни на риск СД2 в течение 6,5 лет [24]. Результаты систематического анализа позволяют утверждать, что, несмотря на присутствие корня «глюко-» в названии ГС, данное вещество не стимулирует формирование или прогрессирование инсулинорезистентности [18].

Более того, данные новейших исследований демонстрируют положительное воздействие ГС на обмен жиров и метаболизм адипоцитов по нескольким молекулярным механизмам. Глюкозамин проявляет миметический эффект, схожий с результатами ограничения калорийности пищи у стареющих крыс. На фоне приема ГС отмечено повышение железовосстанавливающей способности плазмы, уровней ферментов-антиоксидантов супероксиддисмутазы, каталазы и окислительно-восстановительного потенциала плазматических мембран [25].

На клеточной модели in vitro клеток печени мышей линии AML12 и адипоцитов (линия клеток мышей 3T3L1), а также на модели in vivo мышей с нормальной диетой и диетой с высоким содержанием жиров показано, что ГС регулирует экспрессию фактора роста фибробластов 21 в печени и жировой ткани. Глюкозамин улучшает метаболизм глюкозы и повышает уровень FGF21 в печени посредством воздействия на передачу сигналов по каскадам NF-κB и PKA/CREB [26]. Обработка адипоцитов линии 3T3L1 посредством ГС снижает содержание триглицеридов, вызывает подавление адипогенеза, активирует аденозинмонофосфат-активируемую протеинкиназу (англ. adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMPK) вместе с ее субстратом ацетил-КоА-карбоксилазой, что может ингибировать дифференциацию адипоцитов [27].

Глюкозамин (500 мг/кг в питьевой воде, 21 нед) снижает скорость накопления внутрибрюшного жира и роста уровней лептина в сыворотке, а также уровень резистентности к инсулину у крыс на жирной диете. У животных, получаюших ГС, уменьшается уровень гликогена в печени. Применение глюкозамина частично ингибирует эффекты жирной диеты за счет снижения жировой массы тела и уровня лептина в сыворотке крови, что приводит к нормализации инсулинемического ответа на инъекцию глюкозы и снижению постабсорбционной гликемии [28].

В эксперименте пероральный прием глюкозамина (500 мг/кг/сут в питьевой воде, 22 нед) снижал резистентность к инсулину и повреждения ткани поджелудочной железы у крыс линии Wistar, находившихся на диете с высоким содержанием жиров. Данная диета стимулировала развитие инсулинорезистентности, повышение пикноза ядер клеток поджелудочной железы и их вакуолизации, жировой инфильтрации на фоне структурных изменений островков Лангерганса. Воспроизведение модели приводило к более высоким концентрациям триглицеридов, свободных жирных кислот и малонового диальдегида по сравнению с интактным контролем. Прием ГС ослаблял резистентность к инсулину и способствовал нормализации уровней триглицеридов, свободных жирных кислот и малонового диальдегида в сыворотке крови и тканях поджелудочной железы, а также тормозил гистопатологические изменения поджелудочной железы. Гистологическое исследование показало, что диета с высоким содержанием жиров приводит к полициклическим контурам, пикнозу, вакуолизации и жировой инфильтрации клеток. При приеме глюкозамина на фоне жирной диеты эти негативные гистологические изменения были существенно снижены [29].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И КЛИНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ХОНДРОИТИНА НА КОНТРОЛЬ МАССЫ ТЕЛА / EXPERIMENTAL AND CLINICAL STUDIES OF THE EFFECTS OF CHONDROITIN ON BODY WEIGHT CONTROL

Взаимосвязь патофизиологии ожирения и ОА опосредована нарушениями баланса адипокинов и провоспалительных цитокинов, гиперинсулинемией, саркопенией, а также нарушениями метаболизма компонентов соединительной ткани (ХС и других глюкозаминогликанов) [8]. Гепарансульфат, хондроитини кератансульфаты модулируют метаболическую дисфункцию, вызванную ожирением, и способствуют снижению хронического воспаления, влияющего на возникновение и прогрессирование коморбидных ожирению заболеваний [30].

Применение ХС при ожирении снижает и воспаление, и атерогенез. Например, лечение мышей с ожирением посредством ХС уменьшало размер атероматозных бляшек на бифуркациях крупных артерий на 62,5%, концентрацию интерлейкина 1β в сыворотке крови – на 70%, концентрацию фактора некроза опухоли альфа (ФНОα) – на 82%. Культуры коронарных эндотелиальных клеток и моноцитов, стимулированные цитокином ФНОα, секретировали меньшие количества провоспалительных цитокинов в присутствии ХС по сравнению с контролем (р<0,01). ХС снижал активацию сигнального пути ФНОα в эндотелиоцитах (снижение уровней фосфорилированной киназы Erk – на 36%, уровней NFκB – на 33%), а также миграцию активированных моноцитов к очагу воспаления (рис. 3, 4) [31].

ХС ингибирует высвобождение белка-хемоаттрактанта MCP-1 из адипоцитов. Основное действие белка MCP-1 заключается в индукции миграции моноцитов в очаг воспаления жировой ткани. ХС в концентрациях 100–200 мкг/мл дозозависимо ингибировал высвобождение MCP-1 из воспаленных адипоцитов (при 100 мкг/мл 95% доверительный интервал (ДИ) –5,89…–3,85, р<0,01; при 200 мкг/мл 95% ДИ –6,03…–3,99, р<0,001) (рис. 5) [32].

Олигсахариды ХС ингибируют панкреатическую липазу, а также пролиферацию и накопление липидов в зрелых адипоцитах. При этом ХС с более высокой молекулярной массой проявляет бо́льшую ингибирующую активность по отношению к липазе. Олигосахариды ХС могут снижать избыточную жировую массу у мышей на диете с высоким содержанием жиров, предотвращая увеличение массы тела, массы печени и жировой ткани, поддерживая более низкое потребление пищи, ингибируя всасывание триглицеридов в кишечнике и снижая уровень эндотоксинов в сыворотке крови [33].

У крыс на диете с высоким содержанием жиров глюкозамин и олигосахариды ХС (6 нед) снижали уровни общего холестерина и липопротеинов низкой плотности в сыворотке крови (р<0,01). Гистологический анализ показал, что на фоне жирной диеты развилась высокая степень стеатоза: обнаруживаются гепатоциты с выраженными жировыми вакуолями и инфильтрацией воспалительных клеток. При применении ХС количество жировых вакуолей и некротических клеток снижалось на фоне редукции гистологических признаков стеатогепатоза [34].

Следует отметить, что фармакотерапия ХС у больных ОА на фоне атеросклероза и/или ожирения повышает требования к степени очистки субстанции ХС (т.к. ХС – субстанция природного происхождения). Препараты ХС существенно отличаются по качественному и количественному составу. Например, был проведен сравнительный анализ шести препаратов ХС на основании профилей микроэлементного состава, содержания серы, хроматографического анализа ХС и теста на общий белок. Наибольшим содержанием хондроитина сульфата и серы при условии наименьшего содержания токсичных микроэлементов и белковых примесей отличался экстракт ХС, полученный из трахеи быка (Хондрогард®) [37]. Препараты ХС с высокой степенью очистки от неорганических и органических примесей могут проявлять гепатопротекторные эффекты [38].

Среди препаратов ХС для инъекционного введения наилучшей степенью очистки и наибольшей доказательной базой характеризуется Хондрогард® [39–41]. Метаанализ восьми клинических исследований (n=771, возраст 53,6±6,2 года) применения инъекционной формы препарата Хондрогард® в комплексной терапии ОА подтвердил достоверные ассоциации между его использованием и снижением уровня боли по визуальной аналоговой шкале, индексов Лекена и WOMAС при встречаемости побочных эффектов, статистически значимо не отличимой от контроля [42]. Терапия препаратом Хондрогард® способствует существенному снижению болевого синдрома и скованности, улучшению функционального состояния коленных суставов при высоком уровне безопасности, в т.ч. у больных с коморбидными ОА патологиями.

ОЖИРЕНИЕ И ЭФФЕКТЫ ХОНДРОИТИНА НА МИКРОБИОМ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОГО ТРАКТА / OBESITY AND THE EFFECTS OF CHONDROITIN ON THE GASTROINTESTINAL TRACT MICROBIOME

Наличие хронического воспаления, играющего важную роль в патогенезе ОА, связано с состоянием микробиома кишечника. Систематический анализ 19 исследований подтвердил, что ожирение и диеты с высоким содержанием жиров и сахаров приводят к дисбактериозу кишечника, характеризующемуся повышенным соотношением Firmicutes : Bacteroidetes и повышенной проницаемостью желудочной стенки. Эти изменения связаны с увеличением уровня бактериальных липополисахаридов в сыворотке крови, что приводит к синовиту и утяжелению течения ОА. Анализ подтвердил взаимосвязь между диетой, дисбактериозом кишечника, рентгенологической картиной и клинической симптоматикой ОА [43].

Кроме того, постгеномные исследования показали изменение метаболитов кишечных микробов у взрослых с ожирением. Изменения в кишечной микробиоте могут привести к модуляции кишечных метаболитов, способствующих гликолизу, циклу трикарбоновых кислот и гомолактической ферментации. По результатам метаболического анализа обнаружена корреляция между нарушениями уровней метаболитов в кишечнике (фенилаланин, тирозин, мочевая кислота, кинуреновая кислота, сульфат холестерина и глюкозамин) и ожирением/диабетом. Выявленные изменения метаболитов, связанных с кишечной микробиотой, могут служить полезными биомаркерами для оценки риска ожирения, инсулинорезистентности и глюкозотолерантности [2].

Важным дополнительным эффектом ХС, который отсутствует у большинства других препаратов, применяющихся в терапии ОА, является положительное воздействие на микробиом желудочно-кишечного тракта. Например, в эксперименте на мышах линии C57BL/6, получавших диету с высоким содержанием жиров, прием ХС в течение 8 нед защищал от формирования неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП) посредством модулирования оси «кишечник–печень». Применение ХС тормозило развитие НАЖБП не только за счет снижения накопления липидов, резистентности к инсулину и повреждений печени, но и посредством восстановления баланса кишечной микробиоты. В частности, ХС способствовал увеличению относительной численности бактерий, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), что важно для метаболизма липидов [44].

Фукозилированные формы ХС из морского огурца (Isostichopus badionotus) снижают связанные с ожирением метаболические синдромы и дисбактериоз кишечника, вызванные диетой с высоким содержанием жиров у мышей линии C57BL/6 в течение 6 нед. ХС уменьшал соотношение бактерий Firmicutes : Bacteroidetes за счет сокращения количества Lachnospiraceae и Allobaculum при одновременном увеличении количества Porphyromonadaceae, Barnesiella и бактероидов, продуцирующих масляную кислоту и другие КЦЖК [45]. Микробиомные эффекты ХС включали повышение количеств Lactobacillus (защищает кишечный барьер) и бактерий, продуцирующих КЦЖК (Lactobacillus, Bifidobacterium, Lachnospiraceae), снижение количества продуцента провоспалительных липополисахаридов (кишечная палочка). Показано, что ХС увеличивает уровни фекальных КЦЖК, которые активируют AMPK и сокращают хроническое воспаление тканей [46]. Заметим, что положительное воздействие ХС и его олигосахаридов на кишечную микробиоту делает ХС важным предметом исследований для модуляции свойств лекарственных препаратов посредством нанокапсулирования [47–49].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Остеоартрит и СД2 часто коморбидны с ожирением и/или избыточной массой тела. Резистентность к инсулину оказывает негативное воздействие на течение ОА вследствие увеличения окислительного стресса и хронического воспаления, усиливающегося при гипергликемии. Взаимосвязь между патофизиологией ОА и инсулинорезистентностью поднимает вопросы безопасности применения некоторых препаратов, назначаемых больным ОА (парацетамол, нестероидные противовоспалительные препараты, глюкокортикостероиды).

В то же время фармацевтически стандартизированные субстанции ХС и ГС могут безопасно использоваться (перорально, парентерально) у пациентов с ОА на фоне инсулинорезистентности и метаболического синдрома. Молекулярные механизмы действия ХС и ГС у таких больных включают:

• ингибирование толл-рецепторов;
• ингибирование каскада NF-κB;
• торможение О-глюкозаминирования внутриядерных белков (в т.ч. р53);
• регуляцию экспрессии фактора роста фибробластов 21;
• активацию AMPK;
• ингибирование секреции хемоаттрактантного белка MCP-1;
• ингибирование панкреатической липазы.

Важным эффектом ХС и ГС является положительное влияние на состояние микробиома кишечника. Их воздействие через эти механизмы не только снижает хронизацию воспаления, но и способствует активации липолиза и сокращению гиперлипидемии. Возможность применения ХС и ГС при ОА длительными курсами позволяет корректировать метаболические нарушения, связанные с инсулинорезистентностью и ожирением.