Воспаление является ответом организма на различного рода повреждения и связано с активацией определенных молекулярных механизмов. В дополнение к локализованным проявлениям воспаления непосредственно в месте воздействия (покраснение, припухлость, отек, боль, нарушение функции органа или ткани, локальная гипертермия), в зависимости от степени или специфики повреждения могут развиваться и системные реакции.
Отмечается, что как местный, так и системный воспалительный ответ, инициируемый воспалительным процессом, указывают на дисбаланс в метаболизме в затронутых тканях. Нарушение метаболизма в месте повреждения обусловлено локальным увеличением количества иммунных клеток и их разнообразными метаболическими потребностями, которые отличаются от потребностей других клеток в месте воспаления.
Считается, что хроническое воспаление является неотъемлемой частью развития серьезных системных заболеваний, таких как сахарный диабет 2-го типа, сердечно-сосудистые заболевания, желудочно-кишечные расстройства, ревматоидный артрит и др. Существует ряд различных воспалительных маркеров, которые имеют важное клиническое значение, включая высокочувствительный С-реактивный белок, количество лейкоцитов и фибриноген в крови.
Высокочувствительный С-реактивный белок и фибриноген представляют собой белки острой фазы воспаления, которые секретируются печенью и синтез которых усиливается под влиянием провоспалительных цитокинов, например интерлейкина-6, который синтезируется активированными макрофагами и Т-клетками.
Следует понимать, что повреждение ткани может иметь различное происхождение, а повышение уровня маркеров воспаления отражает лишь общий воспалительный ответ, а не относится непосредственно к конкретной причине повреждения. Например, в ходе исследований продемонстрировано, что повышение уровня лейкоцитов в крови отмечается не только во время инфекционного заболевания, но и при кардиоваскулярной патологии, сахарном диабете 2-го типа, метаболическом синдроме и др.
Учитывая тесную связь хронического воспаления со многими заболеваниями и его бремя как для пациента, так и системы здравоохранения, ученые считают, что улучшение понимания метаболических последствий хронических неспецифических воспалительных процессов является насущной потребностью. Подходящим инструментом для этой цели является метаболическое профилирование, поскольку оно позволяет исследовать широкий спектр различных молекул (метаболитов) в определенных биологических жидкостях.
Следовательно, анализ этих метаболитов по отношению к воспалительным маркерам, таким как высокочувствительный С-реактивный белок, количество лейкоцитов или фибриноген в крови, может позволить идентифицировать изменения на молекулярном уровне и тем самым более точно охарактеризовать субклиническое воспалительное состояние.
В предыдущих исследованиях уже были идентифицированы метаболиты, такие как жирные кислоты, арахидоновая кислота, пальмитат, различные лизофосфатидилхолины, метаболиты пуринового обмена и аминокислоты, связанные с воспалительными процессами у пациентов с ожирением, сахарным диабетом 2-го типа или их осложнениями.
Исходя из этого ученые Германии провели исследование метаболома плазмы крови и мочи, связанного с изменениями уровней высокочувствительного С-реактивного белка, количества лейкоцитов или фибриногена у участников исследования без сахарного диабета с целью улучшения понимания связанного с метаболизмом воспаления. Результаты этой работы опубликованы 30 ноября 2017 г. в журнале «BMC Medicine».
В исследовании приняли участие 925 человек. Метаболомические данные плазмы крови и мочи получены с использованием масс-спектрометрии и ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии. Также в анализе учитывали статус курения и употребления алкоголя, возраст, пол, физическую активность, антропометрические данные, уровни глюкозы, аланинаминотрансферазы и триглицеридов в крови, скорость клубочковой фильтрации и др.
Отмечается, что средний возраст участников составил 50 лет. Представители мужской когорты чаще всего никогда не курили, имели бо`льшую окружность талии, более высокие уровни глюкозы и триглицеридов в крови, а также расчетную скорость клубочковой фильтрации, тогда как уровни холестерина в крови оказались несколько ниже, чем у женщин. Что касается воспалительных маркеров, то в количестве лейкоцитов различий между когортами не выявлено, тогда как уровни фибриногена и высокочувствительного С-реактивного белка в крови были ниже у мужчин, чем у женщин.
Высокочувствительный С-реактивный белок, количество лейкоцитов и фибриноген показали значительные ассоциации с 71; 20 и 19 из 613 плазменных метаболитов соответственно, причем ни один из метаболитов не был общим для всех трех переменных. При этом метаболиты брадикинина, биливердин, гамма-глутамилметионин, сфингомиелин C24:1 (C24:1 — это сумма ацильных остатков — Прим. ред.), аминокислоты глутамин, глицин и серин, а также некоторые неидентифицированные химические соединения ассоциировались с двумя переменными.
Обнаружено множество уникальных ассоциаций с высокочувствительным С-реактивным белком. Прямая взаимосвязь выявлена с валином, пипеколатом, ацилкарнитином, длинноцепочечными жирными кислотами, сфингомиелином, диацилфосфатидилхолином, уровнями кортизола и другими, а выраженная обратная связь — с элементами цикла мочевины (цикл Кребса) и некоторыми лизофосфатидилхолинами, содержащими поли- и ненасыщенные жирные кислоты.
Наиболее значимыми открытиями, уникальными для количества лейкоцитов, стали ассоциации с лактатом, пируватом, сфингозином и гексадеканедиоатом, а для фибриногена — прямая взаимосвязь с прегнанедиол-3-глюкуронидом плазмы крови и обратная — с фосфатидилхолинами.
В общем ассоциации высокочувствительного С-реактивного белка, количества лейкоцитов и фибриногена с метаболитами мочи были менее частыми находками по сравнению с плазмой крови и показали статистически значимую взаимосвязь с 22; 3 и 16 из 587 метаболитов мочи соответственно. Прямая связь с дисахаридом 3’-сиалиллактозой была общей для всех исследованных признаков, и более того, это наиболее выраженная ассоциация в рамках настоящего исследования.
Подобно плазме крови, высокочувствительный С-реактивный белок продемонстрировал наибольшее количество уникальных ассоциаций, включая прямую связь с гомоцитруллином, таурохолатсульфатом и несколькими неизвестными соединениями, а также обратную — с глицином, 2-аминооктаноатом, глицилпролином и 7-метилгуанином. Уникальные ассоциации с фибриногеном включали 3-уреидопропионат, гексаноилглицин, 5-альфа-прегнан-3-бета, 20-альфа-диолдисульфат, о-крезола сульфат и ксенобиотики 3-этилфенилсульфат и N-оксида котинин.
Учитывая большое количество выявленных ассоциаций, исследователи приняли решение выделить наиболее прогностически и статистически значимые переменные. В этом подходе, согласно заявлению авторов, четко подчеркивается важность пяти метаболитов, состоящих из трех метаболитов плазмы крови (лизофосфатидилхолин 18:2, аденозин-5’-фосфат и глутамат), а также двух метаболитов мочи (C-маннозилтриптофан и 3’-сиалиллактоза).
Одной из общих черт высокочувствительного С-реактивного белка и фибриногена, указывающих на наличие неспецифического воспаления, является увеличение количества метаболитов брадикинина в плазме крови. Брадикинин действует как вазоактивный пептидный гормон посредством связывания с рецепторами брадикинина (B1 и B2) в эндотелии сосудов и приводит к развитию некоторых классических симптомов воспаления, а именно отеку и покраснению. Однако стоит отметить, что повышение проницаемости стенки сосудов и гладкомышечного тонуса являются лишь двумя из нескольких механизмов действия брадикинина.
Имеются противоречивые сообщения о взаимосвязи брадикинина с сердечно-сосудистой системой. Кроме того, образование брадикинина приводит к высвобождению различных цитокинов, например интерлейкина-6, который дополнительно активирует врожденную иммунную систему и, таким образом, приводит к высвобождению С-реактивного белка из печени.
Говоря об ассоциациях с пипеколатом, авторы отмечают, что даже микробиота способна продуцировать его при приеме лизина в качестве субстрата, а дисбактериоз является отличительной чертой многих воспалительных заболеваний. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования, чтобы более подробно изучить связь между уровнями пипеколата в плазме крови и составом микробиоты кишечника.
Авторы отмечают, что глутамин способен эффективно противодействовать воспалению. Этот вывод согласуется с выявленной обратной связью между ним и уровнями высокочувствительного С-реактивного белка в настоящем исследовании. Известно, что глутамин как предшественник глутатиона играет решающую роль в предотвращении окислительного повреждения в организме человека, а также оказывает положительное влияние на поддержание гастроинтестинального барьера и эндотелиальную функцию стенок кровеносных сосудов. Это согласуется с результатами другого интервенционного исследования среди женщин пожилого возраста, которое показало, что 6-месячный прием аминокислот, включая глутамин, значительно снижает уровень высокочувствительного С-реактивного белка в крови и, следовательно, имеет потенциальные положительные эффекты.
В дополнение к своей роли предшественника глутатиона глутамин участвует в метаболизме аргинина, который представляет собой аминокислоту цикла Кребса и, как выявлено в настоящем исследовании, обратно связан с уровнем высокочувствительного С-реактивного белка в крови. Предыдущие исследования показали иммуномодулирующий эффект и противовоспалительные свойства аргинина. Интересно, что во время фазы восстановления и уменьшения проявлений воспаления наблюдается повышение уровня аргинина и цитруллина в крови. Кроме того, в результатах другого исследования указано, что среди критически больных пациентов низкие уровни цитруллина в плазме крови связаны с низкими уровнями аргинина и глутамина, а также с повышенными уровнями высокочувствительного С-реактивного белка. Даже если основные механизмы действия глутамина еще не до конца изучены, можно предположить, что он играет крайне важную роль в воспалительных процессах.
Лизофосфатидилхолины считают провоспалительными агентами, имеющими непосредственное отношение как к острому, так и к хроническому воспалению, а также атеросклерозу, и, как предполагается, они связаны с воспалительными заболеваниями, например с ревматоидным артритом. Интересно, что популяционные исследования выявили обратные ассоциации между лизофосфатидилхолином 18:1 и 18:2 и риском развития сахарного диабета 2-го типа и ишемической болезнью сердца. Учитывая, что хроническое воспалительное состояние является характерным признаком таких заболеваний, выявление обратной связи с высокочувствительным С-реактивным белком в рамках настоящего исследования дополнительно доказывает функциональное значение лизофосфатидилхолинов как медиаторов между воспалением и связанными с ним заболеваниями.
Метаболит 3’-сиалиллактоза в моче показал самую сильную положительную связь со всеми исследованными переменными. 3’-Сиалиллактоза, которая состоит из сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты) и лактозы, относится к группе олигосахаридов, которые обычно являются компонентами грудного молока и демонстрируют протекционные, а также иммуномодулирующие эффекты в отношении новорожденных.
Примечательно, в настоящем исследовании уровни сиаловой кислоты в моче также повышались при воспалительных состояниях, особенно в соответствии с уровнями фибриногена и в некоторой степени высокочувствительного С-реактивного белка. Более того, в другом исследовании авторы продемонстрировали прямую связь между сиаловой кислотой и высокочувствительным С-реактивным белком у пациентов с сердечной недостаточностью и даже предложили их в качестве надежных маркеров системного воспаления у пациентов с хронической сердечной недостаточностью.
Сиаловая кислота, по-видимому, является провоспалительным маркером не только в случае хронической сердечной недостаточности, но также и при других патологических состояниях, таких как тромбоз глубоких вен, сахарный диабет 2-го типа и связанная с ним диабетическая нефропатия.
Однако парадоксальным является расхождение с вышеупомянутым защитным и иммуномодулирующим эффектом 3’-сиалиллактозы у новорожденных. Возможно, иммуномодулирующие и противовоспалительные эффекты 3’-сиалиллактозы проявляются только у новорожденных, чья иммунная система все еще развивается, тогда как ко взрослому возрасту, по-видимому, достигается совершенно противоположный эффект. Эта ситуация должна быть дополнительно исследована с помощью интервенционных исследований, заявляют авторы.
В целом метаболомика является довольно молодой отраслью науки, имеющей достаточно много пробелов в знаниях. Поэтому ключевые метаболиты, обсуждаемые и представленные в рамках настоящего исследования, являются ценными целями будущих подобных работ для улучшения диагностики и лечения пациентов с воспалительными заболеваниями. Более того, эти метаболиты могут также объяснять молекулярные связи между неспецифическим воспалительным состоянием и метаболическими заболеваниями, поскольку подобные молекулы все чаще признаются в качестве медиаторов при прогрессировании различных заболеваний.
Однако следует отметить, что из-за модели данного исследования нельзя сделать вывод о причинности выявленных ассоциаций. Авторы считают, что необходимо проводить подобные работы и в отношении других установленных воспалительных маркеров, таких как интерлейкин-6 или фактор некроза опухоли-α. Поскольку настоящее исследование касалось, в частности, неспецифического воспалительного состояния, необходимы дальнейшие исследования в когортах пациентов с воспалительными заболеваниями, например артритом или хроническим панкреатитом, для оценки клинической пользы представленных метаболических маркеров воспаления.
В заключение авторы пришли к выводам, что в рамках первого в своем роде исследования метаболического профиля по-видимому здорового населения в целом относительно его взаимосвязи с тремя клинически значимыми представителями воспалительных показателей выявлена обширная картина различных связанных метаболитов плазмы крови и мочи, в том числе и классических маркеров воспаления, например системы брадикинина.
Важно отметить, что исследователи смогли описать новые метаболиты, которые еще не были исследованы в отношении их связи с воспалением, такие как 3’-сиалиллактоза. Они могут оказаться потенциально важными новыми неинвазивными биомаркерами для выявления неспецифических воспалительных процессов в клинической практике.
- Pietzner M., Kaul A., Henning A.K. et al. (2017) Comprehensive metabolic profiling of chronic low-grade inflammation among generally healthy individuals. BMC Med., 15(1): 210.
Олег Мартышин
