Метаболизм кишечных газов и его роль в возникновении гастроинтестинальных симптомов

Введение

Метаболизм кишечных газов представляет собой сложный и строго регулируемый процесс, включающий продукцию, потреб­ление, выделение и утилизацию газа различными отделами кишечника. Несмотря на то что интерес к этой гастроэнтерологической проблеме постоянно возрастает, патофизиологические механизмы нарушения метаболизма кишечных газов и их значение в возникновении гастроинтестинальных симптомов все еще дискутабельны.

На сегодняшний день в англоязычной литературе все чаще упоминается термин «симптомы, связанные с газами» (gas-rela­ted symptoms). Это понятие подразумевает наличие у пациента неспецифических жалоб, возникающих вследствие избытка полостных газов в кишечнике (Chang L. et al., 2001). К таким симптомам можно отнести вздутие живота, флатуленцию (выделение газов), отрыжку воздухом, ощущение растяжения живота и абдоминальный дискомфорт. Эти симптомы продолжают оставаться наиболее частыми проявлениями функциональных заболеваний кишечника, а также некоторых органических поражений желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Дальнейшее изучение физиологии и патофизиологии газообразования в кишечнике позволит приблизиться к пониманию механизмов возникновения таких симптомов, что даст возможность более эффективно воздействовать на основные патогенетические механизмы заболевания.

Механизмы образования кишечных газов

Состав газовой смеси отличается в различных отделах ЖКТ. Основным источником газовой смеси желудка считается воздух, который попадает при заглатывании как во время приема пищи, так и отдельно (Azpiroz F. et al., 2007).

Что касается газового состава кишечника, то он в значительной степени определяется физиологией микрофлоры, заселяющей тот или иной сегмент кишечника. Процессы бактериального гидролиза пищевых ингредиентов и образования газов наиболее интенсивно протекают в толстой кишке, поскольку в норме именно там определяется наибольшее количество микроорганизмов (Gasbarrini A. et al., 2007). Газовая смесь кишечника на более чем 99% состоит из 5 газов, не обладающих запахом — азота, кислорода, углекислого газа, водорода и метана, содержание которых варьирует в широких пределах (таблица) (Lembo T. et al., 1999).

Другие газы, обладающие запахом, такие как аммиак, индол, скатол, летучие амины (путресцин, кадаверин) и короткоцепочечные жирные кислоты присутствуют только в следовых количествах и составляют не более 1% общей газовой смеси кишечника (Hahn B. et al., 1998; Lembo T. et al., 1999). Свободные индол и скатол образуются в кишечнике вследствие бактериальной ферментации триптофана. Часть индола всасывается в кровь и метаболизируется печенью с образованием индоксила и индоксил сульфата. Последний выделяется с мочой в виде калиевой соли, которая получила название «индикан» (Губський Ю.І., 2000). Аммиак также образуется из аминокислот под воздействием ферментов кишечной микрофлоры в результате дезаминирования. Путресцин и кадаверин образуются микроогранизмами путем декарбоксилирования соответственно орнитина и лизина. Короткоцепочечные жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная, изовалериановая и др.) являются продуктом деградации полисахаридов (Binder H.J., 2010).

Долгое время стереотипно считалось, что именно такие продукты распада аминокислот, как индол и скатол являются первичными компонентами газов с неприятным запахом. Однако в последних исследованиях установлено, что за характерный запах человеческих фекалий ответственны компоненты, в состав которых входит сера — сульфид водорода, диметилсульфид и метантиол (Houghton L.A. et al., 2006).

Такие газы, как водород и метан образуются в кишечнике исключительно за счет бактериальных метаболических процессов. Это подтверждается тем, что, как показано в эксперименте, стерильные крысы не могут продуцировать ни водород, ни метан. Аналогично у новорожденных в первые 12 ч жизни не наблюдается водорода и метана в выдыхаемом воздухе (Di Stefano M. et al., 2006). Отмечено также, что у голодающих лиц продукция водорода обычно низкая, но после употребления ферментируемых и неперевариваемых субстратов, преимущественно углеводов, внутрипросветные бактерии выделяют существенное его количество (Gasbarrini A. et al., 2009).

Еще одним механизмом поступления газов в просвет кишечника может быть их диффузия из кровяного русла. Поскольку образование водорода, углекислого газа и метана может приводить к снижению парциального давления азота в просвете до величин, значительно меньших, чем в крови, то этот газ может диффундировать из сосудистого русла в просвет кишечника (Gasbarrini A. et al., 2009).

Утилизация газов ЖКТ осуществляется за счет таких процессов, как отрыжка, выделение естественным путем, бактериальное потребление и выделение с выдыхаемым воздухом. Последние два механизма требуют особого внимания. Некоторые бактерии не выделяют, а наоборот, потребляют газы, ранее образованные в кишечнике. Так, архебактерии (Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae и другие Methanobacteriales) в процессе анаэробного дыхания окисляют молекулярный водород с образованием метана, сульфатредуцирующие бактерии родов Desulfomaculum, Desulfovibrio, Desulfomonas используют водород из просвета кишечника для формирования конечного продукта энергетического обмена — сульфида водорода. Ацетогенные бактерии (некоторые виды клостридий) могут потреблять водород при восстановлении диоксида углерода с формированием уксусной кислоты (Готтшалк Г., 1982; Климнюк С.І. та ін., 2004). Бактерии рода Campylobacter (в том числе Helicobacter pylori) содержат мембранные гидрогеназы, что позволяет им использовать молекулярный водород в дыхательной цепи для аккумуляции энергии (Olson J.W., Maier R.J., 2002; Maier R.J., 2005).

Кишечные газы могут быстро сорбироваться в кровь и далее выделяться с выдыхаемым воздухом. Так, абсорбированные водород и метан практически полностью удаляются из крови за один пассаж через легкие, таким образом, уровень экскреции этих газов должен быть эквивалентен его абсорбции в кишечнике (Di Stefano M. et al., 2006). Это дает теоретичес­кую основу для проведения водородных и метановых дыхательных тестов. По характеру изменений концентрации водорода/метана в выдыхаемом воздухе можно диагностировать такую патологию, как мальабсорбция углеводов (лактоза, глюкоза, фруктоза, сорбитол и др.), синдром избыточного бактериального роста (тест с лактозой, D-ксилозой, глюкозой), а также оценить состояние моторно-эвакуаторной активности ЖКТ путем оценки ороцекального транзита (лактулозный водородный дыхательный тест).

Роль кишечных газов в формировании гастроинтестинальных симптомов

Механизмы, лежащие в основе вздутия и растяжения до сих пор полностью не изучены, однако в настоящее время предполагается, что в патогенезе формирования данных симптомов вовлечено множество факторов, среди которых повышенное газообразование, уменьшение потребления внутрипросветного газа, нарушение моторики ЖКТ и выделения газа, висцеральная гиперчувствительность, нарушение мышечной активности стенки живота. Сейчас хорошо известна зависимость газообразования от характера питания. Так, даже у здоровых лиц некоторые фрукты и овощи (в частности бобовые и фасоль), пшеничная мука, овес, картофель и зерновые, содержащие олигосахариды, не перевариваются ферментами в верхних отделах ЖКТ и, таким образом, становятся доступным субстратом бактериальной ферментации (Gasbarrini A. et al., 2009), что может приводить к вздутию живота.

Повышенное потребление продуктов с высоким содержанием так называемых пищевых волокон (растительная клетчатка, пектин, рафиноза) также может стать источником повышенного газообразования даже у здоровых лиц.

Что качается взаимосвязи между избыточным содержанием кишечного газа и вздутием живота у пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, то этот вопрос до сих пор остается открытым. Использование техники отмывания кишечных газов продемонстрировало, что объем газов у пациентов с синдромом раздраженной кишки (СРК) сходный с таковым у здоровых лиц (Caldarella M.P. et al., 2002). В то же время некоторые исследования, основанные на количественном определении кишечных газов при помощи обычной рентгенографии, доказали повышенное содержание газов у пациентов с СРК по сравнению с контролем (Koide A. et al., 2000). В ряде работ продемонстрировано значительное повышение экскреции водорода и метана выдыхаемым воздухом у пациентов с СРК по сравнению с контролем (King T.S. et al., 1998). Хотя в других исследованиях указывается на иные возможные причины возникновения вздутия живота у пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, как то: нарушение распределения газов в кишечнике без изменения их объема (Harder H. et al., 2003) и смещение диафрагмы (Accarino A. et al., 2009).

Такая неоднозначность мнений побудила нас к формированию собственного виденья представленной проблемы. Так, при обследовании 51 пациента с диагнозом СРК и диареей (Римские критерии ІІІ) у 21 из них установлен высокий уровень водорода в выдыхаемом воздухе натощак, причем выраженность вздутия живота у таких пациентов имела сильную корреляционную связь с уровнем экскреции водорода (r=0,81; p<0,001) (рисунок).

Рисунок 1

Зависимость между выраженностью вздутия живота (по 5-балльной шкале) и базальным уровнем водорода в выдыхаемом воздухе у пациентов с СРК и диареей (результаты собственных наблюдений)

Показано, что применение нифуроксазида у пациентов с высокой экскрецией водорода привело к достоверному снижению выраженности вздутия живота (3,92±0,21 против 1,07±0,27; p<0,001 методом дисперсионного анализа повторных измерений). Это подтверждает мнение о том, что в возникновении симптомов СРК, в частности вздутия живота, определенную роль могут играть условно патогенные бактерии толстой кишки.

На сегодняшний день связь между симптомами СРК и нарушением микробиоценоза кишечника обсуждается в литературе достаточно широко (Sawers R.G., 2005; Spiller R.C., 2007; Thabane M. et al., 2007). Ряд исследований указывает на различие микробного состава у здоровых лиц и пациентов с СРК. Наиболее частыми микроорганизмами при этом являются облигатные и факультативные анаэробы: микроаэрофилы рода Campylobacter (C. coli, C. jejuni, C. lari), факультативные анаэробы — Salmonella, Shigella, Escherichia coli, Proteus, а также облигатные анаэробы — Clostridium (Sawers R.G., 2005; Spiller R.C., 2007; Thabane M. et al., 2007). Вероятнее всего колонизация этими микроорганизмами является следствием перенесенной острой кишечной инфекции с последующим формированием хронического бактериального носительства (Готтшалк Г., 1982). Известно, что при анаэробном метаболизме Escherichia coli, Salmonella, Clostridium в числе конечных продуктов ферментирования субстрата могут образовывать молекулярный водород (Sawers R.G., 2005; Марков С.А., 2007; Lin P.Y. et al., 2007). В толстой кишке относительно долгое время может находиться субстрат для бактериального брожения (крахмал, целлюлоза, полисахариды кишечной слизи). Многие кишечные бактерии могут синтезировать экстрацеллюлярные ферменты-гидролазы (целлюлаза, пектиназа и др.), которые катализируют расщепление полисахаридов с образованием простых сахаров, являющихся субстратом для дальнейшего образования газообразного водорода в процессе анаэробного окисления (McBee R.H., 1948; Englyst H.N. et al., 1987; Demain A.L. et al., 2005).

Следовательно, у части пациентов с нарушением нормального качественного микробного состава толстой кишки возможно повышение базального уровня водорода выдыхаемого воздуха, что и демонстрируют наши данные.

У пациентов с дисахаридазной недостаточностью (непереносимость лактозы, фруктозы, сорбитола) возможно повышенное газообразование вследствие того, что в толстую кишку попадают неадсорбированные в тонкой кишке моно- и дисахариды, которые являются субстратом для бактериальной ферментации с последующим образованием конечных газо­образных продуктов. Поэтому исключение продуктов, содержащих непереносимые углеводы, может быть эффективным терапевтическим воздействием.

Выводы

Вздутие живота, флатуленция, ощущение растяжения живота являются довольно частыми симптомами при функциональных заболеваниях кишечника, которые в значительной степени влияют на качество жизни пациентов. Изучение механизма образования кишечных газов дает ключ к пониманию возникновения симптомов, связанных с газообразованием, что, в свою очередь, может помочь в разработке стратегий лечения. На сегодняшний день известен ряд причин повышенного газообразования, среди которых значительную роль играют питание и качественные/количественные нарушения микробиоценоза кишечника.

Диета может быть значимым терапевтическим фактором у пациентов с функцио­нальными заболеваниями кишечника, сопровождаемыми симптомами, связанными с повышенным газообразованием. Поскольку некоторые фрукты и овощи (в частности бобовые и фасоль, пшеничная мука, овес, картофель и зерновые) могут быть хорошим субстратом для бактериальной ферментации, их следует исключить из рациона. Рекомендуется также ограничение в рационе простых углеводов (глюкоза, фруктоза, сорбитол).

Результаты ряда исследований подтверждают различие микробного состава толстой кишки у здоровых лиц и пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, в частности — преобладание у последних факультативных и облигатных анаэробов. Следовательно, применение кишечных антисептиков у этих больных может быть эффективным.

Более глубокое понимание патофизио­логических механизмов нарушения метаболизма кишечных газов в будущем позволит эффективно влиять на патогенез функциональных заболеваний кишечника в целом и на повышенное газообразование в частности.

Литература

• Готтшалк Г. (1982) Метаболизм бактерий (Пер. с англ.). Мир, Москва, 310 c.
• Губський Ю.І. (2000) Біологічна хімія. Укр­медкнига, Київ — Тернопіль, 508 с.
• Климнюк С.І., Ситник І.О., Творко М.С., Широбоков В.П. (2004) Практична мікробіологія. Укрмедкнига, Тернопіль, 449 с.
• Марков С.А. (2007) Биоводород: возможное использование водорослей и бактерий для получения молекулярного водорода. Альтернативная энергетика и экология, 1(45): 30–35.
• Accarino A., Perez F., Azpiroz F. et al. (2009) Abdominal distention Results From caudo-ventral Redistribution of contents. Gastroenterology, 136(5): 1544–1551.
• Azpiroz F., Bouin M., Camilleri M. et al. (2007) Mechanisms of Hypersensitivity in IBS And Functional disorders. Neurogastroenterol. Motil., 19(1 Suppl.): 62–88.
• Binder H.J. (2010) Role of colonic short-chain Fatty Acid Transport in diarrhea. Ann. Rev. Physiol., 72: 297–313.
• Caldarella M.P., Serra J., Azpiroz F., Mala­gelada J.R. (2002) Prokinetic effects in patients with intestinal gas Retention. Gastroenterology, 122(7): 1748–1755.
• Chang L., Lee O.Y., Naliboff B. et al. (2001) Sensation of Bloating And visible Abdominal distension in patients with irritable Bowel syndrome. Am. J. Gastroenterol., 96(12): 3341–3347.
• Demain A.L., Newcomb M., Wu J.H. (2005) Cellulase, clostridia, And ethanol. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 69(1): 124–154.
• Di Stefano M., Miceli E., Missanelli A. et al. (2006) Role of colonic Fermentation in The perception of colonic distention in irritable Bowel syndrome And Functional Bloating. Clin. Gastroenterol. Hepatol., 4(10): 1242–1247.
• Englyst H.N., Hay S., Macfarlane G.T. (1987) Polysaccharide Breakdown By Mixed populations of Human Faecal Bacteria. FEMS Microbiology Letters, 45(3): 163–171.
• Gasbarrini A., Corazza G.R., Gasbarrini G. et al. (2009) Methodology And indications of H2-breath Testing in gastrointestinal diseases: The Rome Consensus Conference. Aliment. Pharmacol. Ther., 29 (Suppl. 1): 1–49.
• Gasbarrini A., Lauritano E.C., Gabrielli M. et al. (2007) Small intestinal Bacterial overgrowth: diagnosis And Treatment. Dig. Dis., 25(3): 237–240.
• Hahn B., Watson M., Yan S. et al. (1998) Irritable Bowel syndrome symptom patterns: Frequency, duration, And severity. Dig. Dis. Sci., 43(12): 2715–2718.
• Harder H., Serra J., Azpiroz F. et al. (2003) Intestinal gas distribution determines Abdominal symptoms. Gut., 52(12): 1708–1713.
• Houghton L.A., Lea R., Agrawal A. et al. (2006) Relationship of Abdominal Bloating To distention in irritable Bowel syndrome And effect of Bowel Habit. Gastroenterology, 131(4): 1003–1010.
• King T.S., Elia M., Hunter J.O. (1998) Abnormal colonic Fermentation in irritable Bowel syndrome. Lancet, 352(9135): 1187–1189.
• Koide A., Yamaguchi T., Odaka T. et al. (2000) Quantitative Analysis of Bowel gas using plain Abdominal Radiograph in patients with irritable Bowel syndrome. Am. J. Gastroenterol., 95(7): 1735–1741.
• Lembo T., Naliboff B., Munakata J. et al. (1999) Symptoms And visceral perception in patients with pain-predominant irritable Bowel syndrome. Am. J. Gastroenterol., 94(5): 1320–1326.
• Lin P.Y., Whang L.M., Wu Y.R. et al. (2007) Biological Hydrogen production of The genus Clostridium: Metabolic study And Mathematical Model simulation. Intern. J. Hydrogen Energy, 32(12): 1728–1735.
• Maier R.J. (2005) Use of Molecular Hydrogen As An energy substrate By Human pathogenic Bacteria. Biochem. Soc. Trans., 33(Pt. 1): 83–85.
• McBee R.H. (1948) The Culture And Physiology of A Thermophilic Cellulose-fermenting Bacterium. J. Bacteriol., 56(5): 653–663.
• Olson J.W., Maier R.J. (2002) Molecular Hydrogen As An energy source For Helicobacter pylori. Science, 298(5599): 1788–1790.
• Sawers R.G. (2005) Formate And its Role in Hydrogen production in Escherichia coli. Biochem. Soc. Trans., 33(Pt. 1): 42–46.
• Spiller R.C. (2007) Role of infection in irritable Bowel syndrome. J. Gastroenterol., 42 (Suppl. 17): 41–47.
• Stadtman T.C. (1967) Methane Fermentation. Annu. Rev. Microbiol., 21: 121–142.
• Thabane M., Kottachchi D.T., Marshall J.K. (2007) Systematic Review And Meta-analysis: The incidence And prognosis of post-infectious irritable Bowel syndrome. Aliment. Pharmacol. Ther., 26(4): 535–544.

Адрес для переписки:
Козлов Виктор Александрович
01004, Киев, бульв. Тараса Шевченко, 13
Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, кафедра внутренней медицины № 1