Антимікробно-чутливі білки при ожирінні та цукровому діабеті 2 типу

Гіпотеза ефективності буферизації

Хосе Марія Морено-Наваррете, доктор філософії та
Хосе Мануель Фернандес-Реал, доктор медичних наук, доктор філософії ⇓

Відділ діабету, ендокринології та харчування, Institut d’Investigació Biomèdica de Girona (IdIBGi), CIBEROBN (CB06/03/010) та Instituto de Salud Carlos III (ISCIII), Жирона, Іспанія

Author Автор-кореспондент: Хосе М. Фернандес-Реал, jmfernandezreal.girona.icsgencat.cat .

Добре відомо, що ожиріння асоціюється із сукупністю метаболічних захворювань, таких як дисліпідемія, гіпертонія, резистентність до інсуліну, діабет 2 типу та атеросклероз (1). Зміни вродженої імунної системи все частіше визнаються такими, що невід'ємно пов'язані з метаболічними шляхами у людини (2). Центральне місце для метаболічних захворювань займає резистентність до інсуліну, пов’язана із низьким ступенем запального стану (3). Механізми, за допомогою яких прозапальні цитокіни, такі як фактор некрозу пухлини (TNF) -α, інтерлейкін (IL) -6 та IL-1α, взаємодіють із клітинними каскадами передачі сигналу інсуліну, були краще зрозумілі за останні кілька років (4–6 ). In vivo було продемонстровано пряму кореляцію між підвищеним циркуліном прозапальних цитокінів та резистентністю до інсуліну (3,7). Походження цієї підвищеної запальної активності при ожирінні та цукровому діабеті 2 типу практично невідоме. Гомеостаз імунної системи викликає постійні зовнішні образи, такі як насичені дієти, багаті жирними кислотами (8), молекулярні структури, пов’язані з патогенами, такі як ліпополісахарид (LPS) (9), розвинені кінцеві продукти глікування (AGE) (10), тягар інфекції (11) та окислювальний стрес (12). Ці постійні образи можуть призвести до хронічного низького рівня запалення, пов’язаного з резистентністю до інсуліну.

Тут ми розглядаємо потенційне значення дисфункції нейтрофілів у хворих на цукровий діабет 2 типу та наслідки зміненого антимікробно-чутливого білкового профілю у метаболічних порушеннях, пов’язаних із ожирінням.

ДИСФУНКЦІЯ НЕЙТРОФІЛІВ при метаболічній хворобі

Враховуючи, що 60–70% лейкоцитів крові є гранулоцитами, а понад 90% гранулоцитів - нейтрофілами, поліморфно-ядерні клітини (ПМН) є найбільшою часткою лейкоцитів. PMN мають різноманітні функції, включаючи хемотаксис, адгезію до ендотелію та сторонніх агентів, фагоцитоз та мікробіцидну активність. PMN здатні проникати та мігрувати в інфіковані тканини та знищувати мікроорганізми, що вторглися, після інтерналізації, виробляючи безліч токсичних агентів, таких як активні форми кисню (АФК), протеази (еластаза) та білки, що перешкоджають розвитку бактерій.

Елгазар-Кармон та ін. (23) повідомили, що годування з високим вмістом жиру призводить до значного залучення нейтрофілів до внутрішньочеревної тканини адипоцитів, що досягає максимуму через 3–7 днів і згодом стихає. З цієї причини автори припустили, що цей набір нейтрофілів може стати ключовою подією у ініціюванні запального каскаду у відповідь на жирне харчування. Ці нейтрофіли можуть спричиняти хемотаксичні фактори, дозволяючи інфільтрацію макрофагів та хронічний запальний стан у жировій тканині. Поняття, що «хронічному запальному інфільтрату» передує тимчасовий «гострий запальний інфільтрат», де домінують нейтрофіли, є усталеною парадигмою системних запальних процесів.

СПЕЦИФІЧНІ МАРКЕРИ ДІАБЕТУ ТИПУ 2 - АСОЦІЙОВАНА НЕЙТРОФІЛЬНА ДИСФУНКЦІЯ

Кілька антимікробних білків, що виробляються нейтрофілами, таких як лактоферин, бактерицидний/підвищуючий проникність білок та α-дефензини, знижуються у зв'язку з резистентністю до інсуліну та діабетом 2 типу. Концентрація цих білків у циркуляції паралельно низькій антимікробній здатності нейтрофілів у хворих на цукровий діабет 2 типу. Крім того, один з цих білків (лактоферин) виявляв прямий вплив на метаболізм, покращуючи дію інсуліну, збільшуючи активність білка АМФ-кінази, що сприймає паливо, і посилюючи втрату ваги (24,25). Тут ми узагальнюємо взаємозв’язок між специфічними маркерами дисфункції нейтрофілів та метаболічними захворюваннями.

Лактоферин

Лактоферин - це плейотропний глікопротеїн вродженої імунної системи, який бере участь у буферизації LPS. Лактоферин - це мономерний 80-кДа глікопротеїн, з єдиним поліпептидним ланцюгом із ∼690 залишків амінокислот та двома молекулами сіалової кислоти, який продукується нейтрофілами та кількома типами епітеліальних клітин. Нейтрофіли - єдине джерело, яке сприяє значній кількості циркулюючого лактоферину в крові (26). Лактоферрин згортається в гомологічні N- та СООН-кінцеві частки, кожен з яких містить два домени, які утримують збережений сайт зв’язування заліза. Цей білок позитивно заряджається в NH2-кінцевій області (перші 60 амінокислот) N-частки при фізіологічному pH, оскільки він багатий аргініном (26). Лактоферин здатний зв'язувати та буферизувати інші молекулярні структури, пов'язані з патогенами, крім LPS, вірусних ДНК та РНК, послідовностей CpG та розчинних компонентів позаклітинного матриксу. Ця здатність пов'язана з протизапальною активністю лактоферрину, як було продемонстровано в ряді досліджень (26), в яких лактоферрин знижував регуляцію вироблення запального цитокіну в клітинних лініях, що діють через ядерний фактор (NF) -κB (27), і зменшував секрецію TNF-α. та IL-6 у мишей.

У людей концентрація лактоферину, яка циркулює натще, була обернено пов'язана з ІМТ, співвідношенням попереку та стегна, тригліцеридами та натще, а також безпосередньо пов'язаною з чутливістю до холестерину ЛПВЩ та інсуліну (17,28). Секреція лактоферину значно зменшилася в цільній крові під провоспалительним стимулом (кокубація IL-6) і значно зросла після сенсибілізації до інсуліну (розиглітазон) (17). Крім того, концентрація циркулюючого лактоферину була пов’язана з функцією судин у осіб із ожирінням із зміненою толерантністю до глюкози.

З іншого боку, два несинонімічні поліморфізми гена LTF, які викликають дві зміни амінокислот у NH2-кінцевій області, були пов’язані з дисліпідемією відповідно до статусу толерантності до глюкози (28). Циркулюючі концентрації лактоферину як на початковому рівні, так і стимульовані жиром, також були обернено пов'язані з постпрандіальною ліпемією, параметрами окисного стресу та індукованим жиром запаленням у осіб із сильним ожирінням після гострого прийому жиру (24). При ожирінні, спричиненому дієтою з ожирінням у мишей C57BL/6 J, лікування лактоферином призводило до втрати ваги, зменшення вмісту жиру в організмі та розміру адипоцитів (25).

In vitro введення лактоферину покращувало дію інсуліну (збільшуючи індуковане інсуліном фосфорилювання AKT 473Ser) у клітинних лініях мишей 3T3-L1 та клітинних лініях HepG2 людини, навіть у тих умовах, коли реакція на інсулін була знижена (в умовах провоспалення та введення дексаметазону). ). Крім того, лактоферин призводив до притупленого адипогенезу в контексті посиленого фосфорилювання 172ThrAMPK та активності ретинобластоми в клітинах 3T3-L1 (29).

Бактерицидний/підвищує проникність білок

Бактерицидний/підвищуючий проникність білок (BPI) знаходиться в азурофільних гранулах нейтрофілів і є катіонним білком ∼55 кДа з селективністю щодо грамнегативних бактерій, швидше за все, через його сильну спорідненість до ЛПС (30). Крім бактерицидного впливу, BPI також нейтралізує цитотоксичну дію LPS. Більша частина антибактеріальної та LPS-зв'язуючої активності голо-BPI виявляється у 20-25 кДа NH2-кінцевих фрагментах білка (30). rBPI21, що представляє собою рекомбінантний білок 21 кДа і відповідає амінокислотам 1–193 NH2-кінцевого BPI людини (за винятком того, що цистеїн замінюється аланіном у положенні 132), є бактерицидним та зв’язується з ендотоксином та нейтралізує його ( 31).

Концентрація BPI у плазмі крові безпосередньо корелювала з чутливістю до інсуліну та концентрацією холестерину ЛПВЩ і була обернено пов'язана з метаболічними параметрами (співвідношення талії та стегна, тригліцериди натще) та білком, що зв'язує ліпополісахариди в сироватці крові (LBP) та концентрацією LPS (32). Генетичні варіації BPI, що призводять до зниження концентрації BPI у сироватці крові, були пов’язані з резистентністю до інсуліну та підвищенням маркерів запального циркуляції (32). Крім того, нещодавно повідомлялося про рівень циркулюючого BPI як корисного виробника при дисфункції ендотелію (33).

Α-дефензини людини

Α-дефензини людини - це багаті аргініном пептиди, що містять 29–35 амінокислот. Три їх дисульфідні мости з'єднують цистеїни 1–6, 2–4 та 3–5. Α-дефензини людини синтезуються у вигляді 93–100 амінокислотних препепептидів із сигнальним пептидом з 19 амінокислот та аніонним про-сегментом від 41 до 51 амінокислоти. α-дефензини переважно містяться в нейтрофілах (переважно DEFA1–3) і в клітинах Панета тонкої кишки. Стимулозалежні вивільнення пресинтезованих дефензинвмісних гранул цитоплазми сприяють місцевій антимікробній реакції (34). Повідомлялося про значні позитивні асоціації між концентраціями α-дефензину (DEFA1–3) у плазмі крові, чутливістю до інсуліну та неатерогенним ліпідним профілем та судинною функцією у здорових чоловіків кавказького типу (35).

З цих висновків видно, що метаболічна дисфункція пов’язана зі зменшенням вироблення та/або секреції лактоферину, BPI та α-дефензинів з нейтрофілів. Щоб протидіяти зменшенню вироблення цих білків із першої лінії захисту, здається, що організм збільшує вироблення інших антимікробних білків із печінки, жиру та легенів, як описано нижче.

АНТИМІКРОБНО-ЧУТЛИВИЙ ПРОФІЛ ПРОТЕІНУ ПРИ МЕТАБОЛІЧНИХ ХВОРОБАХ

Розчинний CD14

sCD14 був суттєво і обернено асоційований з інсулінорезистентністю, співвідношенням талії та стегна, систолічним та діастолічним артеріальним тиском та запальними маркерами (розчинні рецептори TNF-a, sTNFR1 та sTNFR2) після контролю тригліцеридів натще і статусу куріння (45) . Цікаво, що генетичні варіації, що призводять до нижчої концентрації sCD14 у сироватці крові, були пов’язані з інсулінорезистентністю та підвищенням запальних маркерів (45). sCD14 також може бути маркером печінкової резистентності до інсуліну та дисфункції. Насправді зниження концентрації sCD14 у сироватці крові було пов’язане з найвищою активністю аланінамінотрансферази у сироватці крові (46). Ці, мабуть, захисні асоціації sCD14 з метаболічними показниками (чутливість до інсуліну, кров'яний тиск, пошкодження печінки) підтримуються протизапальною діяльністю sCD14, нейтралізуючи ефекти LPS у моделях in vitro. Крім того, встановлено, що прямий зв’язок між sCD14 та ендотеліальною функцією у хворих на цукровий діабет 2 типу протилежний оберненій залежності цих параметрів у недіабетних суб’єктів (47).

LBP є важливим маркером LPS. LBP - це білок 65 кДа, присутній у крові у високих концентраціях (~ 2–20 мкг/мл) (48). LBP є реагентом гострої фази, переважно похідним печінки, і рівень плазми різко зростає після запального захворювання, включаючи бактеріальний сепсис (48). Хоча молекулярна структура LBP не до кінця відома, LBP чітко пов'язує LPS (і субструктури LPS, такі як ліпід IVa) шляхом розпізнавання ліпіду A (48). Білок плазми крові LBP різко прискорює зв'язування мономерів LPS від агрегатів до CD14 (49), тим самим підвищуючи чутливість клітин до LPS. Крім того, LBP діє як білок, що переносить ліпіди, функція, що відповідає його гомології послідовності до ліпідних трансфераз (білок, що переносить фосфоліпіди та білок, що переносить ефір холестерину). LBP очищується частинками ЛПВЩ, і додаткові дослідження показали, що LBP може переносити LPS до ліпопротеїнів, нейтралізуючи ефекти LPS (50).

LBP у сироватці крові відображав концентрацію ендотоксину в сироватці крові (LPS) і негативно асоціювався з чутливістю до інсуліну, ожирінням та серцево-судинними захворюваннями (32,51). Цікаво, що в недавньому дослідженні концентрація LBP у сироватці крові була збільшена у пацієнтів з діабетом 2 типу (52).

Ліпокалін, пов’язаний з нейтрофільною желатиназою

Білок поверхнево-активної речовини А та білок поверхнево-активної речовини D

ГІПОТЕЗ ЕФЕКТИВНОСТІ БУФЕРІВ

Хронічне запалення низького ступеня та пов'язана з ним резистентність до інсуліну можна розглядати в контексті незбалансованої вродженої імунної системи. Розглянуті тут докази змусили нас запропонувати гіпотезу ефективності буферизації (рис. 1). Змінене вироблення антимікробно-чутливих білків (низький рівень sCD14, BPI, лактоферрин, DEFA1–3 та SP-D та високий рівень LBP, NGAL та SP-A) були пов’язані з інсулінорезистентністю, ожирінням, судинною дисфункцією, дисфункцією печінки, та дисліпідемія. Часткова втрата ефективності буферизації зовнішніх образів (насичені жирні кислоти, LPS, AGE та ROS) може посилити їх негативний вплив на метаболізм. Крім того, резистентність до інсуліну може призвести до порочного кола, зменшуючи концентрацію цих буферних білків (Таблиця 1).

Ефекти зміненого антимікробно-чутливого білкового профілю та дисфункції нейтрофілів у взаємозв'язку між хронічним запаленням низького рівня та метаболічними порушеннями, пов'язаними з ожирінням. Зовнішні образи полягають у наступному: дієти, багаті жирними кислотами, молекулярні структури, пов’язані з патогенами (ендотоксини, ЛПС), ВІК, тягар інфекції та АФК. Lf, лактоферрин.

Змінений антимікробно-чутливий білковий профіль вродженої імунної системи, пов’язаний з інсулінорезистентністю та хронічними порушеннями обміну речовин, пов’язаними із запаленням низького ступеня.

Протимікробна ефективність нейтрофілів знижується в резистентних до інсуліну станах, про що свідчить знижений рівень циркуляції лактоферину, BPI та інших протимікробних білків (α-дефенсини, SP-D). Активність нейтрофілів може бути відновлена шляхом контролю гіперглікемії за допомогою інсуліну (20,23). Стегенга та ін. (22) повідомили, що гіперглікемія призвела до порушення дегрануляції нейтрофілів після внутрішньовенного введення ендотоксину людям. Це порушення функції нейтрофілів було пов’язане з поганим метаболічним профілем у хворих на цукровий діабет 2 типу, включаючи знижену деформаційність нейтрофілів та збільшення продукції АФК та прозапальних цитокінів.

Інсулінорезистентність та хронічне низькотемпературне запалення, здається, взаємно посилюються, що призводить до порочного кола, посиленого незбалансованою вродженою імунною системою. Щоб впоратися з постійними викликами навколишнього середовища, тіло будує різні захисні бар’єри (рис. 1). Епітеліальні клітини шкіри становлять перший бар’єр захисту. Деякі з описаних тут білків у взаємодії з дією інсуліну також синтезуються в епітеліальних клітинах (лактоферин, SP-D, α-дефензини). Під шкірою тіло побудувало важливу другу лінію захисту. Майже 50% жирової тканини розподіляється у підшкірно-жировому депо під шкірою по всьому тілу. Цікаво, що збільшення кількості підшкірної жирової тканини пов’язане зі зниженням ризику розвитку діабету 2 типу (61).

Епітеліальні клітини слизової також покривають кожен сантиметр травного тракту, інша поверхня взаємодії з навколишнім середовищем. Якщо патогени здатні руйнувати слизову, організм знову побудував потужну другу лінію захисту - вісцеральну жирову тканину. Однак це депо є метаболічно дуже активним, нестійким і тісно контактує з ~ 1 кг бактерій у кишечнику. Якщо цей бар’єр подоланий, бактерії та бактеріальні продукти з кишечника потрапляють у печінку, важливий структурований буфер.

Наше тіло також взаємодіє з навколишнім середовищем через альвеолярний простір та епітеліальні клітини дихальних шляхів. СП також є важливими членами оборони збройних сил.

Метаболічні захворювання можна розглядати як відносну недостатність усіх цих захисних сил організму (вроджених імунних білків шкіри, підшкірної жирової клітковини, кишечника та дихальних шляхів). Ця недостатність призводить до хронічних запальних захворювань, довготривалої резистентності до інсуліну і нарешті до діабету 2 типу (рис.

Подяка

Цю роботу частково підтримали гранти на дослідження від Ministerio de Educación y Ciencia (SAF2008-02073). CIBEROBN Fisiopatología de la Obesidad y Nutrición - це ініціатива Інституту Салуда Карлоса III в Іспанії.

Не повідомлялося про потенційні конфлікти інтересів, що стосуються цієї статті.

Виноски

Ця публікація заснована на презентаціях на 3-му Всесвітньому конгресі з питань суперечок консенсусу у діабеті, ожирінні та гіпертонії (CODHy). Конгрес та публікація цього додатку стали можливими частково завдяки необмеженим освітнім грантам від AstraZeneca, Boehringer Ingelheim, Bristol-Myers Squibb, Daiichi Sankyo, Eli Lilly, Ethicon Endo-Surgery, Generex Biotechnology, F. Hoffmann-La Roche, Janssen -Cilag, Johnson & Johnson, Novo Nordisk, Medtronic та Pfizer.