Detský črevný mikrobióm a riziko vzniku diabetes mellitus 1. typu

Souhrn

Diabetes mellitus 1. typu (DM1T) je autoimunitné ochorenie, ktorého vznik je podmienený exogénnymi a endogénnymi faktormi. Rozvoj DM1T vo veľkej miere súvisí s génmi hlavného histokompatibilného systému (Major Histocompatibility Complex – MHC), ktoré sú zodpovedné za rozpoznávanie vlastných a cudzích antigénov. Incidencia DM1T každoročne stúpa a predpokladá sa, že za tento trend sú zodpovedné environmentálne faktory ovplyvňujúce stav imunitného systému. Doterajšie poznatky o faktoroch, ktoré znamenajú zvýšené riziko manifestácie DM1T, však stále nestačia na uspokojivé vysvetlenie patogenézy tejto choroby. Okrem toho je známe, že väčšina ľudí s rizikovými haplotypmi nakoniec nikdy neochorie na DM1T. Najnovšie štúdie naznačujú, že pri rozvoji DM1T môže mať dôležitú úlohu aj črevný mikrobióm človeka. Bolo preukázané, že u prediabetických detí dochádza k zníženiu diverzity črevného mikrobiómu. Zároveň sa predpokladá, že dietetická modulácia črevného mikrobiómu v rannom detstve môže mať vplyv na neskorší rozvoj tohto ochorenia.

Klíčová slova:

autoimunitné ochorenie – črevný mikrobióm – diabetes mellitus 1. typu – výživa

Úvod

Diabetes mellitus 1. typu patrí do skupiny autoimunitných ochorení (AO). V súčasnosti sa tieto ochorenia považujú celosvetovo za hlavnú príčinu morbidity a mortality a patria k 10 najčastejším príčinám úmrtí ľudí v rozvinutých krajinách. Aj napriek neustálemu pokroku vo výskume stále nie je jasná etiológia mnohých AO [1]. Súčasný manažment pacientov s AO je založený na symptomatickej liečbe, čo má ale svoje obmedzenia. AO sa síce rozvíjajú pomaly, ale práve z toho dôvodu sú ťažko diagnostikovateľné pred plným nástupom klinických príznakov. V tom čase už častokrát býva poškodenie natoľko vážne, že zastavenie progresu ochorenia už nie je možné. Pozornosť odborníkov a nevyhnutnosť hľadania nových riešení pre prevenciu a liečbu AO zvýrazňuje skutočnosť, že incidencia AO z doteraz neobjasnených príčin každoročne stúpa, a to najmä v rozvinutých krajinách s vysokým životným a hygienickým štandardom [1].

Pri DM1T je pozorovaný najvyšší nárast incidencie ochorenia spomedzi všetkých AO. Napríklad vo Fínsku sa incidencia DM1T u detí mladších ako 15 rokov zvýšila z 12 na 65 nových prípadov na 100 000 ľudí za rok za posledných 5 desaťročí [2]! Zvyšujúci sa počet pacientov s DM1T preto nemožno vysvetliť iba genetickou predispozíciou (variantami HLA génov). Údaje skôr naznačujú, že tento nárast je výsledkom interakcií medzi moderným západným spôsobom života, prostredím a predispozičnými génmi [3].

V súčasnosti je predmetom intenzívneho výskumu možná úloha črevného mikrobiómu v patogenéze DM1T. Ľudský črevný mikrobióm totiž dozrieva počas prvých 3 rokoch života, potom jeho zloženie pripomína mikrobióm dospelého človeka [4,5]. Správny vývin črevného mikrobiómu úzko súvisí s vývinom imunitného systému [6], a preto sa uvažuje, či dynamický vývoj imunitného systému, dozrievanie črevného mikrobiómu a výskyt prvých autoprotilátok súvisiacich s DM1T sú tri vzájomne prepojené javy. Narušenie vývinu črevného mikrobiómu v ranom veku by však mohlo byť jedným z faktorov, ktorý navodí spustenie patogenézy tohto ochorenia.

Diabetes mellitus 1. typu

Genetické faktory chorenia

Diabetes mellitus 1. typu je definovaný ako dedičné polygénne ochorenie. Pri monozygotných dvojčatách je pravdepodobnosť rozvoja ochorenia u oboch jedincov 30–70 % [7], riziko u súrodencov je 6–7 % a pre deti, ktoré majú rodiča s diabetom 1–9 % [8]. Celoživotné riziko sa mení prevažne podľa krajín a zemepisných oblastí a podľa aktuálnych štatistík sa ochorenie vyskytuje u jedného z 250 ľudí [9]. Výskyt DM1T je o niečo častejší u mužov a chlapcov ako u žien a dievčat [10], hoci vo všeobecnosti sú k výskytu AO viac náchylné ženy ako muži.

Odhaduje sa, že dva haplotypy HLA triedy 2 zapojené do prezentácie antigénu HLA DRB1*0301-DQA1*0501-DQ*B10201 (DR3) a HLA DRB1*0401-DQA1*0301-DQB1*0301 (DR4-DQ8), ktoré prevládajú u ľudí bielej rasy, sú zodpovedné približne za 50 % dedičnej zložky ochorenia [11]. Je známe, že niektoré haplotypy (DRB1*1501-DQA1*0102-DQB1–0602 (DR15-DQ6)) naopak znižujú riziko diabetu 1. typu [11]. Mechanizmy, ktorými tieto haplotypy HLA interagujú a prispievajú k riziku rozvoja ochorenia, nie sú však úplne objasnené, čo je koniec koncov odrazom veľkej komplexnosti systému získanej imunity človeka.

Celogenómové štúdie ľudí doteraz identifikovali viac ako 60 ďalších lokusov nachádzajúcich sa mimo HLA-systému, ktoré sú spojené s rizikom rozvoja diabetu 1. typu. Tieto gény majú súvis s funkciou imunitného systému a ich produkty participujú na niektorých dráhach zapojených v rozvoji ochorenia (expresia génu inzulínu v týmuse, regulácia aktivácie T-lymfocytov a odpoveď na vírusové infekcie) [11].

Pre výskum genetickej podstaty ochorenia boli v minulosti selektovaní ľudia s vysokým rizikom rozvoja DM1T na základe rizikového variantu HLA, familiárneho rizika alebo kombinácie oboch pozorovaní [12]. Ukazuje sa, že lokusy mimo HLA systému, ktoré boli doteraz identifikované, však nemôžu byť použité samostatne pre predpovedanie rizika rozvoja DM1T alebo pre rozlíšenie jednotlivých typov diabetu. Predpokladá sa, že kombinované sledovanie lokusov (HLA a ostatných) by mohlo poskytnúť lepšiu predpoveď rizika rozvoja DM1T a rozlíšenia diabetu 1. typu od diabetu 2. typu [13,14]. Okrem toho sa predpokladá, že náklady na celogenómové sekvenovanie človeka sa budú naďalej znižovať, čím sa globálne zlepší genotypizácia pacientov a spresní sa diagnostika DM1T [15,16].

Epidemiológia chorenia

Incidencia a prevalencia DM1T sa celosvetovo zvyšuje ročne približne o 2–3 % [17,18]. Výskyt DM1T má veľkú geografickú variáciu a líši sa v závislosti od krajiny a dokonca aj regiónu v rámci krajín [19]. Diabetes 1. typu je najbežnejší vo Fínsku (viac ako 60 prípadov na 100 000 ľudí ročne) a na Sardínii (približne 40 prípadov na 100 000 ľudí ročne) [20]. Naopak, toto ochorenie je podstatne zriedkavejšie v Číne, Indii a Venezuele (približne 0,1 prípadov na 100 000 ľudí ročne). Globálny výskyt DM1T predstavuje epidemiologický hlavolam, keďže medzi susednými oblasťami Európy a Severnej Ameriky sú zaznamenané veľké rozdiely vo výskyte chorôb. Napríklad výskyt DM1T v Estónsku predstavuje menej ako jednu tretinu incidencie vo Fínsku, hoci obe krajiny sú od seba vzdialené menej ako 120 km [21].

Výskyt diabetu 1. typu na celom svete už niekoľko desaťročí narastá [22]. Ak sa miera incidencie bude naďalej zvyšovať podľa súčasného trendu, globálny výskyt by sa mohol v nasledujúcom desaťročí dokonca zdvojnásobiť [20]. Najväčší nárast incidencie bol pozorovaný u detí do 15 rokov, z toho najviac v podskupine detí vo veku do 5 rokov [23]. Pozorovaný nárast incidencie diabetu 1. typu sa nedá uspokojivo vysvetliť výlučne genetickými faktormi, ktoré sú v populácii relatívne stabilné. S diabetom 1. typu je však spojených veľa environmentálnych faktorov vrátane výživy dojčiat a dospelých, nedostatku vitamínu D, ranej expozície vírusom spojenej so zápalom pankreatických ostrovčekov a zníženej diverzite črevného mikrobiómu [24]. Viaceré teórie sú v súčasnosti predmetom intenzívneho výskumu.

Patofyziológia chorenia

Diabetes 1. typu je orgánovo špecifické autoimunitné ochorenie charakterizované nedostatočnou produkciou inzulínu spôsobenou poškodením inzulín produkujúcich B-buniek pankreasu. Patogenéza DM1T je výsledkom komplexnej interakcie medzi pankreatickými B-bunkami a vrodeným a adaptívnym imunitným systémom [25]. V procese patogenézy je však viacero nejasností a otázka, či existuje spúšťač pre imunitnú odpoveď proti B-bunkám, alebo či je imunitná odpoveď náhodná udalosť, je stále predmetom odbornej diskusie.

Je známe, že jedným z hlavných markerov DM1T je znížená funkcia pankreatických B-buniek v porovnaní so zdravými kontrolami [26]. Po diagnostikovaní ochorenia a zmiernení hyperglykémie môžu B-bunky na krátky čas obnoviť sekréciu inzulínu a to až tak, že nie je potrebná suplementácia exogénnym inzulínom. Následne však zvyčajne dochádza k opätovnému poklesu jeho sekrécie. Štúdie naznačujú možnosť, že u 30–80 % pacientov DM1T je zachovaná mikrosekrécia inzulínu (a tým aj C-peptidu) a to aj po desaťročiach od diagnostikovania ochorenia [27,28]. Zaujímavým zistením je, že zachovanie aspoň minimálnej sekrécie vlastného inzulínu môže mať benefičné účinky vo forme spomalenia rozvoja niektorých asociovaných príznakov, ako je retinopatia, nefropatia a hypoglykémia [29]. Mechanizmy, ktoré sú základom pretrvávania zvyškových B-buniek u časti pacientov s dlhodobým diabetom 1. typu avšak zostávajú nejasné. Identifikácia ciest, ktoré umožnili týmto bunkám uniknúť autoimunitnému útoku by preto mohla priniesť nové terapeutické prístupy (schéma) [30].

So spustením patogenézy diabetu 1. typu sa spája aj prekonanie vírusových infekcií, pričom jednou z najčastejšie asociovaných infekcií je enterovírusová infekcia. V pankreatických ostrovčekoch ľudí s novodiagnostikovaným DM1T boli identifikovaný hlavný kapsidový proteín VP1 a jeho RNA, hyperexpresia hlavného histokompatibilného komplexu triedy 1 a ďalšie ukazovatele vírusovej infekcie [33]. Jednou z teórií spustenia patogenézy ochorenia je, že niektorí ľudia s predispozíciou pre diabetes 1. typu majú atypickú chronickú vírusovú infekciu B-buniek pankreasu, čo vedie k chronickému zápalu a rozvoju autoimunitných odpovedí. Vírusová hypotéza je predmetom verifikácie a za týmto účelom sa vyvíja a testuje antivírusová terapia a vývoj vakcín zameraných na enterovírusy [30].

Teória molekulárnych mimikry hovorí o tom, že niektoré črevné baktérie môžu na svojom povrchu obsahovať epitopy, ktoré sú svojou štruktúrou podobné vlastným antigénom pankreatických buniek hostiteľa. Tieto bakteriálne antigény následne vybudia autoreaktívnu subpopuláciu lymfocytov. Príkladom je Mgt proteín baktérie Leptotrichia goodfellowii (črevná fusobaktéria) a pankreatický IGRP proteín. Zdieľajú epitop VYLKTNVFL, ktorý môže aktivovať diabetogénne NY8.3 T-bunky [34]. Predpokladá sa, že takáto autoimunitná reakcia spustená bakteriálnymi epitopmi môže zohrávať úlohu pri rozvoji DM1T, ale aj ďalších autoimunitných chorobách [35].

Detský črevný mikrobióm človeka a DM1T

Zloženie a dynamika črevného mikrobiómu dieťaťa

Gastrointestinálny trakt človeka predstavuje veľké rozhranie, v ktorom hostiteľské tkanivá interagujú s vonkajším prostredím [36] Sliznica čreva umožňuje efektívne vstrebávanie potrebných živín a neustále prichádza do kontaktu s množstvom mikrobiálnych antigénov [37]. Odhaduje sa, že ľudské črevo obsahuje približne 10¹³ až 10¹⁴ komenzálnych mikroorganizmov – baktérií, vírusov a húb [38]. V súčasnosti je najdetailnejšie charakterizovaná bakteriálna zložka mikrobiómu a bolo dokázané, že pre hostiteľa zabezpečuje viaceré prospešné funkcie vrátane trávenia potravy, produkcie vitamínov a ochrany proti rastu patogénnych mikroorganizmov [39]. Okrem toho zohráva dôležitú úlohu pri dozrievaní získanej imunity človeka.

V črevnom mikrobióme dominujú 4 bakteriálne kmene – Firmicutes, Bacteroides, Proteobacteria a Actinobacteria [40], pričom do kmeňov Firmicutes a Bacteroidetes patrí približne 90 % druhov črevných baktérií. Firmicutes (Gram-pozitívne baktérie) osídľujú črevnú mucínovú vrstvu a u zdravých dospelých ľudí predstavujú najviac 80 % z celkového počtu baktérií. Bacteroidetes (Gram-negatívne baktérie) sa nachádzajú skôr v lumene čreva a predstavujú menšiu časť (15–30 % baktérií) črevného mikrobiómu [41,42]. Pomer medzi počtami baktérií kmeňov Firmicutes a Bacteroidetes sa zvyčajne používa ako indikátor dozrievania črevného mikrobiómu počas života človeka. Okrem toho je pomer Firmicutes a Bacteroidetes biomarkerom narušenia zloženia črevného mikrobiómu – tzv. dysbiózy. Takýto stav črevného mikrobiómu bol preukázaný pri viacerých AO vrátane u osôb s DM1T [43].

Kolonizácia čreva začína v skorej fáze života človeka. Do veku 3 rokov sa črevný mikrobióm dynamicky rozvíja. Tento proces je ovplyvnený materským mikrobiómom, ale aj oportunistickou kolonizáciou baktériami prítomnými u ostatných blízkych jedincov a v konkrétnom prostredí. Okrem toho úlohu zohráva aj vnútorné prostredie daného jedinca, ktoré je determinované jeho genetickou výbavou. Zloženie črevného mikrobiómu človeka v skorom detstve je preto veľmi variabilné a z množstva mikróbov, ktoré sa dostanú do čreva, ho iba podskupina úspešne kolonizuje [4].

Viaceré štúdie preukázali, že spôsob pôrodu (vaginálny alebo cisársky rez) môže mať dlhodobé účinky na rozvoj črevného mikrobiómu. Ukázalo sa, že črevná kolonizácia u dojčiat narodených cisárskym rezom je oneskorená [44]. Taktiež bola pozorovaná nižšia mikro­biálna diverzita, ktorá môže pretrvávať najmenej 2 roky [45]. Črevný mikrobióm detí narodených vaginálne je podobný vaginálnemu mikrobiómu matky [46,47] s typickými zástupcami rodov Lactobacillus, Prevotella a Sneathia. Naproti tomu črevný mikrobióm detí narodených cisárskym rezom obsahuje typicky kožné a vzdušné baktérie rodov Staphylococcus, Corynebacterium a Propionibacterium [48] a vyššie počty patogénnych baktérií, ako sú Klebsiella, Citrobacter a Escherichia coli [49,50].

Ďalší vývoj zloženia črevného mikrobiómu je ovplyvnený hlavne spôsobom výživy novorodencov. Dojčenie materským mliekom podporuje prirodzenú kolonizáciu bifidobaktériami, predovšetkým druhmi Bifidobacterium breve a Bifidobacterium bifidum [51], kým umelá dojčenská výživa stimuluje rast proteobaktérií a baktérií kmeňa Bacteroidetes. Pri následnom prechode na tuhú stravu sa tento rozdiel eliminuje. Črevný mikrobióm dieťaťa získa črty dospelého človeka okolo 3. roku života a naďalej je ovplyvňovaný viacerými faktormi – stravou, stresom, zdravotným stavom, užívaním liekov a antibiotík, hygienickými návykmi a geografickou polohou [52,53].

Črevný mikrobióm a jeho zmeny pri DM1T

Zaujímavosťou je pravdepodobná existencia korelácie medzi štádiom DM1T a zložením črevného mikrobiómu detí. Znížená diverzita baktérií v črevnom mikrobióme bola pozorovaná u detí, ktorým bolo možné detegovať autoprotilátky proti pankreatickým B-bunkám a vyskytli sa u nich klinické príznaky ochorenia. Pri kontrolných probandoch bez sérovej konverzie tento jav nebol pozorovaný [54,55]. Podobný fenomén bol popísaný v črevnom mikrobióme novorodencov s predispozíciou pre DM1T v čase medzi sérovou konverziou a dia­gnostikovaním ochorenia [56]. Tieto zmeny boli sprevádzané zvýšenými počtami niektorých patogénnych baktérií (Ruminococcus gnavus a Streptococcus infantarius) a naopak zníženými počtami baktérií s protizápalovými účinkami (Lachnospiraceae a Veillonellaceae) [56]. Okrem uvedeného sú v súčasnosti dostupné dáta viacerých klinických štúdií črevného mikrobiómu pacientov s DM1T a ich prehľad je uvedený v tab.

Faktory ovplyvňujúce črevný mikrobióm a riziko vzniku DM1T

Na základe viacerých výskumov sa zistilo, že narušený črevný mikrobióm v dôsledku užívania antibiotík v ranom štádiu života človeka môže mať implikácie s rozvojom DM1T. Je známe, že perorálne podávanie antibiotík, ako sú ciprofloxacín, klindamycín, metronidazol a klaritromycín, ovplyvňuje diverzitu črevných baktérií, a to po dobu niekoľkých týždňov až rokov [65–67]. Antibiotická liečba taktiež môže stimulovať množenie niektorých patogénnych organizmov, ako je Salmonella typhimurium a Clostridioides difficile poskytovaním priaznivých podmienok pre ich rozšírenie [68,69]. Používanie antibiotík však môže zvýšiť aj riziko rozvoja DM1T. V Britskej štúdii s približne miliónom participantov sa dospelo k záveru, že liečba s viac ako 5 cyklami penicilínov alebo cefalosporínov mohla zvýšiť riziko DM1T [70]. Tento trend sa však nevyskytol pri liečbe antivírusovými látkami alebo antimykotikami v [70], čo naznačuje, že zvýšené riziko DM1T bolo dôsledkom narušenia komunity črevných baktérií. Dánska štúdia zahŕňajúca približne 800 000 jedincov narodených v rokoch 1997 až 2010 odhalila, že používanie širokospektrálnych antibiotík počas prvých 2 rokoch života bolo spojené so zvýšeným rizikom DM1T v neskorších rokoch života [71].

Okrem antibiotickej liečby môže signifikantne ovplyvniť riziko vzniku DM1T aj spôsob pôrodu dieťaťa. Štúdia zahŕňajúca 1 650 detí s familiárnym rizikom DM1T odhalila 2-násobné zvýšenie progresie DM1T u detí narodených cisárskym rezom v porovnaní s deťmi narodenými vaginálnym pôrodom [72]. Podobne aj taiwanská štúdia detí narodených v rokoch 2000–2005 (n = 1 760 336) a dánska štúdia detí narodených v rokoch 1982–2010 (n = 1 760 336) odhalili vyššie riziko vzniku DM1T pri deťoch narodených sekciou [73,74]. Mimoriadne vysoká početnosť sekcie vo vyspelých krajinách môže preto súvisieť so zvýšenou mierou autoimunitného DM1T [75]. Pravdepodobné vysvetlenie môže spočívať v narušení prirodzeného vývoja črevného mikrobiómu a absentujúcej stimulácii raného imunitného systému chýbajúcimi baktériami.

Diéta novorodenca je ďalším faktorom, ktorý môže súvisieť s rozvojom DM1T. Materské mlieko zohráva dôležitú úlohu pri vytváraní črevnej bariéry novorodenca poskytovaním živín, vitamínov, imunoglobulínov a ďalších makromolekúl [76]. Ukázalo sa, že dojčenie materským mliekom je dôležitý faktor formujúci štruktúru črevného mikrobiómu počas prvého roka života [51]. Stimuluje rast druhov Bifidobacterium (B. breve a B. bifidum), podporuje rýchlejšiu maturáciu črevného mikrobiómu, čo je indikované vyšším zastúpením baktérií kmeňa Firmicutes [51,77]. Tento účinok je pravdepodobne sprostredkovaný mliečnymi oligosacharidmi, ktoré sú fermentované črevnými baktériami na mastné kyseliny s krátkym reťazcom. Molekulárny účinok týchto metabolitov spočíva v udržiavaní integrity črevnej bariéry a inhibícii rastu patogénnych mikroorganizmov [78]. Predpokladá sa, že materské mlieko má ochranný účinok pred autoimunitným DM1T u vysokorizikových jedincov [79], čo môže byť sprostredkované práve stimuláciou rastu prospešných črevných baktérií v ranom veku dieťaťa.

V neposlednom rade je v súvislosti s incidenciou DM1T často diskutovaná aj životná úroveň a hygiena ľudských subpopulácií. Predpokladá sa, že znížené vystavenie mikrobiálnym antigénom v ranom veku človeka môže negatívne ovplyvniť správny vývin získanej imunity a následne viesť k rozvoju autoimunitných ochorení u jedincov s predispozíciou [80,81]. Krajiny s nižším hygienickým štandardom majú typicky vyššiu incidenciu infekčných ochorení, ale naopak nižšiu incidenciu autoimunintých ochorení. Je však diskutabilné, či je to skutočne dôsledkom vysokej životnej úrovne, čistoty a mestského spôsobu života, alebo možnosťou lepšej diagnostiky ochorenia v rozvinutých krajinách.

Záver

Diabetes mellitus 1. typu je orgánovo špecifické auto­imunitné ochorenie spôsobené deštrukciou pankrea­tických B-buniek, pričom spoločným menovateľom s inými autoimunitnými ochoreniami je genetická predispozícia. Pre DM1T bolo doteraz identifikovaných viac ako 50 génov, ktorých mutantné varianty môžu prispievať k rozvoju ochorenia. Zároveň je známe, že existuje viacero environmentálnych faktorov, ktoré môžu podporovať spustenie patogenézy autoimunitných ochorení vrátane DM1T. Zdá sa, že črevný mikrobióm človeka môže byť jedným z množstva modulačných faktorov. Viacero doteraz uskutočnených klinických štúdií poukazuje na túto skutočnosť, avšak stále sa nepodarilo uspokojivo vysvetliť presnú úlohu črevného mikrobiómu v procese patogenézy DM1T. Je preto nutné pokračovať v tomto výskume a zamýšľať sa aj nad novými prístupmi ovplyvnenia črevného mikrobiómu u ľudí s predispozíciou pre DM1T vrátane špecifickej dietetickej modulácie.

Doručené do redakcie 7. 10. 2019

Prijaté po recenzii 8. 11. 2019

Mgr. Ľuboš Ambro, PhD.

lubos.ambro@upjs.sk

www.upjs.sk