Свободные жирные кислоты – новый маркер инсулинорезистентности и ишемии
«Лаборатория. Журнал для врачей», 2008, в печати.
Вельков В.В.,
ЗАО «ДИАКОН», 142290, г. Пущино, Московская область, пр. Науки 5
Ожирение – одна из главных причин, предрасполагающих к развитию метаболического синдрома (МС), инсулинорезистентности (ИР), приводящих к пандемическому распространению сахарного диабета 2 типа (СД 2) и, как итог, к сердечно-сосудистым заболеваниям (ССЗ). МС иногда даже называют «чумой ХХI века». В США, например, МС присутствует у 22,8% мужчин и у 22,6% женщин. При этом он диагностируется у 4,6% лиц с нормальным весом, у 22,4% лиц с избыточным весом и у 59,6% лиц, страдающих ожирением (1).
Можно было бы предположить, что метаболический синдром развивается у людей, экономический статус которых позволяет избыточное потребление пищи. В действительности же в США при широкомасштабном исследовании (обследовано 4978 мужчин и 2035 женщин, возрастом от 39 до 63 лет) была обнаружена обратная зависимость между положением человека на социально-экономической лестнице и вероятностью наличия у него МС. Авторы пришли к выводу, что «развитие МС – это биологический механизм, который приводит к «социальному неравенству» в распределении коронарного риска среди людей». Как известно, у людей с высоким социально-экономическим статусом такой риск, согласно статистике, значительно ниже (2,3).
Похоже, что именно детство, проведенное в бедности, в зрелые годы приводит к ожирению. Это было установлено, когда исследовались 4774 мужчины и 2206 женщин, родившиеся в 1930-1953 гг. Оказалось, что высокие коронарные риски (повышенные уровни триглицеридов и низкие уровни Х-ЛПВП) в большой степени связаны с низким социо-экономическим статусом, который имел место во взрослом возрасте, чем с «бедным детством». Тем не менее, именно у тех лиц, отцы которых принадлежали к более низким классам, во взрослом возрасте преимущественно наблюдался избыточный вес. Предолагается, что «низкий социо-экономический статус начинает повышать коронарные риски с детства и резко возрастает при его снижении в зрелом возрасте» (4).
Определение у конкретных лиц рисков, связанных с ожирением и приводящих к тяжелым сосудистым осложнениям, является весьма актуальной задачей. В данный момент наилучшее решение этой задачи – измерение в крови концентрации свободных жирных кислот.
Свободные (или не этерифицированные) жирные кислоты (СЖК) образуются в результате гидролиза триглицеридов, содержащихся в жировых тканях. Плазменные жирные кислоты или этерифицированы и в этом случае большей частью связаны с альбумином или не этерифицированы и находятся в свободном состоянии. В плазме СЖК обнаруживаются в диапазоне концентраций от 100 мкмоль/л до 1 ммоль/л и их уровень сильно зависит от времени суток. После каждого приема пищи уровень СЖК в плазме падает, так как инсулин подавляет в жировых клетках липолиз, в результате которого и образуются СЖК. В ночное время концентрация СЖК в плазме возрастает. К этим нормальным суточным колебаниям уровней СЖК «подстраиваются» почти все другие ткани, в частности, скелетные мышцы, которые «переключаются» с утилизации глюкозы (днем) на потребление СЖК (ночью).
Способность скелетных мышц (и других тканей) подстраивать свой метаболизм к доминирующему в данный момент субстрату принято называть «хорошим метаболическим здоровьем» или «метаболической гибкостью». Понятно, что хорошее «метаболическое здоровье» связано с нормальной чувствительностью к инсулину (5). Но есть одна ткань, которая «работает на топливе» СЖК и днем и ночью.
Свободные жирные кислоты – основной метаболический ресурс для миокарда
В миокарде СЖК быстро метаболизируются за счет бета-окисления в митохондриях и обеспечивают сердцу от 65 до 70% АТФ. Остальные 20-25% АТФ миокард получает за счет гликолиза. Несмотря на то, что именно СЖК – самое предпочтительное «топливо» для сердца, его «сжигание» – весьма затратный процесс: окисление 1 моля СЖК требует большего количества кислорода, чем окисление 1 моля глюкозы. И хотя в норме эти потребности в кислороде удовлетворяются, при его дефиците (ишемия) потребление СЖК падает, их уровень в плазме практически сразу возрастает, что ведет к самым серьезным патологическим последствиям (6,7). Но об этом позже.
Первая опасность, связанная с повышенными уровнями СЖК – это инсулинорезистентность (ИР). Многочисленные результаты недавних исследований четко указывают: повышенные уровни СЖК, вызванные избыточным количеством жировой ткани – если не первая, то, по крайней мере, одна из главных причин возникновения ИР. Многократно и достоверно показано, что большинство пациентов, страдающих ожирением, метаболическим синдромом и сахарным диабетом второго типа (СД 2), имеют повышенные уровни СЖК, что приводит к ИР многих тканей – жировой, мышечных, печени, а также эндотелиальных клеток (8-10).
Нарушение метаболизма СЖК – ключевое событие, ведущее к ИР
При ожирении в кровоток поступают избыточные количества СЖК. Дальнейшее будет зависеть от того, в каких именно тканях, не предназначенных для их хранения, будут накапливаться СЖК. Если они накапливаются в скелетных мышцах – это приведет к ИР, если в печени – к дислипидемии. Сначала, как правило, развивается ИР, потом, с ее утяжелением – ишемическая болезнь сердца – ИБС (10).
Развитие ИР при избыточных концентрациях СЖК, происходит, по крайней мере, по двум разным путям.
1. Повышается уровень глюкозы. Хронически высокие уровни СЖК оказывают т.н. липотоксический эффект на бета-клетки поджелудочной железы (11). Это усугубляется тем, чем повышенный поток СЖК в печень, в особенности за счет липолиза висцерального жира, повышает в печени эндогенный синтез глюкозы (12).
2. Развивается собственно ИР. Большая масса адипоцитов синтезирует повышенные количества провоспалительных цитокинов, что приводит к хроническому воспалительному процессу, который: а) нарушает путь передачи инсулинового сигнала и, б) повреждает функции митохондрий, что нарушает гомеостаз глюкозы. В частности, секретируемые жировыми клетками ИЛ-6 и ФНО-альфа утяжеляют ИР, а секретируемый ангиотензин II, повышает артериальное давление и способствует развитию атеросклероза (8,12,13).
Однако согласно недавним исследованиям, нарушение пути передачи инсулинового сигнала связано, в основном, с патологическим метаболизмом СЖК в клетках скелетных мышц, «не справляющихся» с их утилизацией, когда СЖК в избытке. Действительно, локальное накопление внутри скелетных мышц таких метаболитов СЖК, как церамиды, диаглицерол или ацил-КоА ведет к нарушению передачи инсулинового сигнала и, тем самым, к нарушению транспорта глюкозы.
Церамиды состоят из сфингоидного основания (сфингозина) и остатка жирной кислоты, соединенных амидной связью. Церамид – интермедиат в биосинтезе сфинголмиелина – образуется при взаимодействии сфингозина с ацил-КоА. Важнейшая роль церамида – участие в качестве мессенджера в сигнальном пути сфингомиелина и в регуляции таких клеточных процессов, как дифференцировка, пролиферация и апоптоз (запрограммированная смерть клеток). Избыточные количества церамида тормозят путь трансдукции инсулинового сигнала за счет ингибрования фосфорилирования протеинкиназы Akt/PKB и блокируют транслокацию Akt/PKB из цитоплазмы в плазматическую мембрану, что затем инактивирует путь трансдукции инсулинового сигнала. Действительно, у лиц с ожирением, страдающих ИР, уровни церамида в скелетных мышцах повышены в 2 раза. Это повышение связано с высокими концентрациями СЖК в плазме и с понижением интенсивности фосфорилирования протеинкиназы Akt (14).
Для доказательства, того, что именно повышенные уровни церамида приводят к нарушению гомеостаза глюкозы, проведены опыты с животными и фармакологическими агентами. Действительно, снижение уровней церамида (за счет ингибирования его синтеза) улучшает гомеостаз глюкозы у инсулинорезистентных трансгенных мышей, имеющих ожирение и СД (15,16).
Но что могут дать эти важные открытия для сегодняшней рутинной лабораторной практики?
СЖК – независимый предиктор нарушенной толерантности к глюкозе
В проспективном исследовании в течение 5 лет наблюдался 3671 индивид с исходно нормальной толерантностью к глюкозе (ТГ). За это время у 418 лиц развилось нарушение ТГ. Обнаружено, что нарушение ТГ было связано с высокими уровнями СЖК натощак у лиц с исходно нормальной ТГ. Авторы полагают, что «повышенные уровни СЖК – предикторы развития нарушения ТГ, независимые от ИР или нарушений секреции глюкозы» (17).
Повышенные натощак уровни СЖК – фактор риска СД 2
В другом проспективном исследовании 9 лет наблюдали 580 лиц с диагностированным СД 2 и 556 лиц контрольной группы. Как оказалось, уровни СЖК были прямо пропорционально связаны с: 1) индексом массы тела, 2) объемом талии, 3) частотой пульса, 4) уровнями триглицеридов в плазме и 5) показателями воспаления, определявшимся по 6 маркерам воспаления (18).
ИР, вызванная высоким уровнем СЖК, еще больше повышает концентрацию СЖК в плазме
Как обнаружилось, инсулинорезистентные жировые клетки секретируют повышенные уровни СЖК. Это, собственно, и позволяет считать повышенные уровни СЖК маркером ИР. Действительно, при ИР уровень СЖК в гепатоцитах повышается, т.к., в них: 1) повышается липогенез de novo, 2) этерификиця СЖК превышает их окисление, 3) этерифицированные ЖК запасаются в виде триглицеридов или направляются на синтез Х-ЛПОНП (богатых триглицеридами), 4) понижается регулируемая инсулином мобилизация триглицеридов.
Инсулинорезистентные адипоциты интенсивно расщепляют содержащиеся в них триглицериды и высвобождают образовавшиеся из них СЖК в кровоток (как при ожирении, так и без него). Поток СЖК из жировых клеток повышается и, более того, СЖК также выходят из Х-ЛПОНП и из хиломикронов плазмы и по кровотоку частично направляются в другие органы, а частично – обратно в печень, где снова превращаются в триглицериды. Происходит «накачка» печени СЖК и триглицеридами. Это имеет самые тяжкие последствия (7,8,19).
Повышенные уровни СЖК приводят к дислипидемии и атерогенезу
Вот как это происходит.
1) Из печени высокие уровни Х-ЛПОНП секретируются в плазму, где из-за липолиза из Х-ЛПОНП образуются СЖК и высокоатерогенные ремнантные (остаточные) частицы липопротеинов, богатых триглицеридами.
2) Из плазмы СЖК и ремнантные частицы снова поглощаются печенью, что еще больше повышает уровень СЖК в гепатоцитах и еще больше стимулирует синтез Х-ЛПОНП.
3) В печени, при высоком уровне Х-ЛПОНП и нормальном уровне белка CETP (cholesteryl ester transfer protein) – переносчика эфира холестерина, триглицериды из Х-ЛПОНП переходят в Х-ЛПВП, а холестерин из Х-ЛПВП переходит в Х-ЛПОНП. В итоге образуются: а) богатые холестерином очень атерогенные ремнантные частицы Х-ЛПОНП и б) Х-ЛПВП, содержащий много триглицеридов и мало холестерина.
4) Такие частицы Х-ЛПВП теряют триглицериды (под действием печеночной липазы) и свой основной аполипопротеин Апо А1. В итоге уровень антитерогенного Х-ЛПВП понижается.
5) При высоком уровне Х-ЛПОНП (богатых триглицеридами), CETP переносит триглицериды из Х-ЛПОНП в Х-ЛПНП, а холестерин – из Х-ЛПНП в Х-ЛПОНП.
6) Богатые триглицеридами Х-ЛПНП из-за активности печеночной или липопротеиновой липазы теряют триглицериды, уменьшаются в размерах и становятся очень атерогенными мелкими плотными частицами Х-ЛПНП.
Таким образом, повышенные уровни СЖК приводят к снижению уровня «антиатерогенного» Х-ЛПВП, образованию крайне атерогенных мелких плотных частиц Х-ЛПНП и повышению плазменных уровней триглицеридов (19).
Но есть еще один путь, которым высокие уровни СЖК вызывают атерогенез. Этот путь более прямой и короткий. Повышенный при ИР уровень СЖК вызывает в митохондриях макрососудистых эндотелиальных клеток сверхсинтез активных форм кислорода, что ведет к окислению Х-ЛПНП и модификации Х-ЛПВП. Это индуцирует воспалительный процесс в стенках сосудов, образование и накопление холестериновых бляшек и, в результате – ишемию (20).
Ишемия еще больше ухудшает и без того тяжелую патологическую ситуацию
Ишемия, вызванная высоким уровнем СЖК, еще больше повышает уровень СЖК в плазме крови. Как говорилось, в миокарде СЖК за счет бета-окисления в митохондриях быстро метаболизируются и дают 65-70% АТФ (гликолиз – 20-25% АТФ). Принципиально, что окисление 1 моля СЖК требует большего количества кислорода, чем окисление 1 моля глюкозы. В норме эти потребности удовлетворяются, но при ишемии с метаболизмом СЖК в миокарде возникают тяжелые патологические изменения, которые ведут уже к самым серьезным последствиям, а именно:
– в ишемических и кардиомиопатических условиях утилизация глюкозы преобладает над использованием СЖК,
– при ишемии метаболизм СЖК становится патологическим, внутри ишемических клеток образуются лактат и ионы водорода,
– это ведет: а) к деградации контрактильности миокарда, б) диастолической дисфункции и, в) снижает артитмогенный порог кардиомиоцитов (7,21).
В целом, плазменные уровни СЖК независимо от других параметров связаны с диастолической дисфункцией левого желудочка (22).
Повышенные уровни СЖК – самый ранний маркер ишемии
В проспективном исследовании в течение 5 лет наблюдали 2103 мужчин, исходно не имевших ИБС. За этот период у 144 из них развилась ИБС. Как оказалось, повышенные натощак уровни СЖК (3-я тертиль) были связаны с повышением риска ИБС в 2 раза (по сравнению с нижней тертилью) (23).
В другом исследовании наблюдали 30 пациентов, поступивших в отделение неотложной терапии с острым коронарным синдромом (сердечная боль в течение 12 часов), у которых измеряли уровни тропонина I (TnI ) и СЖК. У 9 лиц был диагностирован инфаркт миокарда (ИМ). В течение 24 часов после поступления у всех 9 лиц с ИМ уровни TnI повысились. При этом в каждом из 9 случаев повышения TnI были повышенными и уровни СЖК. При поступлении высокие концентрации СЖК были у 28 из 30 пациентов (93%).У всех 9, у которых был диагностирован ИМ, уровни СЖК при поступлении были повышены (100%). Авторы делают вывод: «При ишемии СЖК повышаются независимо от наличия или отсутствия некроза миокарда, тестируемого по TnI» (24).
Аналогичные результаты были получены в исследовании, в котором уровни СЖК измеряли после коронарной ангиопластики. Как известно, сразу после такой операции происходит транзиторное повышение тяжести ишемии. Можно ли его зарегистрировать и количественно оценить по изменению уровней СЖК? 22 пациентам, подвергшимся чрезкожной транслюминальной ангиопластике, плазменные уровни СЖК измеряли за 5 мин до и через 30 мин после операции. У всех больных постоперационные уровни СЖК были выше, чем предоперационные. Так, после операции уровень СЖК достигал 103 нМ (в 14 раз выше, чем в норме – 7,5 нМ). И хотя высокие уровни СЖК были у всех 22 пациентов, только у 11 после операции наблюдалось ишемическое изменение сегмента ST кардиограммы. У таких больных уровни СЖК были значительно выше, чем у пациентов без подъема сегмента ST (47 нМ). Авторы считают, что «повышение сывороточного уровня СЖК отражает ишемию, вызываемую ангиопластикой; определение уровня СЖК – более чувствительный показатель степени ишемии, чем электрокардиографическое измерение» (25).
У пациентов без ишемии высокий уровень СЖК часто связан с комплексом преждевременных сокращений желудочков, что, в конечном счете, повышает риск ССЗ. При ишемии концентрация СЖК резко повышается и имеет проаритмический эффект, вызывающий тахиаритмию (учащенные неритмичные сокращения желудочков). В целом, повышенные уровни СЖК – показатель тяжести ишемии у «тропонин-отрицательных» пациентов (23-25). Однако повышенные уровни СЖК – не только индикатор ишемии.
Повышенные уровни СЖК предсказывают внезапную смерть
3315 лиц подвергавшихся коронарной ангиографии наблюдали в течение 6,85 лет. Заболевания коронарных артерий были диагностированы у 2231 пациента. Внезапная смерть произошла у 165 больных. Повышенные уровни СЖК были связаны с повышенным риском внезапной смерти (26).
Итак, повышение уровня СЖК затягивает больного в спираль патологических событий:
1. СЖК накапливаются в жировых тканях, концентрация СЖК в крови повышается.
2. Накопление СЖК в скелетных мышцах, не предназначенных для хранения СЖК,
ведет к патологическому метаболизму СЖК, интермедиаты которого вызывают ИР.
3. ИР еще больше повышает концентрацию СЖК в крови и в печени.
4. Повышение концентрации СЖК в печени нарушает метаболизм холестерина и приводит к ишемической болезни сердца.
5. Ишемия еще больше повышает уровень СЖК.
6. См. № 1.
Своевременное определение концентрации СЖК в крови и проведение соответствующей терапии может стать началом выхода из этого порочного круга.
Литература
1. Park YW, Zhu S, Palaniappan L, Heshka S, Carnethon MR, Heymsfield SB. The metabolic syndrome: prevalence and associated risk factor findings in the US population from the Third National Health and Nutrition Examination Survey, 1988-1994. Arch Intern Med. 2003; 163(4):427-436
2. Brunner EJ, Marmot MG, Nanchahal K, Shipley MJ, Stansfeld SA, Juneja M, Alberti KG. Social inequality in coronary risk: central obesity and the metabolic syndrome. Evidence from the Whitehall II study. Diabetologia. 1997; 40(11):1341-1349.
3. Perel P, Langenberg C, Ferrie J, Moser K, Brunner E, Marmot M. Household Wealth and the Metabolic Syndrome in the Whitehall II Study. Diabetes Care. 2006; 29(12):2694-2700
4. Brunner E, Shipley MJ, Blane D, Smith GD, Marmot MG. When does cardiovascular risk start? Past and present socioeconomic circumstances and risk factors in adulthood. J Epidemiol Community Health. 1999; 53(12):757-776.
5.Kelley DE, Mandarino LJ. Fuel selection in human skeletal muscle in insulin resistance: a reexamination. Diabetes. 2000; 49(5):677-683.
6. van der Vusse GJ, van Bilsen M, Glatz JF, Hasselbaink DM, Luiken J. Critical steps in cellular fatty acid uptake and utilization. Mol Cell Biochem 2002; 239:9–15.
7. Aras O, Dilsizian V. Targeting ischemic memory. Current Opinion in Biotechnology 2007, 18:46–51
8. Boden G. Free fatty acids and insulin secretion in humans. Curr Diab Rep. 2005; 5(3):167-170.
9. Azzazy HM, Pelsers MM, Christenson RH. Unbound free fatty acids and heart-type fatty acid-binding protein: diagnostic assays and clinical applications. Clin Chem. 2006 Jan;52(1):19-29
10. Delarue J, Magnan C. Free fatty acids and insulin resistance. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2007; 10(2):142-148
11. Unger RH: Lipotoxicity in the pathogenesis of obesity-dependent NIDDM: genetic and clinical implications. Diabetes 1995, 44: 863–870
12. Rebrin K,et al Free fatty acid as a link in the regulation of hepatic glucose output by peripheral insulin. Diabetes 1995, 44:1038–1045
13. Hotamisligil GS. Inflammation and metabolic disorders. Nature. 2006 ; 444(7121):860-867
14. Adams JM, Pratipanawatr T, Berria R, Wang E, DeFronzo RA, Sullards MC, Mandarino LJ. Ceramide content is increased in skeletal muscle from obese insulin-resistant humans. Diabetes. 2004;53(1):25-31.
15. Holland WL , Brozinick JT, Wang LP, Hawkins ED, Sargent KM, Liu Y, Narra K, Hoehn KL, Knotts TA, Siesky A, Nelson DH, Karathanasis SK, Fontenot GK, Birnbaum MJ, Summers SA. Inhibition of ceramide synthesis ameliorates glucocorticoid-, saturated-fat-, and obesity-induced insulin resistance. Cell Metab. 2007; 5(3):167-179.
16. Pickersgill L, Key role for ceramides in mediating insulin resistance in human muscle cells. J Biol Chem. 2007; 282(17):12583-9
17. Maet С et al. The role of non-esterified fatty acids in the deterioration of glucose tolerance in Caucasian subjects: results of the Paris rospective Study. Diabetologia. 1997; 40 (9):1101-1106.
18. Pankow JS et al Fasting plasma free fatty acids and risk of type 2 diabetes: the atherosclerosis risk in communities study. Diabetes Care. 2004; 27(1):77-82
19. Byrne CD, Wareham NJ, Brown DC, Clark PM, Cox LJ, Day NE, Palmer CR, Wang TW, Williams DR, Hales CN. Hypertriglyceridaemia in subjects with normal and abnormal glucose tolerance: relative contributions of insulin secretion, insulin resistance and suppression of plasma non-esterified fatty acids. Diabetologia. 1994; 37: 889–896.
20. Hotamisligil GS. Inflammatory pathways and insulin action. Int J Obes Relat Metab Disord. 2003;27 Suppl 3:S53-55.
21. Hendrickson SC, et al. Free fatty acid metabolism during myocardial ischemia and reperfusion. Mol Cell Biochem. 1997; 166(1-2):85-94. .
22. Leichman JG et al Association of plasma free fatty acids and left ventricular diastolic function in patients with clinically severe obesity. Am J Clin Nutr. 2006;84(2):336-343
23. Pirro M et al. Plasma free fatty acid levels and the risk of ischemic heart disease in men: prospective results from the Québec Cardiovascular Study. Atherosclerosis. 2002; 160(2): 377-378.
24. Apple FS, et al Unbound Free Fatty Acid Concentrations Are Increased in Cardiac Ischemia, Clin Proteomics, 2004, 1, 1, 41-44
25. Kleinfeld AM, et al. Increases in serum unbound free fatty acid levels following coronary angioplasty. Am J Cardiol. 1996 15; 78(12): 1350-1354
26. Pilz S, et al. Elevated plasma free fatty acids predict sudden cardiac death: a 6.85-year follow-up of 3315 patients after coronary angiography. Eur Heart J. 2007; 28(22):2763-2769.
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
04.06.2008