Gut microbiota and drugs. Interactions influencing the efficacy and safety of pharmacotherapy

Wraz z postępem medycyny i nauki, a zwłaszcza biologii molekularnej, coraz wyraźniej widać różnice w odpowiedzi na farmakoterapię między pacjentami. Skuteczność farmakoterapii zależy od wielu czynników, m.in. uwarunkowań genetycznych, wieku, diety. W tym kontekście należy zwrócić uwagę na rolę mikroorganizmów jelitowych (mikrobiota) mających własny metabolizm i w sumie około 150 razy więcej genów w porównaniu z genomem człowieka [1]. Mikrobiota jelit może tworzyć 1,5-2 kg masy ciała człowieka, a liczba komórek bakteryjnych może równać się liczbie komórek somatycznych organizmu [2]. Wpływ mikroorganizmów jelitowych na przemiany związków opisano w przypadku kilkudziesięciu powszechnie stosowanych leków [3, 4]. Stąd, nie bez powodu, w ciągu ostatnich lat można zaobserwować bardzo duży wzrost zainteresowania wpływem mikrobioty jelit na skuteczność farmakoterapii.

Mimo że mikrobiota jelitowa nie pochodzi od komórek człowieka, to, podobnie jak inne organy, pełni niezbędne funkcje dla zachowania zdrowia, a zachwianie jej równowagi może doprowadzić do zaburzenia ogólnej homeostazy organizmu. Mikrobiotę jelit reprezentują głównie przedstawiciele rodzajów: Actinomyces, Bacteroides, Firmicutes i Proteobacteria. Ich zawartość jest dość stabilna u dorosłej osoby, a odmienne warunki środowiskowe w poszczególnych odcinkach jelit warunkują zróżnicowanie jej składu. Zakłada się, że 30% zespołu mikroorganizmów jelitowych to stabilny, niezmienny skład jakościowy i ilościowy, który jest charakterystyczny dla danego człowieka, natomiast pozostałe 70% może podlegać modyfikacjom związanym ze stylem życia, dietą i uwarunkowaniami patofizjologicznymi [2]. Wydaje się, że w przyszłości indywidualny skład mikroorganizmów jelitowych określany w oparciu o analizy metagenomowe może stać się jednym ze sposobów identyfikowania ludzi [5].

Wśród czynników wpływających na mikrobiotę jelit można wyróżnić: wiek, środowisko, stres, zaburzenia hormonalne, masę ciała, dietę oraz stosowane leki [6, 7, 8, 9] (ryc. 1). W ostatnich latach coraz częściej zauważa się, że skład mikrobioty jelitowej może być czynnikiem wpływającym na bilans energetyczny organizmu. Jednak dotąd nie wyjaśniono, czy różnice w składzie mikrobioty jelitowej u osób otyłych są skutkiem nieprawidłowej diety, która doprowadziła do nadmiernej masy ciała, czy też obecność konkretnych mikroorganizmów jelitowych odpowiada za zwiększoną predyspozycję do rozwoju otyłości [8]. Kompozycja jakościowa i ilościowa mikroorganizmów jelitowych zmienia się wraz z wiekiem człowieka i środowiskiem, w jakim przebywa. Szczególne znaczenie mają tutaj dwa okresy w życiu człowieka: niemowlęcy, który charakteryzuje się nie w pełni wykształconą, podatną na zmiany mikrobiotą jelitową, oraz starości, której towarzyszy zmniejszenie różnorodności składu zespołu mikroorganizmów, a nawet występowanie dysbiozy [9, 10, 11, 12, 13]. Efekty te można powiązać ze zmianami diety, stylu życia, a także stosowaniem polifarmakoterapii [7, 14, 15]. U noworodków prawidłowy rozwój mikrobioty jelitowej jest niezbędny do wykształcenia układu odpornościowego, a w tym bariery jelitowej. Stąd od rodzaju porodu, trybu karmienia i innych czynników, takich jak antybiotykoterapia, może zależeć, czy dziecko będzie predysponowane do zaburzeń immunologicznych [12, 13, 16]. Odpowiednio zbilansowane odżywianie i aktywność fizyczna są niezbędne do zachowania równowagi organizmu, dlatego nie można kwestionować wpływu stylu życia na zespół mikroorganizmów jelitowych. Tezę potwierdzają obserwacje mniejszego zróżnicowania mikrobioty jelitowej u ludzi otyłych w porównaniu ze sportowcami [7].

Jedną z podstawowych funkcji mikrobioty jest hamowanie kolonizacji jelit przez potencjalnie chorobotwórcze mikroorganizmy, co uzyskuje się m.in. przez obniżanie pH treści pokarmowej jelit, wydzielanie substancji o aktywności przeciwdrobnoustrojowej, konkurowanie o składniki odżywcze oraz miejsca wiązania się z nabłonkiem jelit. Istotną rolą mikrobioty jelitowej jest utrzymywanie szczelności bariery jelitowej m.in. przez stymulację komórek nabłonkowych do syntezy mucyn, które tworzą ochronną warstwę śluzową ścian jelita. Mikrobiota, uczestnicząc w trawieniu resztek pokarmowych, odpowiada za wytwarzanie witaminy K, witamin z grupy B oraz pobudza absorpcję składników odżywczych, jonów wapnia, potasu, magnezu i żelaza. W wyniku fermentacji błonnika pokarmowego przez bakterie jelitowe, powstają korzystne dla zdrowia człowieka krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (short chain fatty acids; SCFAs), takie jak: kwas octowy, propionowy i masłowy. Do prawidłowego funkcjonowania jelit szczególnie przyczynia się maślan, który jest wytwarzany przez Faecalibacterium prausnitzii, Eubacterium/Roseburia i niektóre gatunki Firmicutes. Jest głównym źródłem energii kolonocytów, co zapewnia ich prawidłowy metabolizm, proliferację i różnicowanie, a także korzystnie wpływa na motorykę jelit i ograniczenie wzrostu patogenów [17]. Wytwarzanie SCFAs i metabolitów tryptofanu umożliwia mikroorganizmom jelitowym oddziaływanie na układ odpornościowy. SCFAs prowadzą do wzrostu liczby komórek T regulatorowych, wykazujących działanie przeciwzapalne, co umożliwia zasiedlanie jelit przez bakterie komensalne, jednocześnie zapewniając ochronę przed patogenami. W zależności od rodzaju stymulowanego podtypu komórek T, dochodzi do regulacji odpowiedzi immunologicznej organizmu [18, 19]. W przypadku przewagi bakterii patogennych w składzie mikrobioty jelitowej dochodzi do powstania reakcji zapalnej. Stan równowagi w jelitach osiągany jest, gdy układ odpornościowy wykazuje pewną nadwrażliwość, podczas której jest tolerowana obecność bakterii komensalnych [20].

Rycina 1

Mikrobiota jelit przyczynia się także do utrzymania zdrowia organizmu gospodarza przez syntezę drugorzędowych kwasów żółciowych, których rola nie ogranicza się tylko do zapewnienia prawidłowego wchłaniania lipidów i witamin, lecz ze względu na to, iż są ligandami receptorów FXR (farnesoid X receptor; receptor kwasu żółciowego) i TGR5 (G protein-coupled bile acid receptor; receptor kwasu żółciowego sprzężony z białkiem G) mogą także pośredniczyć w regulacji metabolizmu glukozy, lipidów i kwasów żółciowych [21].

Mikrobiota jelitowa wpływa na funkcjonowanie układu nerwowego, przez zdolność do wytwarzania oraz możliwość regulowania dostępności substratów do syntezy neuroprzekaźników, m.in. serotoniny, dopaminy, norepinefryny, 5-hydroksytryptaminy, acetylocholiny, kwasu gamma-aminomasłowego, pochodnych tryptofanu (tryptamina i kynureina) [22, 23]. Dowiedziono, że maślan może wpływać na uwalnianie serotoniny z komórek enterochromafinowych jelit [24], a także ze względu na to, iż jest niespecyficznym inhibitorem deacetylaz histonowych, biorących udział w formowaniu pamięci, może wpływać na proces zapamiętywania oraz plastyczność synaptyczną [25]. Natomiast propionian chroni barierę krew–mózg przed skutkami stresu oksydacyjnego, przez wpływ na ekspresję genów kodujących białka wykazujące aktywność antyoksydacyjną [26]. Zależności między generowanymi przez mikroorganizmy jelitowe metabolitami a funkcjonowaniem ośrodkowego układu nerwowego, określono jako dwukierunkową oś jelita– mózg, ponieważ zaburzenia funkcjonowania obu elementów mogą wzajemnie na siebie oddziaływać [22]. Przykładem takich zaburzeń jest zespół jelita nadwrażliwego (irritable bowel syndrome, IBS), w przebiegu którego dochodzi do zaburzeń przepuszczalności bariery jelitowej i składu mikrobioty jelitowej w wyniku stresu [27]. Dlatego zaczęto szukać odpowiedzi na pytanie, czy dysbioza, podobnie jak w przypadku chorób zapalnych jelit, nowotworów jelit, otyłości i cukrzycy [28, 29, 30, 31], może być podłożem chorób, takich jak depresja czy choroba Parkinsona [22].

Oprócz opisanego wyżej korzystnego wpływu mikrobioty jelitowej na stan zdrowia należy też wspomnieć o potencjalnie niekorzystnych skutkach jej aktywności na przykładzie przetwarzania składników odżywczych. Niezbędne do wzrostu mikroorganizmów białka z pożywienia mogą być metabolizowane do poliamin, N-nitrozozwiązków, siarkowodoru i amoniaku, które w nadmiarze mogą uszkadzać barierę jelitową oraz wykazywać działanie cytotoksyczne, genotoksyczne i karcynogenne [32, 33]. Natomiast przy nadmiernej podaży nasyconych kwasów tłuszczowych w treści pokarmowej jelit zauważono m.in. zwiększenie zawartości Clostridium XI/XIV, czego skutkiem jest wytwarzanie związków prozapalnych i genotoksycznych, takich jak kwas dezoksycholowy [34].

Inne niepożądane działanie mikrobioty jelitowej jest związane z dużą aktywnością β-glukuronidazy i β-glukozydazy (szczególnie u bakterii z rodzaju Clostridium) [35, 36]. Wytwarzanie toksycznych produktów metabolizmu mikroorganizmów jelitowych powiązano m.in. z rozwojem stanów patologicznych, takich jak rak jelita grubego czy choroba zapalna jelit.

Dla składu i funkcjonowania mikrobioty jelitowej istotne znaczenie ma stosowana farmakoterapia. Niedawno opublikowane badania wskazują, że zwłaszcza silny wpływ na mikroorganizmy jelitowe wykazuje antybiotykoterapia, inhibitory pompy protonowej (IPP), metformina oraz środki przeczyszczające [37]. W licznych badaniach podejmowano próby wyjaśnienia wpływu niedoboru żelaza i jego suplementacji na mikrobiotę jelitową. Zauważono, że preparaty żelaza podawane doustnie mają bezpośredni wpływ na zmiany składu mikroorganizmów w jelitach, co może spowodować zmniejszenie pożytecznej mikrobioty oraz stanowić okazję do ekspansji patogenów jelitowych [38]. Wiadomo, że niekorzystne działanie leków przeciwpsychotycznych II generacji objawiające się zaburzeniami metabolicznymi jest związane z ich wpływem na mikrobiotę jelitową [39]. Wiadomo, że zastosowanie antybiotyków w celu usunięcia bakterii patogennych jednocześnie narusza bardzo złożone mikrośrodowisko jelit, w tym wzajemne odżywianie bakterii komensalnych (cross-feeding), i wywołuje dysbiozę. Ponadto antybiotykoterapia wiąże się z ryzykiem rozwoju lekooporności bakterii, co może doprowadzić do zmiany składu mikrobioty. Dlatego do następstw antybiotykoterapii należy zaliczyć również zaburzenia syntezy istotnych dla zdrowia człowieka metabolitów bakterii, takich jak SCFAs czy drugorzędowe kwasy żółciowe, które w warunkach fizjologicznych są elementem bariery ochronnej m.in. przed infekcją C. difficile i związaną z nią biegunką [40]. Jednak w odróżnieniu od większości antybiotyków zastosowanie niewchłaniającej się z przewodu pokarmowego ryfaksyminy alfa – antybiotyku makrolidowego o szerokim zakresie działania przeciwbakteryjnego – nie tylko eliminuje bakterie patogenne, działa przeciwzapalnie, ale korzystnie moduluje skład mikrobioty jelitowej, co przywraca stan eubiozy jelitowej. Ta dodatkowa właściwość może być korzystna terapeutycznie w określonych warunkach klinicznych [41].

Oprócz większości antybiotyków niekorzystne efekty opisywane są również w przypadku IPP, których stosowanie wiąże się ze zmianą pH w świetle jelit i ryzykiem kolonizacji bakteriami pochodzącymi z jamy ustnej. W wyniku zmniejszenia kwasowości soku żołądkowego związanego z mechanizmem działania IPP może dochodzić do nadkażenia C. difficile, chociaż wyniki dużego, prospektywnego, randomizowanego badania z próbą placebo wskazują, że ryzyko wystąpienia zakażeń jelitowych nie jest zbyt wysokie [42, 43, 44]. Dowiedziono także, że IPP mogą przyspieszać starzenie śródbłonka jelit, chociaż rola mikrobioty pozostaje nierozpoznana w tym niepożądanym zjawisku [45]. W przeciwieństwie do antybiotyków oraz IPP, metformina, popularny lek stosowany m.in. w terapii cukrzycy typu 2, korzystnie wpływa na mikrobiotę jelitową przez zwiększenie udziału bakterii wytwarzających SCFAs. Jednak stymulowany przez metforminę wzrost Escherichia coli może być przyczyną występowania działań niepożądanych ze strony przewodu pokarmowego [46, 47]. Korzystne efekty w stosunku do mikrobioty jelitowej zauważono także podczas terapii statynami, co wiąże się z rzadszym występowaniem dysbiozy [48].

Jednym z wyzwań współczesnych terapii jest zapewnienie skuteczności i bezpieczeństwa farmakoterapii, co wiąże się z indywidualnym doborem schematów leczenia dla każdego pacjenta. W tym aspekcie istotne jest poznanie oraz uwzględnianie podczas planowania farmakoterapii u indywidualnych chorych wpływu mikrobioty jelitowej na lek w organizmie. Zmiana składu jakościowego i ilościowego mikrobioty jelitowej może bezpośrednio wpływać na aktywność jej enzymów, a przez to może zmieniać farmakokinetykę i toksyczność stosowanych leków [49]. Przeważa pogląd, że poziom odpowiedzi na lek wynosi w granicach 50-75%, co może być związane nie tylko z występowaniem polimorfizmów genów człowieka, ale także ze zmianami ekspresji genów spowodowanymi procesami chorobowymi jak i aktywnością mikrobioty [50, 51].

Po podaniu doustnym, w zależności od właściwości fizykochemicznych cząsteczek leku, substancje lecznicze mogą ulegać absorpcji w górnej części jelita cienkiego lub mieć przedłużony czas przebywania w przewodzie pokarmowym i docierać do jelita grubego, np. substancje lecznicze niecałkowicie uwolnione z postaci leku. Przebywanie substancji leczniczych w jelitach zwiększa prawdopodobieństwo ich biotransformacji z udziałem enzymów mikrobioty jelitowej. Mimo że jelito cienkie charakteryzuje się mniejszą zawartością mikroorganizmów w porównaniu do jelita grubego, jego potencjał do biotransformacji leków jest istotny, ponieważ w jego świetle obecne są bakteryjne enzymy CYP. Stąd badania czerpiące informacje o wpływie mikrobioty na biotransformację leku tylko na podstawie próbek kału powinny uwzględniać margines błędu w postaci metabolizmu w jelicie cienkim, który nie jest łatwy do określenia z powodu trudności związanych z pobraniem materiału [4, 52].

Biotransformacja leków z udziałem enzymów mikrobioty jelitowej

Na przestrzeni wieków mikroorganizmy jelitowe metabolizowały napotykane coraz to nowe związki chemiczne pojawiające się wraz z rozwojem przemysłu i postępem medycyny. Prawdopodobnie zdolność do przetwarzania ciągle poszerzającego się spektrum związków, zarówno przez bakterie jak i człowieka, wynika z właściwości enzymów mających powinowactwo do różnorodnych substratów [53]. Taka elastyczność funkcjonalna enzymów umożliwia koegzystencję mikroorganizmów i gospodarza, gdyż zapewnia wzajemną tolerancję na wytwarzane metabolity. Jednak niewielka swoistość substratowa enzymów ludzkich i mikrobioty powoduje, że mogą wykazywać powinowactwo do tych samych związków.

Zespół mikroorganizmów jelitowych może oddziaływać bezpośrednio lub pośrednio na biotransformację leków, zwłaszcza przyjmowanych doustnie (ryc. 2). Również leki podawane donaczyniowo mogą być substratami dla enzymów mikrobioty, gdyż wątrobowe produkty biotransformacji często są wydalane z żółcią do światła jelita. Najistotniejszymi enzymami mikrobioty jelitowej uczestniczącymi w przemianach substancji leczniczych są β-glukuronidazy, azoreduktazy, liazy, nitroreduktazy. W odróżnieniu od procesów biotransformacji substancji leczniczych w organizmie człowieka, gdzie dominują procesy utleniania i koniugacji, głównymi reakcjami przeprowadzanymi z udziałem enzymów mikrobioty są reakcje redukcji i hydrolizy. We względnie beztlenowych warunkach jelita redukcyjny metabolizm ksenobiotyków może ułatwiać oddychanie beztlenowe przez rozszerzenie zakresu alternatywnych akceptorów elektronów. Jednak hydroliza bezpośrednio dostarcza substratów do wzrostu mikroorganizmów. Na przykład wiele składników diety jest glikozylowanych, a ich hydroliza uwalnia cukry, które mogą zostać włączone do szlaku glikolizy [54, 55]. Bezpośrednie oddziaływanie enzymów mikrobioty jelitowej na substancje lecznicze lub ich metabolity może prowadzić do ich aktywacji, np. gdy substratem są proleki, inaktywacji czy wytworzenia toksycznych pochodnych. Pośredni wpływ mikrobioty jelitowej na biotransformację leków może być związany z oddziaływaniem metabolitów mikroorganizmów na aktywność ludzkich enzymów i białek transportowych uczestniczących w przemianach substancji leczniczych czy ekspresję genów determinujących przemiany leku w organizmie człowieka, a także na układ odpornościowy [47, 56, 57, 58].

Metabolity mikroorganizmów jelitowych, np. drugorzędowe kwasy żółciowe, tryptamina, mogą regulować ekspresję ludzkich genów kodujących białka I, II i III fazy biotransformacji, gdyż są ligandami czynników transkrypcyjnych i receptorów jądrowych, m.in. PXR (receptora pregnanu X), CAR (konstytutywnego receptora androstanu), AhR (receptora węglowodorów aromatycznych), FXR i TGR5 [21, 59, 60, 61, 62]. Ponadto metabolity mikroorganizmów mogą także wpływać na farmakokinetykę substancji leczniczych, np. przez konkurowanie o miejsca aktywne enzymów uczestniczących w biotransformacji leków [63, 64, 65]. W dalszej części pracy opisano znaczenie kliniczne wpływu mikrobioty jelitowej na lek w organizmie człowieka.

Rycina 2

Wyjaśnienie mechanizmów oddziaływania mikrobioty na lek w organizmie stanowi podstawy do opracowania skutecznych strategii przeciwdziałania niepożądanym skutkom tych interakcji. Ze względu na to, że mikrobiom stanowi nieodłączny element organizmu, ingerencja w jego niewielką część może spowodować wystąpienie niespodziewanych skutków. Dlatego tak istotny jest postęp technologii medycznych umożliwiający ciągłe poznawanie nowych interakcji lek–mikrobiota, które są jednymi z czynników determinujących bezpieczeństwo i skuteczność farmakoterapii.