Meccanismi d’azione della metformina: Dentro e fuori l’intestino

Sono passati cento anni da quando si è scoperto che la guanidina, un composto precursore dei biguanidi e quindi della metformina, aveva un effetto di abbassamento del glucosio negli animali vivi1. In questo storico studio, Watanabe1 non si prefiggeva di identificare gli agenti che abbassano il glucosio, ma piuttosto di capire il meccanismo alla base dello sviluppo della tetania negli animali sottoposti a paratiroidectomia. Watanabe1 ha concluso che la guanidina è un fattore patogeno responsabile della tetania, perché la sua somministrazione nei conigli ha provocato crampi muscolari “simili alla tetania” associati a bassi livelli di glucosio nel sangue. Da questa scoperta serendipitosa di un agente che abbassa il glucosio, avvenuta 3 anni prima della scoperta dell’insulina, sono stati proposti vari meccanismi su come i biguanidi esercitano i loro effetti. Nonostante il tempo trascorso, tuttavia, un quadro completo dell’azione farmacologica della metformina, il farmaco antidiabetico più somministrato, deve ancora essere realizzato.

Si pensa che la metformina eserciti la sua azione antidiabetica primaria attraverso la soppressione della gluconeogenesi nel fegato2, 3. Ad oggi, sono stati identificati due obiettivi molecolari chiave della metformina, entrambi localizzati nei mitocondri (Figura 1)2, 4. La metformina inibisce quindi la funzione del complesso respiratorio mitocondriale I, che porta ad un aumento del rapporto cellulare tra adenosina monofosfato (AMP) e adenosina trifosfato (ATP) come risultato di una riduzione dell’efficienza della produzione di ATP. Questo aumento del rapporto AMP:ATP innesca l’attivazione di AMP-activated protein kinase (AMPK), che ha una varietà di effetti sul metabolismo energetico, tra cui downregulation dell’espressione dei geni gluconeogenici2. L’aumento della concentrazione di AMP è anche pensato per inibire l’attività di adenilato ciclasi5, un importante mediatore dell’azione del glucagone, e quindi a sua volta si traduce anche nell’inibizione della gluconeogenesi. Il secondo bersaglio della metformina nei mitocondri è la glicerolo-3-fosfato deidrogenasi mitocondriale4, che svolge un ruolo chiave nella navetta glicerofosfato. Questa navetta di ossidoriduzione tra il citosol e i mitocondri è necessaria per la produzione della forma ossidata dei coenzimi necessari per le reazioni biochimiche, come il nicotinamide adenina dinucleotide nelle reazioni gluconeogeniche. La metformina inibisce l’attività della glicerolo-3-fosfato deidrogenasi mitocondriale, che si traduce quindi nella soppressione delle reazioni gluconeogeniche tra cui la conversione del lattato in piruvato4. Questi vari risultati biochimici, insieme ai risultati delle analisi di glucosio-clamp3, indicano che il fegato è il principale organo bersaglio della metformina nella circolazione.

L’emivita della metformina somministrata per via orale nel sangue è di appena 3-4 ore. Questa rapida scomparsa della metformina dalla circolazione sembra incoerente con la durata dell’effetto di riduzione del glucosio generalmente riconosciuto dai medici. Al contrario, la metformina somministrata per via orale rimane nel tratto gastrointestinale per un tempo sostanzialmente più lungo, un fenomeno pensato da alcuni ricercatori per spiegare la differenza tra l’emivita della metformina nel sangue e l’apparente durata della sua azione clinica. Nel 1968, Czyzyk et al.6 hanno dimostrato che la somministrazione di butil-biguanide (buformina) nei cani attenuava l’aumento dei livelli di glucosio nel sangue durante l’infusione di glucosio da un catetere posto nel duodeno e aumentava la quantità di glucosio non assorbito recuperato nell’intestino tenue distale. Hanno quindi concluso che la soppressione dell’assorbimento del glucosio dall’intestino potrebbe spiegare non solo l’effetto di abbassamento della glicemia, ma anche l’effetto anti-obesità e gli effetti avversi gastrointestinali di questa classe di farmaci. Anche se l’inibizione dell’assorbimento del glucosio dall’intestino non è più riconosciuta come meccanismo principale alla base dell’effetto di abbassamento del glucosio della metformina, i progressi nella tecnologia di imaging hanno dimostrato che la metformina influenza la gestione del glucosio nell’intestino umano. È stato così trovato, ancora una volta per caso, che l’accumulo nel colon di 18F-marcato fluorodeossiglucosio, un derivato non metabolizzabile di glucosio, è notevolmente aumentato dopo la somministrazione di metformina (Figura 2)7. Mentre sia il meccanismo sottostante e il significato per il metabolismo del glucosio di questa osservazione rimangono da determinare, questo risultato suggerisce infatti che la metformina colpisce la gestione del glucosio nel colon.

Un recente studio clinico ha fornito forti prove che la metformina che rimane nell’intestino esercita un effetto di riduzione del glucosio. Questo studio di fase 2 ha misurato le concentrazioni ematiche e gli effetti terapeutici sia della metformina a rilascio prolungato – che è in commercio in diversi paesi tra cui gli Stati Uniti e alcune nazioni europee – sia della metformina a rilascio ritardato di recente sviluppo (Met DR)8. Met DR è formulato per essere rilasciato lentamente nell’intestino e per essere assorbito dalla regione dell’intestino che comprende il digiuno distale fino al colon. La biodisponibilità di Met DR è quindi bassa, e il suo assorbimento è ~50% di quello della metformina a rilascio prolungato. L’effetto di abbassamento del glucosio del Met DR, tuttavia, è stato trovato simile a quello della stessa dose di metformina a rilascio prolungato, sostenendo la nozione che la metformina abbassa i livelli di glucosio nel sangue non solo attraverso un’azione nella circolazione, ma anche attraverso una nell’intestino.

Come potrebbe la metformina ottenere un tale effetto intraintestinale? Duca et al.9 hanno dimostrato un’azione della metformina preassorbente nell’intestino mediata dal sistema nervoso centrale. La somministrazione di metformina attraverso un catetere posto nel lume duodenale dei ratti ha provocato una marcata soppressione della produzione epatica di glucosio in associazione all’attivazione di AMPK nelle cellule duodenali. L’espressione di una forma dominante negativa di AMPK nelle cellule duodenali o la somministrazione di un antagonista del recettore del glucagone-like peptide-1 o di un inibitore della proteina chinasi A ha impedito questo effetto della metformina sulla produzione di glucosio, suggerendo che l’effetto è mediato da un percorso AMPK-glucagone-like peptide-1-protein kinase A. L’attenuazione della produzione epatica di glucosio da parte della somministrazione intraduodenale di metformina è stata anche impedita dall’inibizione della segnalazione da parte di rami afferenti o efferenti del nervo vago, o dalla soppressione dell’attività del nucleo del tratto solitario, un nucleo di relè del vago, suggerendo che questo effetto della metformina è mediato da un asse duodeno-sistema nervoso centrale-lire e trasmesso dal nervo vago. Mentre alcuni collegamenti mancanti rimangono da riempire, come il collegamento meccanicistico dall’AMPK duodenale alla segnalazione del glucagon-like peptide-1, questo studio ha scoperto un ruolo precedentemente non riconosciuto del duodeno nell’azione della metformina. La scoperta che poco Met DR viene rilasciato nel duodeno, tuttavia, suggerisce anche che la metformina è in grado di esercitare la sua azione antidiabetica in una porzione più distale dell’intestino.

L’applicazione del sequenziamento dell’acido desossiribonucleico di nuova generazione ha dimostrato che il microbiota intestinale gioca un ruolo chiave in una varietà di fenomeni fisiologici, patologici e farmacologici. Mentre diversi studi hanno mostrato una correlazione tra l’azione della metformina e i cambiamenti nel microbiota intestinale, un recente studio di Wu et al.10 ha fornito la prova di una relazione causale tra i due. In questo studio clinico controllato, randomizzato e in doppio cieco, in cui individui naïve al trattamento, a cui era stato recentemente diagnosticato il diabete mellito di tipo 2, hanno assunto metformina o un placebo per 4 mesi, la somministrazione di metformina ha alterato il microbiota intestinale. I cambiamenti includevano un aumento dell’abbondanza di Akkermansia muciniphila – che è stato precedentemente dimostrato di subire un’espansione nell’intestino di esseri umani o roditori trattati con metformina – così come la stimolazione della crescita di Bifidobacterium adolescentis, la cui entità era correlata al miglioramento del livello di emoglobina glicosilata. Gli acidi grassi a catena corta prodotti dal microbiota intestinale sono pensati per mediare le interazioni biologiche con l’ospite. Il trattamento con metformina ha alterato l’espressione dei geni legati al metabolismo degli acidi grassi a catena corta e ha aumentato i livelli di acidi grassi a catena corta nelle feci. Inoltre, Wu et al.10 hanno trasferito le feci di topi prima e 4 mesi dopo il trattamento a topi privi di germi e hanno scoperto che le feci dei topi trattati con metformina hanno migliorato la tolleranza al glucosio nei topi riceventi. Sebbene non sia ancora chiaro quali funzioni di quali specie batteriche siano importanti per l’azione della metformina, i risultati di questo studio indicano l’esistenza di un forte legame causale tra i cambiamenti nel microbiota intestinale e l’effetto di abbassamento del glucosio della metformina. Per confermare che i cambiamenti osservati nel microbiota erano attribuibili a un’azione diretta della metformina e non a un’influenza secondaria derivante dal miglioramento del metabolismo sistemico, Wu et al.10 hanno coltivato campioni fecali di soggetti non trattati in un “simulatore intestinale” in presenza di metformina. Questo esperimento ex vivo ha confermato che la metformina ha modulato direttamente la funzione e la crescita del microbiota in un ambiente simile all’intestino.

L’ipotesi che l’effetto di abbassamento del glucosio della metformina sia mediato in parte attraverso il microbiota è interessante. L’osservazione che l’effetto della metformina sull’accumulo di fluorodeossiglucosio marcato 18F nel colon non era completamente scomparso 3 giorni dopo la cessazione della somministrazione di metformina7 suggerisce che questo effetto duraturo potrebbe anche essere influenzato dal microbiota intestinale. Sebbene l’efficacia e la sicurezza della metformina siano state consolidate dai suoi ≥60 anni di somministrazione clinica, la possibilità di sviluppo di acidosi lattica, un raro evento avverso associato al farmaco, ne limita talvolta l’uso. Le linee guida e le etichette di molti paesi mettono in guardia gli operatori sanitari contro la prescrizione di metformina per gli individui a rischio di questo grave effetto collaterale, compresi quelli con disfunzioni degli organi principali, come polmoni, cuore, fegato e reni, nonché i pazienti anziani. Dato che l’inibizione della funzione mitocondriale potrebbe aumentare la produzione di lattato, l’acidosi lattica è probabilmente legata all’azione della metformina fuori dall’intestino (Figura 1). Un’ulteriore conoscenza dell’azione della metformina nell’intestino potrebbe fornire la base per lo sviluppo di nuovi farmaci antidiabetici che esercitano i loro effetti solo nell’intestino. Come suggerito da Buse et al.8, tali farmaci potrebbero avere una buona efficacia clinica senza il rischio di acidosi lattica.