Mechanizmy działania metforminy: In and out of the gut

Minęło sto lat od czasu, gdy stwierdzono, że guanidyna, związek będący prekursorem biguanidów, a tym samym metforminy, ma działanie obniżające stężenie glukozy u żywych zwierząt1. W tym historycznym badaniu Watanabe1 nie miał na celu zidentyfikowania środków obniżających poziom glukozy, ale raczej zrozumienie mechanizmu leżącego u podstaw rozwoju tężyczki u zwierząt poddanych paratyroidektomii. Watanabe1 doszedł do wniosku, że guanidyna jest czynnikiem patogennym odpowiedzialnym za tężyczkę, ponieważ jej podanie królikom powodowało „podobne do tężyczki” skurcze mięśni związane z niskim poziomem glukozy we krwi. Od czasu tego przypadkowego odkrycia środka obniżającego poziom glukozy, które miało miejsce 3 lata przed odkryciem insuliny, zaproponowano różne mechanizmy działania biguanidów. Mimo upływu czasu nie udało się jednak uzyskać pełnego obrazu działania farmakologicznego metforminy, najszerzej stosowanego leku przeciwcukrzycowego.

Metformina uważa się, że swoje główne działanie przeciwcukrzycowe wywiera poprzez hamowanie glukoneogenezy w wątrobie2, 3. Do tej pory zidentyfikowano dwa kluczowe cele molekularne metforminy, z których oba są zlokalizowane w mitochondriach (rysunek 1)2, 4. Metformina hamuje zatem funkcję mitochondrialnego kompleksu oddechowego I, co prowadzi do zwiększenia komórkowego stosunku monofosforanu adenozyny (AMP) do trifosforanu adenozyny (ATP) w wyniku zmniejszenia wydajności produkcji ATP. Ten wzrost stosunku AMP:ATP wywołuje aktywację kinazy białkowej aktywowanej przez AMP (AMPK), która wywiera różnorodny wpływ na metabolizm energetyczny, w tym hamuje ekspresję genów glukoneogenezy2. Uważa się również, że wzrost stężenia AMP hamuje aktywność cyklazy adenylanowej5, ważnego mediatora działania glukagonu, a więc w konsekwencji prowadzi również do zahamowania glukoneogenezy. Drugim celem metforminy w mitochondriach jest mitochondrialna dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa4, która odgrywa kluczową rolę w transporcie glicerofosforanu. Ten transfer oksydoredukcyjny pomiędzy cytozolem a mitochondriami jest niezbędny do produkcji utlenionej formy koenzymów wymaganych w reakcjach biochemicznych, takich jak dinukleotyd nikotynamidowo-adeninowy w reakcjach glukoneogenezy. Metformina hamuje aktywność mitochondrialnej dehydrogenazy glicerolo-3-fosforanowej, co powoduje zahamowanie reakcji glukoneogennych, w tym konwersji mleczanu do pirogronianu4. Te różne wyniki biochemiczne, wraz z wynikami analiz z użyciem klamry glukozowej3, wskazują, że wątroba jest głównym narządem docelowym metforminy w krążeniu.

Półokres półtrwania metforminy podawanej doustnie we krwi jest tak krótki, jak 3-4 h. To szybkie zniknięcie metforminy z krążenia wydaje się niezgodne z czasem trwania działania obniżającego stężenie glukozy ogólnie uznawanym przez klinicystów. W przeciwieństwie do tego, metformina podana doustnie pozostaje w przewodzie pokarmowym przez znacznie dłuższy czas, a zjawisko to niektórzy badacze uważają za przyczynę różnicy między okresem półtrwania metforminy we krwi a pozornym przebiegiem czasowym jej działania klinicznego. W 1968 roku Czyzyk i wsp.6 wykazali, że podawanie u psów butylo-biguanidu (buforminy) zarówno osłabiało wzrost stężenia glukozy we krwi podczas infuzji glukozy z cewnika umieszczonego w dwunastnicy, jak i zwiększało ilość niewchłoniętej glukozy odzyskanej w dystalnym odcinku jelita cienkiego. Stwierdzili oni zatem, że hamowanie wchłaniania glukozy z jelita może wyjaśniać nie tylko efekt obniżenia stężenia glukozy we krwi, ale także efekt przeciw otyłości i działania niepożądane ze strony przewodu pokarmowego tej klasy leków. Chociaż hamowanie wchłaniania glukozy z jelita nie jest już uznawane za główny mechanizm leżący u podstaw obniżającego stężenie glukozy działania metforminy, postępy w technologii obrazowania wykazały, że metformina wpływa na gospodarkę glukozą w jelicie człowieka. Stwierdzono zatem, ponownie przez przypadek, że gromadzenie się w okrężnicy fluorodeoksyglukozy znakowanej 18F, niemetabolizowanej pochodnej glukozy, jest znacznie zwiększone po podaniu metforminy (ryc. 2)7. Podczas gdy zarówno mechanizm leżący u podstaw tej obserwacji, jak i jej znaczenie dla metabolizmu glukozy pozostają do ustalenia, odkrycie to rzeczywiście sugeruje, że metformina wpływa na manipulację glukozą w okrężnicy.

Ostatnie badanie kliniczne dostarczyło mocnych dowodów na to, że metformina pozostająca w jelicie wywiera działanie obniżające stężenie glukozy. W tym badaniu fazy 2 mierzono stężenie we krwi i efekty terapeutyczne zarówno metforminy o przedłużonym uwalnianiu – która jest dostępna na rynku w kilku krajach, w tym w USA i niektórych krajach europejskich – jak i nowo opracowanej metforminy o opóźnionym uwalnianiu (Met DR)8. Met DR jest opracowana w taki sposób, aby była powoli uwalniana w jelicie i wchłaniana od części jelita obejmującej dystalną część jelita czczego do okrężnicy. Biodostępność leku Met DR jest zatem niska, a jego wchłanianie wynosi ~50% wchłaniania metforminy o przedłużonym uwalnianiu. Stwierdzono jednak, że działanie obniżające stężenie glukozy Met DR jest podobne do działania tej samej dawki metforminy o przedłużonym uwalnianiu, co potwierdza tezę, że metformina obniża stężenie glukozy we krwi nie tylko poprzez działanie w krążeniu, ale również w jelicie.

Jak metformina może osiągnąć taki efekt wewnątrzjelitowy? Duca i wsp.9 wykazali działanie metforminy przed wchłonięciem w jelicie, w którym pośredniczy ośrodkowy układ nerwowy. Podawanie metforminy przez cewnik umieszczony w świetle dwunastnicy szczurów powodowało wyraźną supresję wątrobowej produkcji glukozy w połączeniu z aktywacją AMPK w komórkach dwunastnicy. Ekspresja dominującej ujemnej formy AMPK w komórkach dwunastnicy lub podanie antagonisty receptora glukagonopodobnego peptydu-1 lub inhibitora kinazy białkowej A zapobiegało temu efektowi metforminy na produkcję glukozy, sugerując, że efekt ten jest pośredniczony przez szlak AMPK-glukagonopodobny peptyd-1-kinaza białkowa A. Tłumienie wątrobowej produkcji glukozy przez wewnątrzjelitowe podanie metforminy było również powstrzymywane przez hamowanie sygnalizacji przez aferentne lub eferentne gałęzie nerwu błędnego lub przez tłumienie aktywności jądra samotnego, jądra przekaźnikowego nerwu błędnego, co sugeruje, że ten efekt metforminy jest pośredniczony przez oś dwunastnica-ośrodkowy układ nerwowy-wątroba i przekazywany przez nerw błędny. Podczas gdy niektóre brakujące ogniwa pozostają do uzupełnienia, takie jak mechanistyczne połączenie z dwunastniczej AMPK do sygnalizacji glukagonopodobnego peptydu-1, to badanie ujawniło wcześniej nierozpoznaną rolę dwunastnicy w działaniu metforminy. Stwierdzenie, że niewielka ilość Met DR jest uwalniana w dwunastnicy, sugeruje jednak również, że metformina jest w stanie wywierać swoje działanie przeciwcukrzycowe w bardziej odległej części jelita.

Zastosowanie sekwencjonowania kwasów dezoksyrybonukleinowych nowej generacji wykazało, że mikrobiota jelitowa odgrywa kluczową rolę w wielu zjawiskach fizjologicznych, patologicznych i farmakologicznych. Podczas gdy kilka badań wykazało korelację między działaniem metforminy a zmianami w mikrobiocie jelitowej, ostatnie badanie przeprowadzone przez Wu i wsp.10 dostarczyło dowodów na istnienie związku przyczynowego między tymi dwoma zjawiskami. W tym podwójnie ślepym, randomizowanym, kontrolowanym badaniu klinicznym, w którym osoby niepoddające się leczeniu, u których niedawno rozpoznano cukrzycę typu 2, przyjmowały metforminę lub placebo przez 4 miesiące, stwierdzono, że podawanie metforminy zmienia mikrobiotę jelitową. Zmiany te obejmowały wzrost liczebności bakterii Akkermansia muciniphila – która, jak wcześniej wykazano, ulegała ekspansji w jelitach ludzi i gryzoni leczonych metforminą – jak również stymulację wzrostu bakterii Bifidobacterium adolescentis, której zakres był skorelowany z poprawą poziomu hemoglobiny glikozylowanej. Uważa się, że krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe produkowane przez mikrobiotę jelitową mogą pośredniczyć w biologicznych interakcjach z gospodarzem. Leczenie metforminą zmieniało ekspresję genów związanych z metabolizmem krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych i zwiększało stężenie krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w kale. Ponadto Wu i wsp.10 przenieśli kał myszy przed leczeniem i 4 miesiące po leczeniu do myszy bez zarodków i stwierdzili, że kał myszy leczonych metforminą poprawił tolerancję glukozy u myszy biorców. Chociaż nadal nie wiadomo, które funkcje których gatunków bakterii są ważne dla działania metforminy, wyniki tego badania wskazują na istnienie silnego związku przyczynowego między zmianami w mikrobiocie jelitowej a obniżającym stężenie glukozy działaniem metforminy. Aby potwierdzić, że obserwowane zmiany w mikrobiocie można przypisać bezpośredniemu działaniu metforminy, a nie wtórnemu wpływowi wynikającemu z poprawy metabolizmu ogólnoustrojowego, Wu i wsp.10 hodowali próbki kału od osób nieleczonych w „symulatorze jelitowym” w obecności metforminy. Ten eksperyment ex vivo potwierdził, że metformina bezpośrednio moduluje funkcję i wzrost mikrobioty w środowisku przypominającym jelito.

Postawienie hipotezy, że efekt obniżający poziom glukozy wywołany przez metforminę jest pośredniczony częściowo przez mikrobiotę jest atrakcyjne. Obserwacja, że wpływ metforminy na akumulację fluorodeoksyglukozy znakowanej 18F w okrężnicy nie zniknął całkowicie 3 dni po zaprzestaniu podawania metforminy7 , sugeruje, że na ten długotrwały efekt może również wpływać mikrobiota jelitowa. Chociaż skuteczność i bezpieczeństwo metforminy zostały ustalone w ciągu ≥60 lat jej stosowania klinicznego, możliwość rozwoju kwasicy mleczanowej, rzadkiego zdarzenia niepożądanego związanego z lekiem, czasami ogranicza jej stosowanie. Wytyczne i etykiety w wielu krajach ostrzegają świadczeniodawców przed przepisywaniem metforminy osobom, u których istnieje ryzyko wystąpienia tego poważnego działania niepożądanego, w tym osobom z zaburzeniami czynności głównych narządów, takich jak płuca, serce, wątroba i nerki, a także pacjentom w podeszłym wieku. Biorąc pod uwagę, że zahamowanie funkcji mitochondriów może zwiększać produkcję mleczanów, kwasica mleczanowa jest prawdopodobnie związana z działaniem metforminy poza jelitami (ryc. 1). Dalsze poznanie działania metforminy w jelitach może stanowić podstawę do opracowania nowych leków przeciwcukrzycowych, które wywierają swoje działanie tylko w jelitach. Jak sugerują Buse i wsp.8, takie leki mogłyby mieć dobrą skuteczność kliniczną bez ryzyka wystąpienia kwasicy mleczanowej.