Циркулирующие биологические маркеры ожирения: на пути к системному подходу

Введение

Распространенность избыточного веса и ожирения за последние годы, согласно данным Всемирной организации здравоохранения, достигла эпидемических показателей и в настоящее время является одной из наиболее значимых проблем медицины. По своей нозологической природе ожирение представляет собой хроническое рецидивирующее многофакторное нейроповеденческое заболевание, при котором увеличение жира в организме способствует дисфункции жировой ткани (ЖТ) и ее биомеханическому воздействию на окружающие ткани с развитием метаболических и психосоциальных последствий для здоровья.

С биологической точки зрения для ожирения характерно нарушение энергетического гомеостаза, а избыточная биологическая активность ЖТ приводит к воспалительным реакциям, гормональным дисфункциям и развитию ряда других осложнений, включая повышение риска онкологических заболеваний [1][2]. Проблема осложняется тем, что, несмотря на прямую связь количества ЖТ с развитием ассоциированных заболеваний, существуют данные, расходящиеся с указанной линейной зависимостью. Одним из современных подходов является концепция "метаболически здорового ожирения", при котором отсутствуют выраженные кардиометаболические проявления; вместе с тем, имеет место и противоположная ситуация, когда метаболические нарушения, характерные для лиц с ожирением, наблюдаются у пациентов с нормальной массой тела [1][2]. В работе Kouvari M, et al. показана возможность перехода пациентов из состояния метаболически здорового ожирения в метаболически нездоровый статус с повышением риска кардиометаболических осложнений [3]. В этом аспекте прогнозирование перехода пациента с ожирением в тот или иной метаболический тип и развитие кардиометаболических осложнений является актуальной задачей современной медицины, решение которой может достигаться с помощью клинических методов, функциональной диагностики, а также за счет методов неинвазивной лабораторной диагностики. Другим немаловажным фактором являются качественные изменения жировой ткани — "адипозопатии", которые ассоциированы с нарушением буферной способности клеток вследствие энергетического дисбаланса. Для ЖТ характерна крайне высокая биохимическая и эндокринная активность, что проявляется в гиперсекреции широкого спектра белковых соединений, оказывающих влияние на ключевые процессы в человеческом организме [4]. Патологические биохимические процессы, происходящие в ЖТ при ожирении, представляют интерес и с фундаментальной, и с практической точек зрения.

Цель обзора — подробный анализ последних исследований, посвященных циркулирующим биомаркерам, ассоциированным с ожирением, таким как адипокины, факторы, ассоциированные с воспалением, и белки теплового шока.

Материал и методы

Проведен поиск и анализ источников в базах данных e-Library и PubMed по ключевым словам "биомаркер", "ожирение", "цитокин", "адипокин". Также целенаправленно проводился поиск по каждому биологическому маркеру, приведенному в обзоре: "лептин", "адипонектин", "апелин", "резистин", "оментин", "висфатин", "хемерин", "липокалин", "интерлейкин", "TNF-α/ФНО-α", "галектин-3", "белок теплового шока" с поиском по отдельным нозологиям: "сахарный диабет", "неалкогольная жировая болезнь печени", "онкологические заболевания", "сердечная недостаточность". Глубина поиска составила 5 лет для зарубежных источников и 10 лет для отечественных работ. Таким образом, в обзор включен 41 источник: актуальных экспериментальных, лабораторных и клинических исследований, монографий и систематических обзоров.

Результаты

Одним из методов оценки происходящих в ЖТ изменений является измерение концентраций циркулирующих соединений, включая цитокины, факторы роста, а также класс специфических соединений — адипокинов, специфичных для ЖТ, исследование которых позволит проследить их связь с риском осложнений, метаболическим вариантом ожирения и другими клиническими и функциональными особенностями [5].

В настоящее время лабораторная диагностика ожирения в большинстве клиник ограничивается рутинными биохимическими и общеклиническими анализами. При сопутствующих осложнениях рутинная панель расширяется с включением гормонов щитовидной железы, половых гормонов, кортизола, инсулина, простат-специфического антигена, показателей обмена кальция [1][6-8].

Биохимические маркеры представляют собой биологические характеристики, которые могут быть объективно измерены и использованы как показатель нормально протекающих биологических процессов, патологических состояний или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство. Данное понятие включает в себя широкий спектр исследуемых в лаборатории показателей, начиная с клеточного профиля и заканчивая молекулярно-генетическими и биохимическими маркерами. Практически все биомаркеры, ассоциированные с ожирением, являются биологически активными соединениями, участвующими в различных биохимических процессах, поэтому требуется их количественная оценка с точным определением концентраций в анализируемом материале. В перспективе возможно расширение лабораторной диагностики, мониторинга и прогнозирования осложнений ожирения за счет применения ряда циркулирующих биомаркеров, большая часть из которых определяется автоматизированными и полуавтоматическими иммуноферментными методами, включая широкодоступный количественный твердофазный иммуноферментный анализ.

Адипокины

Адипокины представляют собой цитокины, которые продуцируются ЖТ и оказывают плейотропные метаболические эффекты, играющие важную патогенетическую роль в развитии осложнений ожирения. К адипокинам относят такие соединения, как лептин, адипонектин, апелин, резистин, оментин, висфатин, хемерин, липокалин и т.д. В настоящем обзоре рассматриваются основные представители этой группы соединений, и проанализированы данные об их потенциале в качестве биомаркеров ожирения и ассоциированных с ним нозологий.

Лептин представляет собой полипептид, состоящий из 167 аминокислот и кодирующийся геном LEP. Основным источником лептина является белая ЖТ; в небольших количествах данное соединение секретируется слизистой оболочкой желудка, передним отделом гипофиза, яичниками, лимфоидной тканью и костным мозгом. Действие лептина опосредуется специфическим рецептором ObR/LEPR. Данные рецепторы широко распространены в человеческом организме, включая гипоталамус, поджелудочную железу, яички, яичники, скелетные мышцы, почки, легкие [5][9]. Лептин играет важную роль в регуляции метаболизма, участвует в процессах антиген-специфического иммунитета, коагуляции, гемопоэза и регуляции репродукции. В нормальных условиях лептин приводит к снижению массы тела, тогда как при ожирении наблюдается "резистентность к лептину", для которой характерно повышение его концентрации в кровотоке [10]. Сывороточные уровни лептина положительно коррелируют с долей ЖТ и индексом массы тела (ИМТ), при этом его значения у женщин выше, чем у мужчин. Концентрация лептина меняется в течение суточного цикла, достигая максимума в 23:00-1:00 ч и снижаясь к полудню [9].

По данным ряда авторов, повышенные концентрации лептина ассоциируются с такими нозологиями, как сердечно-сосудистые патологии, включая гипертоническую болезнь, а также с повышением заболеваемости почек, метаболическим синдромом и, в целом, увеличением риска смерти от любых причин [11].

Важные результаты получены касательно связи уровней лептина с патологией репродуктивной системы у пациентов с ожирением. По данным Peng Y, et al., повышенные концентрации лептина в сыворотке крови ассоциировались с более высоким риском развития поликистоза яичников, при этом авторами предлагалось использовать комплексное определение лептина и анти-Мюллерова гормона [12]. Также описано негативное влияние лептина у мужчин с ожирением на репродуктивную функцию, при этом повышенные концентрации биомаркера были ассоциированы с нарушением регуляции андрогенов и бесплодием [9].

Адипонектин по своей химической структуре представляет собой полипептид, кодирующийся геном ADIPOQ и состоящий из 244 аминокислотных остатков, сгруппированных в 4 домена. Адипонектин продуцируется, главным образом, в ЖТ и обладает антиатерогенным, противовоспалительным, инсулин-сенсибилизирующим и кардиопротективным эффектом [13]. Сывороточные концентрации адипонектина, в отличие от ряда других адипокинов, снижены у пациентов с метаболическими нарушениями, включая дислипидемию, сахарный диабет (СД) 2 типа, тяжелые формы ожирения. Предполагается, что низкие уровни адипонектина, которые наблюдаются при ожирении и его осложнениях, являются следствием хронического воспаления низкой интенсивности, которое влияет на ЖТ при данных патологических состояниях [13][14].

Однако значение адипонектина как благоприятного фактора прогноза не является столь однозначным. В работе Zhang Y, et al. повышенный базальный уровень адипонектина у пациентов с ожирением был охарактеризован как независимый предиктор развития ревматоидного артрита. При этом пациенты, которые имели повышенные базальные уровни адипонектина и С-реактивного белка (СРБ), были подвержены практически троекратному риску развития ревматоидного артрита [15]. По данным Kurose S, et al., высокие уровни адипонектина связаны со снижением мышечной массы и силы мышц у больных с ожирением [14]. Отдельно стоит отметить работу Танянского А. Д. и др., в которой авторами анализировались молекулярные механизмы, связывающие адипонектин и экспрессию гена аполипопротеина АI в гепатоцитах. Исследование показало, что в регуляции адипонектином экспрессии гена аполипопротеина АI участвуют рецепторы адипонектина (AdipoR1/R2), аденозинмонофосфат-активируемой протеинкиназы, рецепторы активаторов пролиферации пероксисом-альфа и печеночные Х-рецепторы [16].

Апелин — биоактивный пептид, кодирующийся геном APLN. Апелин-12 является наиболее значимой формой данного соединения, которая представляет собой пептидный фрагмент из 12 аминокислотных остатков. Апелин участвует в регуляции кровяного давления, сердечной сократимости, балансе жидкости и активации высвобождения адренокортикотропного гормона из гипофиза [17]. В настоящий момент апелин активно изучается в качестве предиктора осложнений ожирения в различных возрастно-половых группах. По данным Wakeel MA, et al., сывороточные уровни апелина были выше у детей с ожирением в сравнении с группой контроля, при этом концентрации биомаркера положительно коррелировали с ИМТ, уровнем холестерина, инсулина, глюкозы натощак и индексом инсулинорезистентности (ИР) [17]. В исследовании Yin C, et al., также посвященном исследованию биомаркера у детей, было показано, что повышенные уровни апелина-12 в сыворотке у пациентов с ожирением были связаны с развитием метаболического синдрома. Проведенный авторами анализ показал, что апелин является более чувствительным биомаркером метаболического синдрома у детей с ожирением, чем адипонектин и лептин [18]. Особый интерес представляет работа отечественных исследователей Листопад О. В. и др., которые анализировали связь концентраций апелина в плазме крови с ремоделированием сердца у больных абдоминальным ожирением. Было показано, что концентрации апелина у пациентов с ожирением были выше, чем в контрольной группе здоровых людей, а уровни маркера отрицательно коррелируют со структурными изменениями сердца, что может свидетельствовать о значении апелина как фактора, обладающего кардиопротективными свойствами [19].

Резистин представляет собой богатый цистеином пептид, кодирующийся геном RETN, состоящий из 108 аминокислотных остатков в форме препропептида и 92 аминокислотных остатков в зрелой циркулирующей форме. Резистин является адипокином, который снижает способность инсулина подавлять высвобождение глюкозы из печени, и повышает поглощение глюкозы мышцами. В исследовании Kollari E, et al. было показано, что сывороточные уровни резистина у пациентов с СД 1 типа с избыточной массой тела и ожирением были выше, чем у пациентов с нормальной массой тела, при этом концентрации резистина значимо коррелировали с систолической и диастолической гипертензией, а также скоростью пульсовой волны [20]. В работе Гуссаовой С. С. и др. была выявлена связь сывороточных концентраций резистина и ИМТ у больных с морбидным ожирением, а также у больных с ожирением и ИР. Этими же авторами была описана связь повышения уровня биомаркера в сыворотке крови со снижением скорости клубочковой фильтрации у больных с морбидным ожирением, что, по их мнению, может отражать вовлеченность резистина в процесс развития дисфункции почек при ожирении [21].

Оментин-1 представляет собой гликопротеин, состоящий из 295 аминокислотных остатков и связанных олигосахаридов. Оментин-1 является адипокином, секретирующимся висцеральной ЖТ и клетками стромы сосудов, физиологическое и патофизиологическое значение которого до конца не изучены [22]. Вместе с тем, были получены данные, что оментин-1 является потенциально благоприятным фактором прогноза 1-летней выживаемости у пациентов, перенесших ишемический инсульт [23]. В работе Драгановой А. С. и др. было показано, что в группе больных с ИБС уровни оментина-1 были наиболее низкими у больных с многососудистым поражением коронарных артерий, а также у больных с повышенным ИМТ по сравнению с лицами с нормальной массой тела [24].

Висфатин — белок, состоящий из 491 аминокислотного остатка, кодирующийся геном NAMPT. Данный фактор экспрессируется, главным образом, в висцеральной ЖТ, и его секреция повышена при ожирении. Висфатин действует как аутокринный, паракринный и эндокринный медиатор, участвующий в регуляции ряда физиологических функций, таких как клеточная пролиферация, метаболизм глюкозы и липидов. По данным исследования, проведенного Elkabany ZA, et al., сывороточные уровни висфатина у больных с ожирением были выше, чем в контрольной группе, при этом наиболее высокие уровни были характерны для пациентов с неалкогольной жировой болезнью печени и дислипидемией [25]. Интересные результаты были получены Radzicka-Mularczyk S, et al., исследовавших сывороточные концентрации висфатина у беременных женщин с ожирением и гестационным СД. Согласно полученным данным, уровни висфатина были значительными у больных с гестационным СД с повышенным ИМТ, при этом уровни маркера коррелировали с концентрацией гликированного гемоглобина и снижались при терапии инсулином [26].

Хемерин — пептид, в зрелой форме состоящий из 137 аминокислотных остатков, кодирующийся геном RARRES2. Данное соединение является лигандом рецептора CMKLR1 (ChemR23). Хемерин активируется сериновыми протеазами из прохемерина, а его активная форма участвует в паракринной и аутокринной передаче сигналов для дифференцировки адипоцитов и модулирует экспрессию генов, отвечающих за гомеостаз глюкозы и липидов. В работе Rowicka G, et al. было показано, что уровни хемерина достоверно повышены в группе детей с ожирением в сравнении с контрольной группой, при этом уровни маркера коррелировали с концентрацией СРБ, что, по мнению авторов исследования, может свидетельствовать о связи ожирения с хроническим воспалением низкой интенсивности [27].

Липокалин-2 (NGAL — липокалин, ассоциированный с желатиназой нейтрофилов, — белок семейства липокалинов, который кодируется геном LCN2, состоящий из 178 аминокислотных остатков. На клеточном уровне липокалин-2 участвует в процессах апоптоза и обеспечивает врожденный иммунитет. Помимо нейтрофилов, липокалин-2 экспрессируется в адипоцитах, эндотелиальных клетках, макрофагах, гладкомышечных клетках и гепатоцитах [28]. В исследовании Шулькиной С. Г. и др. уровни липокалина-2 были ассоциированы с поражением канальца нефрона у больных неосложненной артериальной гипертензией I-II стадии с ожирением, таким образом, липкалин-2 проявил себя как потенциальный биомаркер почечного повреждения у пациентов с ожирением в молодом возрасте [29].

Таким образом, в мировой и отечественной литературе представлены отдельные свидетельства перспективности использования таких факторов как адипонектин, апелин, лептин, резистин, висфатин, хемерин, оментин-1 и липокалин-2 в качестве дополнительных биомаркеров у больных с ожирением в различных возрастно-половых группах, с теми или иными осложнениями, однако всеобъемлющего исследования "адипокинового профиля" по настоящее время не проводилось.

Биомаркеры воспаления

Биомаркеры воспаления отражают процессы развития системной воспалительной реакции низкой интенсивности, которые лежат в основе патогенеза развития ИР, а также ассоциированы с повышенными рисками кардиометаболических и гормональных осложнений. Помимо классических маркеров воспаления, таких как СРБ и интерлейкин (ИЛ)-6, в качестве ассоциированных с ожирением провоспалительных цитокинов были описаны ИЛ-12, ИЛ-23, фактор некроза опухолей альфа (ФНО-α), галектин-3, трансформирующий фактор роста и др. [30][31]. В настоящем обзоре представлены результаты последних исследований, посвященных анализу ряда циркулирующих биомаркеров воспалительных реакций, наиболее интересных с клинической и лабораторной точек зрения.

ИЛ — группа ассоциированных с иммунной системой цитокинов, синтезируемых главным образом лейкоцитами, а также клетками различных тканей. В настоящее время в человеческом организме описано >50 соединений, которые относят к этой группе. Из последних работ, посвященных данной группе биомаркеров, особый интерес представляют результаты рандомизированного исследования, проведенного Vandebergh M, et al., в котором определялась связь ИЛ-6 c ИМТ у больных с рассеянным склерозом. При этом, согласно полученным авторами результатам, при генетически обусловленных формах повышения ИМТ наблюдалась достоверная ассоциация с гиперэкспрессией ИЛ-6 и развитием рассеянного склероза [32]. Исследование концентраций ИЛ-6 в плазме крови проводилось Alissa EM, et al. у женщин с центральным ожирением и поликистозом яичников. Уровни ИЛ-6 и СРБ были значительно выше у женщин с ожирением, чем у женщин с нормальным весом как в группе поликистоза яичников, так и в группе контроля. Авторами предполагается, что поликистоз яичников, ассоциированный с центральным ожирением, усиливает влияние провоспалительных факторов [33]. В работе Pirowska M, et al. была показана связь гиперсекреции ИЛ-17 и ИЛ-23 с развитием псориатического артрита на фоне метаболического синдрома, а также ИЛ-17 с развитием СД и дислипидемией у больных с псориазом [34].

ФНО-α представляет собой растворимый белок, состоящий в зрелой форме из 157 аминокислотных остатков, кодирующийся геном TNF. ФНО-α относится к суперсемейству белков TNF (Tumor necrosis factor) и является ключевым цитокином, регулирующим иммунные клетки, оказывающим пирогенное, апоптотическое действие, подавляющим рост опухолей и репликацию вирусов. В исследовании, проведенном Alzamil H, et al., было показано, что сывороточные концентрации ФНО-α у пациентов с СД коррелируют с ИР и уровнем гликированного гемоглобина. Повышенные уровни фактора были связаны с коморбидным эффектом ожирения и СД, тогда как уровни лептина были связаны только с ожирением. Авторами исследования предполагается, что дальнейшее изучение данного фактора может расширить возможности мониторинга СД, особенно у пациентов с ожирением [35]. Противоречивые результаты были получены Lazar-Poloczek E, et al., в исследование которых были включены пациенты с дилатационной неишемической кардиомиопатией как с ожирением, так и с нормальным весом. Концентрации ФНО-α в сыворотке крови больных не зависели от наличия ожирения, однако уровни растворимого рецептора sTNFr1 (soluble Tumor Necrosis Factor receptor), напротив, были более высокими у пациентов с нормальным весом. Также уровни рецепторов sTNFr1 и sTNFr2 коррелировали с уровнем СРБ, но только в группе пациентов с нормальным весом, тогда как для уровней самого лиганда ФНО-α статистически значимых различий получено не было. В этом аспекте интересным является мнение авторов работы о перспективности исследования сывороточных уровней рецепторов sTNFr1 и sTNFr2 в качестве биомаркеров воспаления, ассоциированных с ожирением, у больных с дилатационной неишемической кардиомиопатией, а также в качестве предикторов эффективности лечения перед назначением анти-ФНО терапии [36].

Галектин-3 — белок, кодирующийся геном LGALS3, состоящий из 130 аминокислотных остатков, в структуре которого присутствует специфический элемент — домен, распознающий углеводы — CRD (carbohydrate recognizing domain). В человеческом организме галектин-3 участвует в различных биологических процессах, включая фиброгенез, пролиферацию фибробластов, регуляцию ремоделирования кардиоваскулярной системы. Галектин считается перспективным биомаркером, гиперсекреция которого ассоциирована с сердечной недостаточностью, а его значение в качестве биомаркера ожирения в настоящее время активно изучается [30]. В исследовании, проведенном Gopal DM, et al., анализировалась связь циркулирующих концентраций галектина-3 с развитием осложнений у асимптоматических пациентов молодого возраста с ожирением. Согласно полученным результатам, галектин-3 был ассоциирован с развитием метаболической болезни сердца и легочной гипертензии, тогда как традиционные факторы риска — N-концевой промозговой натрийуретический пептид (NT-proBNP) и фоллистатин-подобный белок 3 не проявили себя в исследуемой группе. Таким образом, галектин-3 показал себя как потенциальный биомаркер для преклинической идентификации сердечной недостаточности и легочной гипертензии у пациентов с ожирением, что позволит создавать целевые группы для превентивного вмешательства [37].

Таким образом, биомаркеры воспаления могут быть новыми потенциальными факторами в оценке риска развития метаболического синдрома, кардиоваскулярных, ревматологических и инфекционных осложнений ожирения и могут лечь в основу высокодоступных и неинвазивных лабораторных подходов в диагностике, мониторинге и прогнозировании ожирения и сопутствующих состояний.

Белки теплового шока

Белки теплового шока (Heat shock proteins, HSP) — перспективная группа биомаркеров, ассоциированных с состоянием сердечно-сосудистой системы. Синтез белков теплового шока происходит во всех клетках человеческого организма, содержащих ядро. В ответ на воспаление, интоксикацию или гипоксию экспрессия этих белков увеличивается. При этом имеются свидетельства о связи ряда белков теплового шока, таких как HSP27, HSP60 и HSP70, с ожирением. В настоящее время значение данных маркеров изучено недостаточно, однако накоплены свидетельства о связи данной группы соединений с различными кардиоваскулярными состояниями, при этом повышенные концентрации данных белков были ассоциированы с повышенным риском развития ишемической болезни сердца, фибрилляции предсердий, артериальной гипертензии, атеросклероза [38][39].

Sell H, et al. в своем исследовании демонстрируют связь HSP60 с динамикой ожирения на фоне бариатрического хирургического вмешательства. Уровни HSP60 были значительно повышены у больных с морбидным ожирением, уменьшаясь после снижения веса, достигнутого с помощью хирургического воздействия. Также концентрации анализируемого белка положительно коррелировали с уровнем триглицеридов, аполипопротеина В, гликированного гемоглобина и СРБ. Таким образом, HSP60 отражал динамику заболевания и проявлял связь с показателями липидного обмена и воспаления [40].

В исследовании Yıldırım O, et al. определялась роль белков теплового шока HSP60 и HSP70 в развитии воспаления и у пациентов с заболеванием почек, связанным с ожирением (ORKD, obesity-related kidney disease). Исследование показало значимое повышение уровня HSP60 в сыворотке крови по сравнению с контрольными группами лиц как с нормальным весом, так и с ожирением. Для HSP70 значимых различий получено не было, тогда как у HSP60 была выявлена связь не только с наличием ORKD, но и с экскрецией общего белка мочи. Авторами предполагается, что HSP60 играет роль в инициации и прогрессировании поражения почек, при этом данный белок запускает воспалительную реакцию у пациентов с ожирением [41].

Таким образом, белки теплового шока — актуальная цель для исследований в области клинической лабораторной диагностики ожирения, при этом наличие доступных иммуноферментных методов открывает хорошие перспективы как для фундаментальных исследований, так и потенциал для клинического внедрения в случае успешной валидации данных биомаркеров.

Другие потенциальные биомаркеры и лабораторные подходы в диагностике ожирения. Помимо описанных выше адипокинов, воспалительных цитокинов и белков теплового шока, при ожирении потенциальным значением может обладать ряд менее специфичных показателей и систем различных факторов, включая систему инсулиноподобных факторов роста, натрийуретические пептиды, ряд генетических маркеров, включая микро-РНК, анализ уровня нутриентов, а также исследование показателей окислительного стресса [2-4][31]. Данные направления лабораторной науки, безусловно, заслуживают определенного внимания, однако не так специфичны относительно проблемы биомаркеров ожирения. Формат публикации не позволяет в кратком обзоре рассмотреть все указанные методологические подходы и системы факторов, которые заслуживают отдельного углубленного анализа не только в аспекте лабораторной диагностики ожирения, но и в целом касаясь профилактики и ранней диагностики широкого спектра хронических заболеваний.

Заключение

Учитывая состояние лабораторной диагностики в настоящее время, можно заключить, что наиболее целесообразным и доступным методом, отражающим текущий биологический статус пациента на момент взятия материала, является количественный иммуноферментный анализ с его вариациями, с помощью которого возможно определение концентраций различных биологически активных соединений, включая адипокины, биомаркеры воспаления и белки теплового шока в биологических жидкостях. Такой подход открывает потенциальные возможности для создания комплексных панелей неинвазивных лабораторных тестов для больных с ожирением, позволяющих обойти ограничение и недостаточную диагностическую эффективность отдельных биомаркеров при изолированном использовании.

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.