Особенности костного ремоделирования у больных сахарным диабетом: фокус на витамин К2

ВИТАМИН K: ОТКРЫТИЕ, ИЗОФОРМЫ, ИСТОЧНИКИ

Открытие витамина K связывают с именем датского ученого Henrik Dam, изучавшего в 1929 г. биологические эффекты холестерина. Экспериментальным путем он подтвердил существование жирорастворимого нутриента, влияющего на процесс коагуляции. Впоследствии Henrik Dam смог идентифицировать это вещество как витамин K («koagulation» — дат.) [1]. А позже, в 30-е гг. прошлого столетия, Edward Doisy определил молекулярную структуру витамина K₁ — филохинона [1]. В дальнейшем был выделен другой витамер — менахинон, также известный как витамин K₂ [1][2]. Длительное время предполагалось, что биологические эффекты витаминов K₁ и K₂ идентичны и заключаются в прокоагулянтном действии [3]. Однако в течение последних 30 лет интерес научного сообщества все чаще вызывает проблема биологических эффектов витамеров K₁ и K₂, а также скрытого дефицита витамина K₂, который является в настоящее время широко распространенным состоянием [1][2][4–6].

Витамин K существует в человеческом организме в нескольких разновидностях, витамерах, и необходим организму для синтеза различных кальций-связывающих белков. Витамин K₁ — филохинон — близок к хлорофиллу и содержится в продуктах растительного происхождения: зеленые листовые овощи, капуста, шпинат, щавель. Филохинон поступает из двенадцатиперстной кишки в кровь, где находится в течение 2–3 ч [1][4][5]. Витамин K₂ — менахинон — содержится в ферментированных сырах, говяжьей печени, сливочном масле, а также синтезируется из метаболитов бактерий вида E. coli и Bacteroides fragilis, являющихся представителями нормофлоры тонкой кишки человека и многих животных [4][7]. Микробный синтез витамина K₂ стимулируется при недостатке филохинона в диете и способен его полностью компенсировать, однако недостаточность менахинона при сниженной активности микрофлоры плохо корригируется диетическими мероприятиями [1][2]. Следовательно, подавление микрофлоры тонкой кишки или ее избыточный рост приводит к количественному нарушению синтеза витамина K [1][3][5–7].

Таким образом, витамин K представляет собой группу органических соединений, объединенных на основании структурного принципа, но значительно отличающихся функционально [1][6].

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВИТАМИНА K

Витамин K представляет собой кофермент для витамин-K-зависимой гамма-глутаматкарбоксилазы, осуществляющей посттрансляционное карбоксилирование глутаминовой кислоты в полипептидных цепях ряда белков [8]. В карбоксилированной форме витамин-K-зависимые белки лучше секретируются клетками, накапливаются в тканях и выполняют свои биологические функции [9]. Основной точкой приложения витамина K в организме является система свертывания, где он выполняет роль ко-фактора и участвует в активации как факторов свертывания (протромбин (II), проконвертин (VII), антигемофильный глобулин B (IX), фактор Стюарта–Прауэра (X)), так и антипротеаз плазмы C и S [1]. С другой стороны, другим важным витамин-K-зависимым белком является остеокальцин (bone-Gla-protein, Osteocalcin, OC) [1][8–10], представляющий собой неколлагеновый белок экстрацеллюлярного матрикса костной ткани [8]. ОС синтезируется преимущественно остеобластами, составляет 25% всей неколлагеновой части органического матрикса кости или 2% массы костной ткани в целом [8][10]. Необходимое условие нормального функционирования ОС — карбоксилирование в 17, 21 и 24 положениях с помощью фермента гамма-глутамилкарбоксилазы, кофактором которого является витамин K [2][9]. Именно остатки гамма-карбоксиглутаминовой кислоты, появившиеся в структуре ОС в ходе реакции карбоксилирования, притягивают на себя 3 иона кальция и укладывают их в структуру гидроксиапатита, который является основной составляющей костной ткани и обеспечивает ее минеральную плотность [2][9]. Полностью карбоксилированный OC обладает наибольшим сродством к костной ткани и практически не выходит в системный кровоток, что способствует минерализации костей и адекватному формированию основного вещества костной ткани [8]. Важно отметить, что при недостатке витамина К образуются менее карбоксилированные формы OC: «не полностью карбоксилированный ОС» — карбоксилирование производится только в 17 и 24 положениях, реже — в 21 и 24 положениях; «недокарбоксилированный ОС» — карбоксилирование только по 17 положению [8]. При выраженном дефиците витамина K часть OC не карбоксилируется вовсе. Все вышеперечисленные менее карбоксилированные формы ОС обладают меньшим сродством к костной ткани, а также легко проникают в системный кровоток, где обладают собственной биологической активностью: влияют на развитие головного мозга, на фертильность у мужчин, а также участвуют в углеводном и энергетическом обмене [9]. Помимо формирования основного вещества костной ткани, витамин K участвует в регуляции популяции остеокластов, поддерживая их запрограммированную гибель, и тем самым предотвращает избыточную резорбцию костной ткани [2][6][8][9][10].

Другим значимым витамин K-зависимым белком является матриксный белок Gla (matrix Gla protein, MGP), который вырабатывается хондроцитами и клетками гладких мышц сосудов и предотвращает отложение кальция в сосудах [2, 8, 9]. Карбоксилированная форма данного белка играет ключевую роль в ингибировании роста кристаллов кальция в мягких тканях [2][8][9]. Предполагается, что супрессивное действие MGP происходит на уровне транскрипции генов прокальцификации, подавления остеохондрогенной дифференцировки сосудистых гладкомышечных клеток, а также осуществляется посредством прямого торможения роста кристаллов кальция [2].

Таким образом, витамин K посредством гамма-карбоксилирования MGP может выступать фактором ангиопротекции, что может служить гарантией защиты стенок сосудов от избыточной патологической минерализации. Кроме того, сам уровень MGP может служить биомаркером активного процесса сосудистой кальцификации [2][8][9]. Из этого следует, что биологические эффекты витамина K не ограничиваются влиянием на систему свертывания и противосвертывания, как это было принято ранее, а имеют куда более глобальное значение, включая минерализацию костной ткани посредством увеличения концентрации карбоксилированного ОС [2, 8–10].

ВЛИЯНИЕ ВИТАМИНА K₂ НА КОСТНУЮ ТКАНЬ

Долгое время в качестве витамина, оказывающего потенциально профилактическое влияние в отношении переломов, рассматривали витамин D. Несмотря на положительные эффекты витамина D на кость и мышечную ткань, рандомизированные клинические исследования не показали снижение риска падений и переломов на фоне приема больших доз витамина D [11]. Учитывая вышеперечисленные биологические эффекты витамина K, а именно его участие в карбоксилировании ОС и минерализации кости, в последние годы витамин K₂ стал рассматриваться в качестве дополнительного нутриента для снижения риска переломов и падений. На сегодняшний день опубликованы результаты небольшого количества экспериментальных и клинических исследований, демонстрирующих механизм и роль витамина K₂ в метаболизме костной ткани.

Так, в исследовании in vitro, проведенном под руководством S. Urayama, витамин K₂ стимулировал пролиферацию стволовых клеток костного мозга, дифференцировку остеобластов, защищал их от апоптоза и ингибировал дифференцировку адипоцитов [12]. Важно отметить, что такой эффект не был обнаружен при применении витамина K₁ [12]. Исследователями отмечено, что увеличение числа остеоцитов на фоне повышения популяции остеобластов при приеме витамина K₂ улучшает состояние лакунарной системы и снижает порозность кости, а также снижается экспрессия лиганда рецептора активатора нуклеарного фактора κB (RANKL) и активируется апоптоз остеокластов [13] как напрямую, так и косвенно, в том числе через увеличение секреции остеопротегерина (ОПГ) [14]. Таким образом, результаты данных исследований позволили сделать вывод об анаболическом эффекте витамина K₂ на костное ремоделирование. Дополнительно было показано, что при добавлении витамина K₂ происходит ингибирование сигнального пути NF-κB, что проявляется в снижении экспрессии мРНК интерлейкина-6 (ИЛ-6), фактора некроза опухоли-α (ФНО-α) и ИЛ-1β в липополисахарид-обработанных клетках мышей [15] и снижении ИЛ-6 в липополисахарид-обработанных человеческих THP-1 клетках и фибробластах [16], что указывает на противовоспалительные эффекты данного нутриента. Интересно отметить, что снижение ИЛ-6 наблюдается при использовании всех изоформ витамина K, однако наибольшая эффективность присуща K₃ [16]. Интересное исследование норвежских ученых показало положительный эффект добавления витамина K₂ в комбинации с витамином D на прочность трехмерной модели костной ткани, созданной из человеческих остеобластов [17]. Благоприятное влияние на активацию остеобластов и восстановление кости было отмечено и при исследовании комбинации K₂ с рекомбинантным человеческим паратиреоидным гормоном (ПТГ) [18][19].

Использование витамина K₂ с лечебной целью у животных с остеопорозом, индуцированным овариэктомией или орхидэктомией [20], приемом глюкокортикоидов [21], удалением седалищного нерва [22] или дефицитом в диете кальция и магния [23], было продемонстрировано в различных работах. Результаты этих исследований показали, что данная терапия ассоциирована со снижением костной резорбции и/или повышением активности остеобластов. Витамин K₂ предотвращал снижение минеральной плотности костной ткани (МПКТ) в бедренной кости, потерю трабекулярной и кортикальной костной ткани и резорбцию в поясничных позвонках. Добавление витамина D и кальция к витамину К₂ ингибировало остеокластогенез у крыс с овариэктомией [24]. Также применение комбинированной терапии витамина K₂ с витамином D [25] или бисфосфонатами [26] показало дополнительный протективный эффект в отношении остеопороза по сравнению с монотерапией витамином K₂. Тем не менее не все исследования показали позитивный эффект витамина K₂ на кость, в частности при остеопорозе, индуцированном овариэктомией [20][27].

Результаты же клинических исследований остаются весьма ограниченными. Так, исследование по оценке риска переломов в зависимости от потребления витамина K₂ с пищей, проведенное среди японских женщин в постменопаузе, показало, что его низкое содержание ассоциировано с повышенным риском переломов [28]. Большинство интервенционных исследований показало протективный эффект витамина К на состояние костной ткани и снижение риска переломов у здоровых женщин в постменопаузе и у женщин с постменопаузальным остеопорозом [29–32]. Метаанализ 13 исследований, в которых была использована изоформа витамина К в виде MK-4, показал протективный эффект как в виде повышения МПКТ, так и снижения риска переломов бедра, вертебральных и невертебральных переломов [33]. Необходимо отметить тот факт, что в ряде исследований использовались большие дозы витамина K₂ (45 мг в сутки), что и позволило авторам получить положительные результаты. Следует отметить, что хотя обычная суточная потребность витамина К составляет 250–300 мкг, использование дозы, превышающей норму, не приводит к появлению побочных эффектов на протяжении 2 лет [29]. Несмотря на вышеописанные данные, крупные нерандомизированные и рандомизированные плацебо-контролируемые исследования не доказали эффективность применения витамина K₂ в профилактике остеопоротических переломов [34–36]. Так, метаанализ рандомизированных контролируемых исследований с 6759 женщинами в постменопаузе без остеопороза не показал влияния витамина K₂ на костную ткань [37]. Важно отметить, что при оценке уровня изоформы витамина K₂ — менахинона-7 у женщин с остеопорозом с/без переломов не выявлено разницы в показателях по результатам исследования, проведенного Т. Horiuchi и соавт. [30]. Лимитирующим фактором таких исследований нередко являлось отсутствие возможности определения изоформы менахинона-4 в крови как формы, усваиваемой исключительно из пищи [38]. Таким образом, в настоящий момент не получено достаточно данных, подтверждающих преимущество приема витамина K₂ в монотерапии, так как небольшие исследования показывают позитивный эффект такой терапии, а крупные исследования демонстрируют отсутствие эффекта от данной терапии [34–37, 39]. Вместе с тем исследования, где использовалась комбинация витамина K₂ и витамина D, показали позитивное влияние такой терапии на показатели МПКТ поясничного отдела позвоночника при первичном и постменопаузальном остеопорозе у женщин [40], в том числе и в сравнении с монотерапией витамином К₂ [41]. Эта комбинация предотвращала потерю костной ткани у пациентов, получающих глюкокортикостероиды по поводу хронического гломерулонефрита [42]. Также в отношении сохранения МПКТ поясничного отдела позвоночника у женщин в постменопаузе эффективность показала и тройная комбинация витамина K₂ в дозе 100 мкг в день, кальция в дозе 800 мг в день и витамина D в дозе 10 мкг (400 МЕ) в день [43]. Однако в недавнем рандомизированном контролируемом исследовании популяции постменопаузальных китайских женщин средних лет и в пожилом возрасте дополнительное добавление к витамину K₂ в дозе 90 мкг в день препаратов кальция (500 мг в день) и витамина D (в дозе 400 МЕ в день) не показало улучшения эффекта в сравнении с монотерапией витамином K₂ [44]. Единичные исследования применения витамина K₂ с антирезорбтивными препаратами, в частности с бисфосфонатами, также продемонстрировали неоднозначные результаты: так, комбинация с алендронатом была ассоциирована с повышением МПКТ в бедренной кости у женщин с постменопаузальным остеопорозом [45], в то время как комбинированная терапия с ризедронатом не показала эффективности по сравнению с монотерапией ризедронатом [46].

Таким образом, целесообразность монотерапии или комбинированной терапии витамином K₂ в настоящий момент остается весьма дискутабельной и требует дальнейших исследований.

САХАРНЫЙ ДИАБЕТ И КОСТНАЯ ТКАНЬ

Известно, что сахарный диабет (СД) является независимым фактором риска остеопороза [47]: у таких больных он выше, чем у пациентов без СД, особенно при СД 1 типа, когда он в 3–6 раз выше, чем у лиц соответствующего возраста без диабета [48]. У пациентов с СД 1 типа обычно имеет место снижение МПКТ [49], в то время как при СД 2 типа МПКТ не снижена и даже повышена [50][51], однако имеет место низкое качество костной ткани [52][53]. Возможно, данное обстоятельство объясняет, почему риск остеопоротических переломов выше у больных СД 1 типа, чем у больных СД 2 типа. При СД отмечается снижение трабекулярного костного индекса (ТКИ) [54][55], последнее время широко применяющегося для прогнозирования переломов при СД [56][57]. ТКИ обратно пропорционален уровням гликированного гемоглобина (HbA_1c), глюкозы плазмы и инсулина натощак [58]. СД ассоциирован с такими состояниями, как диабетическая периферическая полинейропатия, ретинопатия, гипогликемические эпизоды, нарушение равновесия, заболевания сердца и нейромышечные нарушения, что увеличивает риск падений и, соответственно, переломов [53][55][59].

У больных СД отмечается нарушение ремоделирования кости и формируется хрупкая костная ткань [55]. Хроническая гипергликемия нарушает баланс между остеокластами и остеобластами, воздействуя на дифференцировку мезенхимальных прекурсоров, локальные ростовые факторы и нарушая ответ на механический стресс. Отмечаются микроархитектурные нарушения в кости, которые возникают за счет ограничения дифференцировки остеобластов и усиленного адипогенеза в костном мозге, в том числе из-за повышения активности PPRγ2, резистина и aP2 [60]. Дополнительно к этому имеются указания на изменение активности генов и синтеза транскрипционных факторов, отвечающих как за остеобластогенез (Runx2, Dlx5, Osx, ALP и других), так и за остеокластогенез (ОПГ и MMP9) [55] при высоком уровне глюкозы плазмы крови. Также у больных СД имеется снижение RANKL, взаимодействие которого со специфическим рецептором (RANK) и ОПГ связано с дифференцировкой и активацией остеокластов [58], и снижение уровня которого ассоциировано с нарушением костного ремоделирования в виде нарушения обновления костной ткани на фоне нарушения остеокластогенеза.

Дополнительно, к важным этиопатогенетическим компонентам формирования так называемой «диабетической кости» можно отнести и накопление конечных продуктов гликирования (КПГ), оказывающих негативное влияние на микроархитектуру кости и нарушающих клеточную биологию костной ткани [60]. КПГ влияют на микроархитектуру кости и нарушают клеточную биологию костной ткани. Аккумулирование КПГ и неферментативное гликозилирование напрямую воздействуют на экстрацеллюлярный костный матрикс за счет избыточного образования поперечных сшивок фибрилл коллагена I типа, повышая хрупкость кости и ухудшая ее биомеханические характеристики. Также КПГ индуцируют воспаление за счет связывания с рецепторами КПГ (РКПГ). Активация РКПГ инициирует каскад митоген-активируемой протеинкиназы, приводя к активации ядерного фактора κB (NF-κB) и продукции ФНО-α, ИЛ-1β, ИЛ-6 и активных форм кислорода [61]. Таким образом, происходят активация остеокластов, апоптоз остеобластов, ограничение пролиферации мезенхимальных стволовых клеток и нарушение их дифференцировки в остеобласты [62]. Дополнительно при СД нарушается и другой сигнальный путь — Wnt (от англ. wingless — бескрылый). Так, оказывая влияние на остеоциты, КПГ повышают уровень склеростина. Склеростин — белок, ингибирующий сигнальный путь Wnt/β-катенин и участвующий в пролиферации, дифференцировке мезенхимальных клеток и стимуляции апоптоза остеобластов [63]. Отмечают, что повышенный уровень склеростина зарегистрирован как у больных СД 1 типа, так и у больных СД 2 типа [64]. Более того, уровень склеростина у пациентов с СД 2 типа напрямую ассоциирован с повышением риска переломов [65]. Необходимо отметить и тот факт, что при СД 2 типа, несмотря на часто встречаемый дефицит витамина D, наблюдается более низкий уровень ПТГ, ОС, С-концевого телопептида коллагена 1 типа, N-телопептида коллагена 1 типа и N-терминального пропептида проколлагена 1 типа по сравнению лицами без СД 2 типа [66], что свидетельствует о снижении скорости метаболизма костной ткани, наблюдающемся у данной популяции [47].

Дополнительно результаты проведенного метаанализа, включившего данные 22 исследований, показали, что концентрация ОС значимо ниже у больных СД [67]. Так, уровни как карбоксилированного, так и некарбоксилированного OC у больных СД 2 типа негативно коррелировали с уровнем глюкозы крови натощак и степенью инсулинорезистентности [8]. Есть данные о липолитическом эффекте, усилении β-клеточной пролиферации, улучшении секреции инсулина, повышении чувствительности мышечной ткани к инсулину и увеличении ее массы при применении ОС [2, 8, 9]. Все эти результаты позволяют рассматривать ОС как потенциальную терапевтическую мишень у больных СД с целью уменьшения негативного влияния гипергликемии на костную ткань и профилактики переломов.

Анализируя влияние сахароснижающих препаратов на костную ткань, эксперты также приходят к мнению о наличии у ряда препаратов негативного влияния на увеличение риска как падений, так и остеопоротических переломов, что необходимо учитывать при выборе терапии у больных СД 2 типа. К таким препаратам сегодня можно отнести тиазолидиндионы (росиглитазон и пиоглитазон), на фоне терапии которыми при активации PPRγ-рецепторов наблюдается перераспределение дифференцировки мезенхимальных клеток в пользу адипогенеза [68], а также ингибиторы натрий-глюкозного ко-транспортера 2 типа, в частности канаглифлозин, применение которых ассоциировано с повышением фактора роста фибробластов 23, снижением МПКТ и повышением риска переломов [69]. Однако требуется проведение дальнейших длительных проспективных сравнительных исследований для уточнения характера влияния данных препаратов на костную ткань [68, 70, 71].

Таким образом, негативное влияние на костную ткань у больных СД обусловлено разными факторами, ассоциированными с данным заболеванием: хроническая гипергликемия, хронические осложнения СД, применение некоторых антигипергликемических лекарственных средств, способными как нарушать костное ремоделирование, так и напрямую негативно оказывать влияние на микроархитектуру кости и клеточную биологию костной ткани.

ВЛИЯНИЕ ВИТАМИНА K₂ НА КОСТНУЮ ТКАНЬ У БОЛЬНЫХ СД

Несмотря на то что применение витамина K₂ у больных СД имеет определенные преимущества [72] и потенциальное позитивное воздействие на костную ткань, исходя из патогенетических механизмов влияния хронической гипергликемии на состояние кости у таких пациентов [47], существует довольно ограниченное количество работ, посвященных данной проблеме. Результаты исследований in vivo показали, что витамин K₂ может улучшать качество кости при СД за счет повышения уровня карбоксилированного ОС [73]. Исследование на первичных остеобластах мышей с СД показало усиление анаболизма остеобластов при комбинированной терапии витамина К₂ с кальцитриолом — активной формой витамина D [74]. В исследовании на крысах со стрептозоцин-индуцированным СД 1 типа было показано, что применение витамина K₂ предотвращает остеопению в губчатых костях без значимого влияния на параметры костной резорбции, но незначимо повышает кортикальную костную массу [75]. Было предположено, что ухудшение состояния кости у животных с СД ассоциировано с дефектом карбоксилирования ОС с участием витамина К₂. Действительно, в кросс-секционном исследовании с 85 пожилыми женщинами с СД 2 типа было выявлено значимое повышение уровня некарбоксилированного OC у пациенток с остеопорозом по сравнению с пациентками без остеопороза. Корреляция между Z-критерием и логарифмическими уровнями некарбоксилированного/интактного OC при СД 2 типа показала негативный тренд (p=0,07), а у больных СД 2 типа с остеопорозом эта корреляция была значимой (r=-0,61; P<0,05). Также это соотношение показало негативную корреляцию с уровнем MK-7 (r=-0,50; P=0,001) [76]. Как следствие, было предположено, что снижение МПКТ в поясничном отделе позвоночника у больных с СД 2 типа было ассоциировано с дефектом γ-глутамилкарбоксилирования OC витамином К₂, что позволяет рассматривать назначение витамина K₂ такой когорте больных с целью предотвращения снижения МПКТ. В последние годы были выполнены интервенционные исследования с участием пациентов с СД 2 типа. Рандомизированное двойное слепое исследование с участием 40 пациентов в возрасте от 30 до 70 лет показало, что применение витамина K₂ в дозе 100 мкг в сутки в комбинации с витамином D в дозе 1000 МЕ в сутки снижает индекс некарбоксилированный/карбоксилированный ОС, при этом монотерапия витамином D снижала уровень некарбоксилированного ОС, в то время как витамин К₂ повышал уровень карбоксилированного ОС [77]. В свою очередь, ретроспективный анализ двойного слепого рандомизированного плацебо-контролируемого исследования показал, что ежедневный прием MK-7 в дозе 360 мкг в течение 6 мес не влияет на снижение МПКТ в поясничном отделе позвоночного столба [78].

Неоднородность полученных данных предполагает дальнейшее изучение применения витамина К₂ в популяции больных СД с точки зрения его влияния на состояние костной ткани и профилактику переломов. Помимо экспериментальных работ, необходимы дальнейшие клинические исследования для оценки эффективности витамина К₂.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время хорошо известен негативный эффект хронической гипергликемии на состояние костной ткани у больных СД. Имеющиеся на сегодняшний день данные углубляют знания исследователей и практикующих специалистов о механизмах такого воздействия. Это позволяет искать новые пути в профилактике костных нарушений у пациентов с СД. Витамин K₂ показывает неоднозначные результаты в ходе клинических исследований среди больных СД, остеопорозом или практически здорового населения. Таким образом, роль витамина К₂ в поддержании здоровья костной ткани и профилактике переломов, в частности у больных СД, требует уточнения и проведения дальнейших исследований. В настоящий момент нет убедительных данных, говорящих о благоприятном влиянии витамина К₂ на состояние кости у больных диабетом и необходимости его приема с профилактической или лечебной целью.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источники финансирования. Работа выполнена по инициативе авторов без привлечения финансирования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с содержанием настоящей статьи.

Участие авторов. Радугин Ф.М. — анализ данных, написание статьи; Каронова Т.Л. — анализ данных, написание статьи, внесение существенной правки с целью повышения научной ценности статьи. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.