Według Światowej Organizacji Zdrowia (World Health Organization – WHO) cukrzyca jest przewlekłą chorobą metaboliczną charakteryzującą się podwyższonym poziomem glukozy we krwi, która z czasem prowadzi do uszkodzenia serca, naczyń krwionośnych, oczu, nerek i nerwów. W ostatnich latach obserwowany jest znaczny wzrost zachorowań na cukrzycę typu 2 (ang. type 2 diabetes mellitus – T2DM). Prognozy Międzynarodowej Federacji Diabetologicznej (International Diabetes Federation – IDF) wskazują, że do 2045 roku 1 na 8 dorosłych, czyli około 783 mln osób, będzie chorować na cukrzycę. Według IDF 10,5% dorosłej populacji w wieku 20-79 lat choruje na cukrzycę, a około 50% nie ma świadomości, że żyje z tą chorobą (1). Dane te dotyczą cukrzycy ogółem, przy czym obecnie 90% przypadków stanowi T2DM.

Mikrobiota jelitowa jest uważana za złożony ekosystem środowiska przewodu pokarmowego, który składa się z bakterii, archeonów, grzybów, wirusów i pierwotniaków (2). Ludzki organizm jest zasiedlony przez około 100 bilionów bakterii, które kolonizują nie tylko jelita, ale również skórę, błony śluzowe narządów płciowych, jamę ustną oraz drogi oddechowe – zarówno górne, jak i dolne. Szczególnie ważną rolę, zwłaszcza z punktu widzenia medycyny, odgrywa mikrobiota jelitowa, która cechuje się największym zróżnicowaniem gatunkowym (3). Mikrobiota jelitowa wpływa na prawidłowe funkcjonowanie ludzkiego organizmu. Zmiany w składzie mikrobioty jelitowej przyczyniają się do patogenezy zaburzeń, takich jak: otyłość, cukrzyca i niewydolność serca, których częstość występowania na świecie wciąż rośnie (4). Stosunek liczebności bakterii Bacteroides do Firmicutes zmienia się w różnych etapach życia człowieka, wzrost liczby Firmicutes może powodować rozwój insulinooporności (ang. insulin resistance – IR) i otyłości (5). Poprzez fermentację błonnika bakterie jelitowe wytwarzają krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (ang. short-chain fatty acid – SCFA), m.in.: kwas octowy, propionowy, masłowy (6). Mikrobiota jelitowa została uznana za marker chorób metabolicznych, w tym T2DM.

Dysbioza, czyli zaburzenie równowagi mikrobiologicznej jelit, objawia się zmniejszoną różnorodnością bakterii oraz wzrostem liczby mikroorganizmów patogennych. Powiązana jest z rozwojem otyłości i dyslipidemii, indukuje przewlekły stan zapalny niskiego stopnia w jelicie prowadzący do wystąpienia IR i T2DM (6). Przyczyniają się do niej: długotrwała, niezrównoważona dieta, niedobór błonnika oraz spożywanie pokarmów bogatych w tłuszcze i węglowodany proste (7). Probiotyki, czyli żywe, niepatogenne szczepy bakterii o udokumentowanych korzyściach zdrowotnych, wspierają równowagę mikrobioty jelitowej, poprawiają trawienie, wzmacniają układ odpornościowy oraz są stosowane w profilaktyce i wspomagająco w leczeniu zaburzeń metabolicznych, infekcji jelitowych czy stanów zapalnych (8). Na funkcjonowanie i równowagę metaboliczną mikrobioty jelitowej duży wpływ ma stan błony śluzowej jelit. Śluz pokrywający jelita pełni funkcje ochronne, oddziela środowisko światła jelita, ksenobiotyki, od komórek nabłonkowych i odpornościowych gospodarza. Nadmierna degradacja mucyny, składowej śluzu produkowanego przez błonę śluzową jelit, zaburza integralność warstwy błony śluzowej i ułatwia dostęp bakterii i/lub antygenów do komórek nabłonka jelitowego i układu odpornościowego, czego następstwem może być powstanie lub zaostrzenie stanu zapalnego (9). Komórki nabłonka jelitowego wytwarzają białko chemoatraktacyjne (ang. chemoattractant protein) dla makrofagów, które poprzez sygnały przesyłane do komórek układu immunologicznego aktywują układ odpornościowy błony śluzowej jelit. Proces ten powoduje wzrost liczby immunoglobulin A+ w jelitach, oskrzelach i gruczołach sutkowych oraz aktywuje limfocyty T, które rozpoznają antygeny i kierują odpowiedzią immunologiczną poprzez aktywację mechanizmów obronnych organizmu (10, 11). Żywność funkcjonalna podawana jako prebiotyki i/lub probiotyki prowadzi do korzystnych zmian mikrobioty jelitowej w T2DM oraz kontroli glikemii (2, 12). Według Ghorbani i wsp. prebiotyki to niestrawne włókna, które są fermentowane przez mikrobiotę jelitową i korzystnie wpływają na rozwój niektórych bakterii (13). Prebiotyczne węglowodany składają się głównie z inuliny, fruktooligosacharydów oraz galaktooligosacharydów i są odporne na trawienie w jelicie cienkim. Ulegają fermentacji w jelicie grubym i wpływają na rozwój szczepów Bifidobacterium i Lactobacillus (14). Prebiotyki promują eubiozę, łagodzą patologiczne zmiany spowodowane dysbiozą, zwiększają liczebności szczepów Lactobacillus, Bifidobacterium, Faecalibacterium i Bacteroides (15). Wskazuje się na zastosowanie prebiotyków i probiotyków w celu kontroli glikemii u pacjentów ze zdiagnozowaną T2DM (16). Tao i wsp. przeprowadzili metaanalizę oceniającą wpływ suplementacji probiotykami na poziom hemoglobiny glikowanej (ang. glycated haemoglobin A1c – HbA1c), stężenie glukozy we krwi na czczo (ang. fasting blood glucose – FBG) i IR u pacjentów z T2DM. Wyniki wykazały, że probiotyki zawierające m.in. Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus bulgaricus, Lacticaseibacillus rhamnosus, Lactobacillus casei czy Bifidobacterium bifidum obniżały poziom HbA1c, FBG i IR w stosunku do wartości wyjściowych (13). Z kolei badanie przeprowadzone na myszach z T2DM przez Wu i wsp. wykazało, że bakterie L. rhamnosus LRa05 obniżają poziom FBG i IR poprzez regulację składu mikroflory jelitowej (17).

U pacjentów z T2DM zaobserwowano korzystny wpływ suplementacji probiotycznej bakteriami Clostridium coccoides, Clostridium leptum, Akkermansia muciniphila, Faecalibacterium prausnitzii czy Fusobacterium (2) na struktury jelitowe: komórki nabłonka jelitowego i komórki odpornościowe związane z blaszką właściwą, receptory Toll-podobne (ang. toll-like receptors – TLR), które indukują wytwarzanie cytokin i chemokin o aktywności prozapalnej (10).

Mikrobiota jelitowa zdrowych osób dorosłych składa się głównie z 6 typów bakterii: Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria i Verrucomicrobia. Obejmuje ona wiele gatunków (około od 500 do 1000), co sprawia, że mikrobiota każdego człowieka jest specyficzna i niepowtarzalna. Różnorodność i homeostaza flory jelitowej ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania zdrowia, a dysbioza może przyczyniać się do rozwoju chorób metabolicznych, takich jak otyłość lub cukrzyca. Wyniki badań dotyczących mikrobioty pacjentów z T2DM dowodzą, że do typów bakterii korzystnie wpływających na przebieg T2DM należą: Bacteroides, Bifidobacterium, Faecalibacterium, Akkermansia i Roseburia, natomiast bakterie należące do typu Fusobacteria, Ruminococcus i Blautia niekorzystnie wpływają na przebieg cukrzycy. Zależności te przedstawiono na rycinie 1 (4).

Przegląd badań wykazał, że skład i liczebność mikrobioty jelitowej u osób zdrowych znacznie różni się od składu i liczebności mikrobioty jelitowej pacjentów z T2DM. W warunkach fizjologicznych Firmicutes stanowią największą część mikrobioty jelitowej (64%), następnie Bacteroidetes (23%), Proteobacteria (8%) i Actinobacteria (3%) (17). Przeprowadzono badanie z udziałem 30 osób otyłych, w tym 7 cierpiących na T2DM, u których zaobserwowano zmniejszoną liczebność F. prausnitzii – bakterii należących do typu Firmicutes, które naturalnie występują w mikroflorze jelitowej (18). Badanie przeprowadzone przez Larsen i wsp. Potwierdziło zmniejszenie liczebności Firmicutes i Clostridia u pacjentów z T2DM (19). Badanie przeprowadzone w Chinach wykazało, że u pacjentów z T2DM występowały głównie bakterie Escherichia coli, niektóre gatunki Clostridium, Bacteroides caccae i Eggerthella lenta, podczas gdy liczba bakterii produkujących maślan, w tym Eubacterium rectale, Clostridiales sp. SS3/4, F. prausnitzii i Roseburia intestinalis była zmniejszona (20). W badaniu z udziałem europejskich pacjentek z T2DM wykazano zwiększenie liczebności Lactobacillus gasseri, Streptococcus mutans oraz niektórych gatunków Clostridiales i Lactobacillus, zaobserwowano spadek liczebności bakterii produkujących maślan, w tym Roseburia, Eubacterium eligens, Bacteroides intestinalis i niektórych gatunków Clostridium (21).

Badania z udziałem pacjentów ze zdiagnozowaną T2DM wykazały, że liczba bakterii produkujących kwas masłowy u pacjentów z T2DM jest znacznie obniżona w porównaniu z osobami zdrowymi (20). W badaniach na zwierzętach uzyskano podobne wyniki – liczebność bakterii wytwarzających SCFA w modelu T2DM jest znacznie obniżona w porównaniu z grupą kontrolną (22).

Poprzez fermentację błonnika bakterie jelitowe wytwarzają SCFA (m.in. maślan) oraz metabolity, które wpływają na wrażliwość na insulinę. Udowodniono, że spadek stężenia maślanu jest dodatnio skorelowany z cukrzycą, dlatego wzrost liczebności bakterii produkujących maślan lub poprawa zdolności jego syntezy może być skuteczną metodą zapobiegania rozwoju i wspomagania terapii cukrzycy (23). Wykazano, że bakterie produkujące SCFA (głównie Lactobacillus i Bifidobacterium) mogą promować wydzielanie GLP-1 (ang. glucagon-like peptide-1) poprzez regulację aktywności białka GPR43/41 (ang. protein-coupled receptor 43/41) w jelicie, a następnie wydzielanie insuliny indukowane przez GLP-1, co reguluje i kontroluje metabolizm glukozy we krwi (24). Prebiotyki stymulują wytwarzanie maślanu i propionianu, zwiększają uwalnianie hormonów jelitowych (są to tzw. hormony inkretynowe, odpowiedzialne za poposiłkowe wydzielanie insuliny): GLP-1, GIP (ang. glucose-dependent insulinotropic peptide) (25), obniżają uczucie głodu, poprawiają tolerancję glukozy, przyczyniają się do zmniejszenia przyrostu masy ciała (26). Stosowanie probiotyków wpływa na poprawę parametrów glukozy, zwiększa wrażliwość na insulinę i obniżenie poziomu lipidów we krwi (cholesterolu i trójglicerydów), co opóźnia rozwój powikłań T2DM. Efekt wspomagający terapię spowodowany jest zwiększonym stężeniem SCFA, ekspresją klaudyny-1 i mucyny-2, poprawą funkcji bariery jelitowej, zmniejszeniem liczebności bakterii E. coli i lipopolisacharydu (LPS) (6). Zależności te przedstawiono na rycinie 2.

Badania na zwierzętach potwierdzają, że rodzaj i zróżnicowanie bakterii jelitowych ma wpływ na rozwój cukrzycy. Modyfikacja wytwarzanych bioaktywnych metabolitów, z których najważniejsze to SCFA (octowy, propionowy i masłowy), łagodzą rozwój choroby. Eksperyment na myszach z T2DM poddanych przeszczepowi mikrobioty kałowej (ang. fecal microbiota transplant – FMT) od zdrowych osobników wykazał normalizację poziomu glukozy i insuliny, poprawę funkcji bariery jelitowej, redukcję stanu zapalnego i regulację liczby komórek odpornościowych. Obserwowana poprawa była związana ze zmianami w składzie mikrobioty jelitowej (27). Wyniki innych badań potwierdziły skuteczność metody FMT, wykazały dodatkowo zmniejszenie IR, zwiększenie liczby i hamowanie apoptozy komórek – wysp trzustkowych (28).

Warstwy: śluzowa, naczyniowa i nabłonkowa jelit tworzą barierę oddzielającą jelita od światła przewodu pokarmowego. Śluz jelitowy wytwarzany przez komórki kubkowe stanowi główny element bariery jelitowej i jest niezbędny do obrony ściany jelita przed infekcjami. W jelicie grubym śluz tworzy dwie warstwy – zewnętrzną i wewnętrzną, gdzie osiedlają się bakterie jelitowe (29). Warstwy te zawierają peptydy przeciwdrobnoustrojowe (ang. anti-microbial peptides – AMP), wydzielają IgA, zapewniają dodatkową ochronę przed szkodliwymi mikroorganizmami. Komórki odpornościowe, w tym makrofagi, komórki dendrytyczne i limfocyty obecne w nabłonku jelita, uwalniają AMP, z kolei IgA i cytokiny aktywnie uczestniczą w utrzymywaniu homeostazy immunologicznej jelit. Komórki nabłonka jelit uszczelnione są przez kompleksy połączeń: przylegające, szczelinowe i ścisłe, które dodatkowo umożliwiają komórkom nabłonkowym selektywne wchłanianie związków chemicznych (30, 31).

W eksperymencie z udziałem ludzi dowiedziono, że białko błony zewnętrznej bakterii probiotycznej A. muciniphila (Amuc_1100) zwiększało ekspresję okludyny i białka ścisłego połączenia 1 (ang. tight junction protein-1 – Tjp-1), poprawiało integralność nabłonka jelit, wykazywało hamujący wpływ na receptory kannabinoidowe typu 1 (ang. cannabinoid receptor type 1 – CB1) obecne w jelitach oraz zmniejszało przepuszczalność jelit i ograniczało przenikanie LPS do organizmu (32).

Chelakkot i wsp. w badaniu z udziałem myszy z cukrzycą indukowaną dietą wysokotłuszczową (ang. high-fat diet – HFD) i myszy zdrowych ocenili rolę pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z A. muciniphila (ang. A. muciniphila-derived extracellular vesicles – AmEV) w regulacji przepuszczalności jelit. Autorzy stwierdzili, że w próbkach kału zdrowych myszy występowała większa liczba AmEV w porównaniu z osobnikami z cukrzycą. Podawanie AmEV poprawiało tolerancję glukozy, funkcję połączeń ścisłych między komórkami jelit, zmniejszało przyrost masy ciała. Wykazano, że AmEV wykazuje aktywność funkcjonalną cząsteczki kontrolującej przepuszczalność jelit oraz udowodniono korzystny wpływ integralności bariery jelitowej na funkcje metaboliczne. Metabolity wytwarzane przez bakterie jelitowe stanowią cel w leczeniu T2DM, a liczne doniesienia naukowe przeprowadzone na modelach zwierzęcych podkreślają ich zalety terapeutyczne (33).

Skład i aktywność drobnoustrojów jelitowych, a także wytwarzane przez nie metabolity (tj. SCFA, LPS, N-tlenek trimetyloaminy) oraz oddziaływania z kwasami żółciowymi mogą znacząco wpływać na rozwój cukrzycy. Powstające SCFA oraz produkty metabolizmu kwasów żółciowych stymulują wydzielanie glukagonopodobnego peptydu 1 (ang. glucagon-like peptide-1 – GLP-1) i insuliny oraz hamują glukoneogenezę (34), poprawiają glikemię i łagodzą rozwój T2DM. Rola SCFA w łagodzeniu objawów T2DM polega na stymulacji wydzielania GLP-1 przez komórki enteroendokrynne. GLP-1 zwiększa wydzielanie insuliny przez komórki β trzustki, chroni je przed apoptozą i wzmaga ich proliferację. Ponadto, SCFA zwiększają ekspresję białek transportujących glukozę do mięśni, co obniża jej poziom we krwi. Zwiększone stężenie aminokwasów rozgałęzionych (ang. branched-chain amino acid – BCAA) zaburza równowagę metaboliczną i jelitową gospodarza. Trimetyloamina, produkt metabolizmu bakterii, przekształcana jest przez enzymy wątrobowe do N-tlenku trimetyloaminy, którego podwyższone poziomy są związane z powstawaniem stanu zapalnego, IR oraz stresem oksydacyjnym. LPS, składnik strukturalny ściany komórkowej bakterii Gram-ujemnych, ma charakter endotoksyny i wykazuje silne powinowactwo do receptorów immunologicznych, m.in. TLR (30). Przyłączanie LPS do TLR na komórkach odpornościowych prowadzi do polaryzacji makrofagów w kierunku fenotypu M1 i wzrostu syntezy cytokin prozapalnych. Wykazano również, że LPS powoduje rozszczelnienie nabłonka jelitowego, upośledzenie tolerancji glukozy i nasilenie IR (35, 36).

W badaniu mikrobioty jelitowej pacjentów z T2DM stwierdzono, że liczebność bakterii klasy Clostridia i typu Firmicutes była znacznie obniżona, podczas gdy liczebność bakterii klasy Betaproteobacteria była wyższa. Ustalono, że stosunek liczebności bakterii typu Bacteroidetes do Firmicutes i stosunek liczby bakterii z rodzajów Bacteroides i Prevotella do C. coccoides i E. rectale korelował ze wzrostem stężenia glukozy w osoczu, co sugeruje, że na przebieg T2DM ma wpływ skład mikrobioty jelitowej (19).