Метформин — активатор АМФ-зависимой протеинкиназы. Известные и новые механизмы действия

Метформин, представитель класса бигуанидов, остается препаратом первой линии терапии сахарного диабета 2 типа (СД2) на протяжении многих лет. К известным механизмам антигипергликемического действия метформина относятся: ингибирование печеночного глюконеогенеза и гликогенолиза, усиление синтеза гликогена путем активации гликогенсинтазы, уменьшение инсулинорезистентности периферических тканей посредством нормализации активности тирозинкиназы инсулинового рецептора и стимуляции захвата глюкозы мембранными белками-переносчиками (GLUT-4, GLUT-1) в клетках инсулинзависимых тканей. Наряду с этим, метформин оказывает положительное воздействие на обмен липидов, снижая уровень общего холестерина, липопротеидов низкой плотности и триглицеридов [1]. Исследования D.K. Nagi и соавт. показали, что лечение метформином ассоциировано с улучшением фибринолитических свойств крови за счет подавления активности ингибитора активатора тканевого плазминогена (PAI-1) [2]. Вышеперечисленные эффекты метформина общеизвестны и приведены в официальной инструкции к препарату, однако современная научная литература описывает широкий спектр других патологических состояний, при которых метформин оказывает благоприятное влияние. В частности, установлено антионкогенное действие [3]; увеличивается доказательная база в пользу противовирусного и антивозрастного эффектов [4][5]. Продемонстрировано снижение риска остеопоротических переломов и улучшение функции миокарда у пациентов с СД2, получающих метформин [6][7]. Опубликован ряд научных работ об успешном использовании метформина в качестве адъювантной терапии при метаболическом синдроме, туберкулезе, синдроме поликистозных яичников и поликистозной болезни почек [8–10]. Такое множество и богатое разнообразие эффектов побуждают задаться вопросом: какой же непосредственный механизм действия лежит в основе вышеуказанных клинических достижений? Отражает ли хрестоматийное понятие «бигуанид» реальную фармакодинамику препарата, наподобие таких дефиниций противодиабетических классов, как ингибиторы натрий-глюкозного котранспортера 2-го типа (иНГЛТ-2) или агонисты рецепторов глюкагоноподобного пептида-1 (арГПП-1)? В результате ряда доклинических исследований были выявлены более тонкие молекулярные пути реализации плейотропных эффектов метформина. «Дирижером», который направляет, регулирует эти внутриклеточные процессы, является АМФ-зависимая протеинкиназа (АМФК). Стоит отметить, что некоторые зарубежные авторы при описании метформина начинают использовать термины: «агонист АМФК», «активатор АМФК» [11][12], которые, на наш взгляд, крайне точно и емко отражают актуальный на сегодня механизм действия препарата в отношении практически всех положительных эффектов. В рамках данной статьи остановимся на трех из них.

АНТИОНКОГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕТФОРМИНА

На протяжении десятилетий связь СД2 и рака остается предметом многочисленных дискуссий и научных исследований. Первые доказательства этой связи были опубликованы в 1960-х годах на основании популяционных исследований [13]. К настоящему времени установлено, что СД2 ассоциирован с более высоким риском развития рака печени, поджелудочной железы, эндометрия, толстой и прямой кишки, молочной железы и мочевого пузыря [14]. Поэтому краеугольным камнем стоит вопрос своевременной и эффективной профилактики злокачественных новообразований в данной популяции. Особый интерес представляет метформин, показавший в ряде исследований влияние на онкогенез (табл. 1).

Приведенный выше перечень исследований не является исчерпывающим. Научная база регулярно пополняется новыми публикациями, в связи с чем важно упомянуть и об отечественных ученых, вносящих немалый вклад в изучение противоопухолевых эффектов метформина. Так, многолетние научные труды Л.М. Берштейна и соавт. в области клинической онкологии посвящены исследованию точек приложения метформина как противоопухолевого агента (в особенности механизму активации АМФК), феномену приобретенной резистентности к метформину при некоторых видах рака, а также генетическим полиморфизмам, связанным с положительным ответом на метформин [21][22].

Лежащие в основе патогенеза СД2 инсулинорезистентность и гиперинсулинемия играют ключевую роль в канцерогенезе, поскольку инсулин, являющийся анаболическим гормоном, способен напрямую воздействовать на эпителиальные ткани, стимулируя рост и пролиферацию клеток [23], а также опосредованно влиять на уровни других потенциально онкогенных модуляторов, таких как инсулиноподобный фактор роста-1 (ИФР-1), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и другие факторы роста, половые гормоны, провоспалительные цитокины [23][24]. Поэтому неудивительно, что у препарата, снижающего инсулинорезистентность и гиперинсулинемию, — метформина — выявлено антионкогенное действие. Ряд исследователей, например A.M. Gonzalez-Angulo и M. Cejuela, предлагают классифицировать данный противоопухолевый механизм как непрямой, или инсулинзависимый [23][25]. Вместе с тем принципиальная роль отводится прямому, или инсулиннезависимому, механизму действия. Основные звенья канцерогенеза и мишени метформина (как препарата-антионкогена) суммированы на рис. 1.

Итак, непрямое действие метформина заключается в снижении концентрации инсулина в крови и впоследствии уровня ИФР-1, регулирующего рост и дифференцировку клеток, апоптоз и злокачественную трансформацию. Поскольку экспрессируются рецепторы к инсулину и ИФР-1 во многих тканях, метформин опосредует снижение влияния данных агентов на пролиферативный статус и жизненный цикл практически каждой клетки организма [23]. Снижение взаимодействия инсулина и ИФР-1 со своими рецепторами на поверхности клеток ограничивает активацию важнейших внутриклеточных сигнальных путей: PI3K/AKT/mTOR и RAS/RAF/MAPK. Именно эти пути считаются ответственными за инициацию и прогрессирование опухолевого процесса [26]. Молекулярные механизмы антионкогенного действия метформина, описанные в настоящем разделе, схематично представлены на рис. 2.

В основе прямого действия метформина лежит стимуляция главного «энергетического датчика» клетки — АМФК [27]. Последующий запуск АМФК-зависимых внутриклеточных путей вызывает мощное подавление мишени рапамицина млекопитающих (mTOR) [28]. Поскольку комплекс mTOR является главным регулятором транскрипции генов и синтеза белка, а соответственно, отвечает за инициацию роста, пролиферацию и дифференцировку клеток, активация АМФК приводит к угнетению опухолевого процесса [26][28]. Кроме того, работа киназы стабилизирует активность транскрипционного фактора p53 — одного из опухолевых супрессоров [29], а также подавляет экспрессию протоонкогена cMyc [30], что также замедляет онкогенез. Примечательно, что для клеток злокачественных новообразований характерно выраженное снижение АМФК–активности [30]. Другой не менее важный антионкогенный путь заключается в ингибировании метформином комплекса I дыхательной цепи переноса электронов в митохондриях [31]. Это приводит к дефициту энергетических запасов в клетке и запускает митохондриальный оксидативный стресс, в ходе которого активные формы кислорода (АФК) повреждают ДНК опухолевой клетки [27]. Особое внимание исследователи уделяют влиянию АМФК на опухолевый метаболизм, в частности на присущий многим раковым клеткам «эффект Варбурга» [32]. Суть данного эффекта заключается в том, что даже в аэробных условиях опухолевая клетка активно использует гликолиз для энергообеспечения. Характерная для рака инактивация АМФК способствует растормаживанию индуцируемого гипоксией фактора-1α (HIF-1α) и метаболическому сдвигу в сторону «эффекта Варбурга» [30][32]. Высокоскоростной гликолиз стимулирует рост опухоли в связи с повышенным образованием предшественников липидов, аминокислот и нуклеотидов, а образующийся в большом количестве лактат приводит к закислению внеклеточной среды, создавая благоприятные условия для опухолевой инвазии, метастазирования, уклонения раковых клеток от надзора иммунной системы [30]. Активация АМФК, в свою очередь, вынуждает клетку к переходу от быстрого «гликолитического» образования АТФ к более медленному окислительному фосфорилированию, используемому здоровыми клетками в состоянии покоя (G₀-фаза клеточного цикла), что губительно для опухолевого генеза [30][33]. Несмотря на богатую научную базу, интерес ученых к изучению молекулярных механизмов действия метформина только растет. В частности, недавно проведенные исследования раскрывают совершенно новые звенья противоопухолевого действия метформина. Например, установлено, что метформин активирует путь АМФК/SIRT1 (сиртуин 1)/NF-κB (ядерный фактор «каппа-би»), приводящий к запуску работы caspase-3 (каспазы-3) и расщеплению белка GSDME (газдермина Е). Конечный метаболит газдермина Е образует многочисленные поры в плазматической мембране раковой клетки, что обусловливает ее гибель посредством пироптоза [34]. Авторы сообщают, что в будущем данное открытие может привести к использованию метформина в терапии GSDME-экспрессирующих опухолей различной локализации.

Таким образом, прямые и непрямые механизмы антипролиферативной, антиангиогенной и, как следствие, антиканцерогенной активности метформина в первую очередь обусловлены активацией АМФК. К настоящему моменту собрана обширная научная база в поддержку использования метформина в качестве «активатора АМФК», как одного из составляющих многокомпонентной терапии рака. Дальнейшее изучение механизмов действия препарата представляется крайне перспективным в отношении разработки новых подходов к профилактике и лечению онкологических заболеваний.

ПРОТИВОВИРУСНОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕТФОРМИНА

Известно, что предшественник метформина, прогуанил, в 1948 г. был одобрен FDA как препарат для лечения малярии. В поисках других противомалярийных препаратов прогуанил был модифицирован до метформина [35]. С 1950-х годов по 2019 г. имеются данные единичных исследований, в которых изучалась возможность применения метформина при лечении ряда других инфекционных заболеваний, в частности вирусного гриппа [36], вирусного гепатита В и С [37–40], ВИЧ [41], Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa [42]. В декабре 2019 г. появились данные о новом опасном вирусном заболевании — COVID-19, которое впоследствии распространилось по всему миру и привело к объявлению пандемии в марте 2020 г. На сегодняшний день известно, что факторами риска летального исхода от COVID-19 являются возраст, пол и наличие сопутствующих заболеваний, наиболее значимыми из которых являются артериальная гипертензия, СД2 и сердечно-сосудистые заболевания [43]. Вышеуказанное привело к анализу безопасности и эффективности исходной терапии сопутствующих заболеваний, в том числе сахароснижающих препаратов. Результаты ряда исследований выявили статистически достоверный положительный эффект метформина на тяжесть течения и летальность от COVID-19 [44]. Так, например, в августе 2021 г. были опубликованы данные крупного метаанализа, проведенного Han T., Ma S., Sun C. и соавт., в который включили 66 914 участников с положительным результатом теста на наличие SARS-CoV-2, где у пациентов с СД2 предшествующее применение метформина снизило риск смертности на 38% (объединенное ОШ=0,62; 95% ДИ 0,50–0,76, р=0,000, I ²= 77,6%) в сравнении с другими сахароснижающими препаратами [45]. Ранее в июле 2021 г. медицинскому сообществу представили ретроспективное исследование C.T. Bramante и соавт. с участием 9555 человек с инфекцией COVID-19 и избыточной массой тела или ожирением (ИМТ>25 кг/м²) со следующими результатами: в группе, принимавшей метформин, выявили значимое снижение смертности от COVID-19 (ОР=0,32; ДИ 0,15–0,66, p=0,002) и снижение числа госпитализаций по поводу COVID-19 (ОР=0,78; 95% ДИ 0,58–1,04; p=0,087) [46]. Также C.T. Bramante и соавт. было проведено рандомизированное клиническое исследование (РКИ), в котором оценивалось влияние метформина, ивермектина и флувоксамина на частоту госпитализаций и смертность у пациентов с COVID-19 (включено 1323 пациента): получено значительное преимущество только у метформина (ОШ для метформина 0,58; 95% ДИ 0,35–0,94]) [47]. В 2020 г. в России М.В. Шестаковой и соавт. выполнен ретроспективный анализ, включивший пациентов с СД2 и перенесенными пневмонией/COVID-19, который доказал снижение летальности у пациентов, принимавших метформин (OR=0,26; 95% ДИ 0,14−0,5; p<0,0001) [48]. Годом позже Т.Н. Марковой и А.А. Пономаревой представлены данные ретроспективного анализа влияния применяемых до госпитализации по поводу COVID-19 сахароснижающих препаратов: метформин снижал риск летального исхода в 3,6 раз, в то время как использование других групп сахароснижающих препаратов не выявило статистически значимых результатов [49].

Вышеуказанные результаты подтверждаются в ряде других исследований (C. Kan, A. Lukito, C. Kow), где метформин также снижал риск летального исхода у госпитализированных больных с COVID-19 [50–52]. Y. Li со своей командой провели метаанализ 28 исследований, оценивающих связь между использованием метформина и исходами у пациентов с COVID-19, в том числе в домах престарелых. Метформин показал уменьшение риска смертности на 34% и госпитализации на 27% [53]. W. Yang и соавт. в метаанализе 17 исследований выявили, что прием метформина ассоциирован со снижением смертности (OР=0,64; 95% ДИ=0,51–0,79) и тяжести течения COVID-19 (OР=0,81; 95% ДИ 0,66–0,99) [54].

В соответствии с вышеизложенным, к 2023 г. накоплено большое количество научных данных в пользу эффективности метформина против SARS-COV-2 и других инфекционных агентов. Для понимания противовирусного эффекта метформина рассмотрим механизм проникновения и размножения вируса в клетках хозяина. SARS-COV-2 связывается с помощью белка шипа [S] с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (AПФ2) клеток человека, в результате чего происходит рецептор-зависимый эндоцитоз. Процесс репликации вируса напрямую зависит от вновь синтезированных фосфолипидов и реконструированных мембранных везикул клеток хозяина. Для этого SARS-CoV-2 повышает сигнальную активность PI3K/AKT/mTOR/S6K, что увеличивает выработку липидных анаболических ферментов: синтазу жирных кислот и ацетил-КоА-карбоксилазу. Впоследствии повышается синтез пальмитата, который используется для пальмитоилирования белков и дальнейшего превращения в более сложные липиды, использующиеся для построения вирусных оболочек и органелл репликации; собранные вирионы высвобождаются путем экзоцитоза. Связывание SARS-CoV-2 с АПФ2 и снижение его доступности для лиганда создает дисбаланс в ренин-ангиотензин-альдостероновой системе (РААС), приводя к гиперактивации оси AngII/AT1R и запуску воспалительного процесса, опосредованного активацией NF-κB. В результате увеличивается синтез и секреция провоспалительных цитокинов: фактора некроза опухоли-альфа (TNFα), интерлейкина-6 (IL-6), интерлейкина-1 (IL-1), интерлейкина-1 бета (IL-1β) [4][55].

Ключевая роль в противовирусном действии метформина отводится активации АМФК. Конформационные изменения мембранного белка АПФ2 в связи с фосфорилированием по Ser 680 приводят к ингибированию прикрепления вируса к плазматической мембране клеток. Другим немаловажным эффектом является выключение внутриклеточного мультимолекулярного сигнального комплекса — мишени рапамицинового комплекса 1 (mTORC1), что приводит к остановке процесса клеточной трансляции. Также АМФК фосфорилирует фермент, снижающий активность ацетил-КоА-карбоксилазы, что приводит к подавлению синтеза пальмитата и последующему замедлению сборки вириона. Дополнительный противовирусный механизм метформина заключается в воздействии на вакуолярную АТФазу и Na⁺/H⁺-обменники эндосом клеток, что увеличивает клеточный и эндосомальный pH и подавляет созревание вириона.

Изучается роль метформина в лечении других инфекционных заболеваний. Доказано, что данный препарат играет роль адъюванта при элиминации HBV: прием в комбинации с интерфероном-α2b или ламивудином усиливает противовирусное действие последних. Важно отметить, что этот эффект также обусловлен запуском АМФК, который приводит к снижению экспрессии маркеров активации клеток иммунной системы (CD69, CD71, CD80, CD86) и активации В-клеток, уменьшению экспрессии поверхностного антигена HBV и репликации HBV in vitro [37][40].

Кроме того, метформин оказывает положительное влияние у пациентов с инсулинорезистентностью, которые получают специфическую терапию по поводу вирусного гепатита С. Известно, что резистентность к инсулину является независимым фактором, обусловливающим неполный ответ на лечение пегинтерфероном в сочетании с рибавирином, что снижает чувствительность к интерферону, индуцирует секрецию провоспалительных цитокинов и способствует прогрессированию стеатоза и фиброза печени, что еще больше снижает доступность препаратов против вируса гепатита С (HCV). В одном из РКИ (TRIC-1) изучалась роль метформина как адъювантного агента при лечении гепатита C в дополнение к стандартной терапии. Так, доказано, что у женщин, инфицированных HCV (генотип 1) и имеющих индекс инсулинорезистентности (HOMA-IR) >2, которые получали метформин, наблюдалось большее снижение вирусной нагрузки в течение первых 12 недель терапии и устойчивый противовирусный ответ по сравнению с женщинами, получавшими плацебо [38][39][59].

В дополнение к вышесказанному стоит отметить, что метформин показал противомикробное действие в отношении Trypanosomasis cruzi [60]. In vitro препарат проявляет активность против Trichinella spiralis, Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa [42], вирусов Денге и Зика [56].

Таким образом, на сегодня не вызывает сомнения, что метформин обладает как противовирусным, так и иммуномодулирующим эффектом, что приводит к более легкому течению вирусных заболеваний и лучшему ответу на специфическую терапию.

АНТИВОЗРАСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕТФОРМИНА

За последние 70 лет практически во всех странах увеличивается продолжительность жизни населения. По данным ВОЗ ожидается, что к 2050 году число лиц старше 60 лет удвоится, старше 80 лет — утроится [61]. В связи с чем увеличивается интерес к препаратам, обладающим геропротективными свойствами. В настоящее время существует значительное количество исследований по антивозрастному действию метформина, которые проводились в основном на различных видах животных: нематодах (C. elegans), насекомых (Drosophila melanogaster) и грызунах. Результаты данных исследований противоречивы, зависели от доз метформина, а также от вида и возраста животного, на котором проводилось исследование. Например, при изучении anti-age эффекта у нематод вида C. Elegans выявили, что метформин увеличивал продолжительность жизни посредством изменения метаболизма фолата и метионина, что биохимически имитирует ограничение калорий. Однако при отсутствии микробиоты метформин оказывал токсическое действие [62].

Известно, что одним из факторов старения клеток является повышение АФК в тканях, что снижает продолжительность жизни организма [63]. Механизм недостаточно изучен, но предполагается, что под действием метформина увеличивается количество фермента пероксиредоксина-2 (PRDX-2) что приводит к активации фактора транскрипции антиоксиданта (SKN-1), как продемонстрировано на рис. 4. Кроме того, в результате повышения уровня SIRT-3 (митохондриальной деацетилазы) происходит снижение АФК, в результате чего отмечается увеличение продолжительности жизни [64]. Исследования по антивозрастному эффекту проводились также на Drosophila melanogaster, у которых метформин приводил к активации АМФК, но продолжительность жизни ни самцов, ни самок не увеличивалась. Более того, метформин в высоких дозах оказался токсичным для данного вида животных [65]. Противоречивыми оказались результаты работы А. Martin-Montalvo и соавт., проводимой на грызунах. Самцам мышей средних лет добавляли в пищу 0,1% метформин, рассчитывая дозу по массе тела, что приводило к увеличению продолжительности жизни на 5,83% по сравнению с контрольной группой, но при увеличении дозы метформина до 1% наблюдалось токсическое действие и даже снижение продолжительности жизни на 14,4% [66].

Как отмечалось ранее, влияние метформина опосредовано через mTOR, что в случае anti-age эффекта приводит к подавлению фосфорилирования рибосомного белка S6 (rsP6), киназы S6 (S6K) и эукариотического фактора инициации трансляции 4E-связывающего белка 1 (eIF4E-ВР1). В результате снижается трансляция белка, в т.ч. прогерина, участвующего в патогенезе синдрома Хатчинсона–Гилфорда (прогерии), который клинически проявляется преждевременным старением [67]. Также ингибирование mTOR усиливает аутофагию за счет активации киназы (ULK1) [68]. Антивозрастной эффект метформина активно изучается и на людях, в частности предложены следующие биомаркеры репликативного клеточного старения: активность теломеразы (АТ) и длина теломера (ДТ). Известно, что ДТ при каждом делении клетки уменьшается, запуская клеточное старение, а теломераза способствует восстановлению ДТ. В исследовании Е.Н. Дудинской и соавт. доказано, что терапия метформином в комбинации с вилдаглиптином на протяжении 12 месяцев привела к повышению АТ на 45,5% в сравнении с монотерапией метформином [5].

Помимо этого, изучалось влияние метформина на развитие заболеваний, сокращающих продолжительность жизни. Еще 1998 г. британское проспективное исследование UKPDS (United Kingdom Prospective Diabetes Study) представило данные о снижении сердечно-сосудистой и общей смертности у пациентов с СД2, получавших метформин, что свидетельствует в пользу геропротективного действия препарата [69]. Спустя 44 года наблюдения за пациентами в исследовании UKPDS метформин продолжает демонстрировать значительное снижение риска микрососудистых осложнений, инфаркта миокарда и смерти от любой причины, в то время как комбинированная терапия препаратами сульфонилмочевины и инсулина показала снижение вышеуказанных рисков только на протяжении первых 10 лет лечения, впоследствии не отмечено уменьшения вероятности развития инфаркта миокарда и смерти от любой причины [70]. C.A. Bannister и соавт. использовали ретроспективные данные наблюдений из UK CPRD (United Kingdom Clinical Practice Research Datalink) за 2000 г. и доказали, что пациенты с СД2, получавшие монотерапию метформином, имели показатели выживаемости выше, чем лица без СД2 в контрольной группе, а продолжительность жизни пациентов, которые получали препараты сульфонилмочевины, напротив, оказалась меньше [71]. В ближайшем будущем планируется проведение РКИ, посвященного борьбе со старением при помощи метформина (Targeting age with Metformin, TAME). Цель данного исследования, в котором примут участие 3 000 человек в возрасте от 65 до 79 лет, заключается в установлении роли метформина как препарата, замедляющего развитие заболеваний, сокращающих продолжительность жизни [72].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени установлено, что метформин обладает доказанным сахароснижающим, фибринолитическим, гиполипидемическим, антионкогенным, иммуномодулирующим, антивозрастным и, возможно, рядом других положительных эффектов. Центральным механизмом действия этого препарата, благодаря которому реализуются почти все вышеперечисленные благоприятные свойства, является активация АМФК. С учетом актуальных научных данных о фармакодинамике, а также патогенетической неопределенности термина «бигуанид» представляется оправданным использование в отношении метформина такой дефиниции, как «активатор АМФК».

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. Мкртумян А.М. — финальное редактирование статьи; Маркова Т.Н. — концепция, дизайн и редактирование статьи; Овчинникова М.А., Иванова И.А., Кузьменко К.В. — написание текста, сбор и обработка иллюстративного материала. 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.