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メトフォルミンによる胆汁酸代謝の変化とFXR

メトフォルミンによる腸管細菌B.fragilis 減少を介した胆汁酸代謝の変化は、FXRシグナリングを抑制し耐糖能、インスリン感受性を改善する。

まとめ
新規に2型糖尿病と診断された患者にメトフォルミンを3日間服用後、便中の腸内細菌Bacteroides fragilisが減少する。

ヒトの一次次胆汁酸はコール酸 (cholic acid (CA))、ケノデオコシコール酸 chenodeoxycholic acid (CDCA) でそれぞれグルシン、タウリンに抱合され腸管に分泌される。腸管では腸内細菌のbile salt hydrase により脱抱合化 deconjugation が起こる。

メトフォルミン服用後、B. fragilisの低下により便中の胆汁酸 acid glycine-ursodeoxycholic acid (GUDCA)、tauroursodeoxycholic acid (TUDCA)、抱合二次胆汁酸が増加する。総ビリルビン値は変化しない。B. fragilis と血中、便中GUDCA、TUDCAは負の相関を示す。
メトフォルミンはマウスで糖負荷試験の血糖値低下、インスリン感受性亢進、空腹時血糖値低下作用があり、メトフォルミンとB.fragilisの便移植によりメトフォルミンによるこれらの作用は抑制される。

胆汁酸の核内受容体farnesoid X receptor (FXR)活性化により、ヒトでFGF19、マウスでFGF15の発現が増加し、胆汁酸生合成は抑制される、腸管FXRの抑制は、白色脂肪細胞を褐色脂肪化させ肥満関連代謝障害を改善する。メトフォルミン服用後、血中FGF19濃度は低下しており、FXR signaling は抑制されている。GUDCAとTUDCAは直接的にFXR拮抗剤としてはたらいている。

腸管にFXRを発現しないマウスでは、溶媒のみに比べメトフォルミン12週間投与後の耐糖能とインスリン感受性改善が認められない。

胃管によるメトフォルミン投与は腸管のAMP activated protein kinase (AMPK) を活性化する。腸管にAMPKαを発現しないマウスでもメトフォルミンはFXRシグナリングを抑制する。

メトフォルミンによる腸管細菌B.fragilis 減少を介した胆汁酸代謝の変化は、FXRシグナリングを抑制し耐糖能、インスリン感受性を改善する。

Sun L et al. Gut microbiota and intestinal FXR mediate the clinical benefits of metformin Nat Med. 2018 Dec;24(12):1919-1929

Guo GL, Xie W Metformin action through the microbiome and bile acids Nat Med. 2018 Dec;24(12):1789-1790.

Jiang, C. et al. Intestinal farnesoid X receptor signaling promotes nonalcoholic fatty liver disease. J. Clin. Invest. 125, 386–402 (2015).

胆汁酸分子種の多様性 構造・代謝と生理作用 石塚 敏

メトフォルミンは直接L細胞に作用しGLP-1 分泌を刺激する。

メトフォルミンは胆汁酸再吸収抑制や腸管でセロトニン分泌促進する経路のほか、直接L細胞に作用しGLP-1分泌を刺激する。

腸管L細胞への直接作用
2型糖尿病患者12人で、メトフォルミン1500mg single dose は、食事負荷後のGLP-1分泌を促進する。GLP-1受容体拮抗薬Exenatide (9-39) を併用した結果、メトフォルミンによる食事負荷時の血糖降下作用の75%は、GLP-1分泌促進作用による。

ヒト腸管上皮細胞でメトフォルミンはGLP-1分泌を促進する。cAMP-activated protein kinase inhibitor である dorsomorphin は、メトフォルミンによるGLP-1分泌を抑制する。細胞内cAMP濃度を上昇させるIBMX、forskolinは、GLP-1分泌を促進する。

胆汁酸再吸収抑制
メトロフォルミンは、空腸のapical sodium-dependent bile acid transporter (ASBT) を阻害し、腸管内の胆汁酸濃度を上昇させる。胆汁酸は、核内受容体 farnesoid X receptor、Gタンパク共役受容体TGR5 を活性化し、グルコース代謝に関与している。ヒトと動物で胆汁酸の増加はGLP-1の血中濃度を上昇させる。

セロトニン分泌促進
腸クローム親和性細胞 (enterochromaffin cell)はセロトニンを分泌する。セロトニンは腸管L細胞でGLP-1分泌を促進する。
メトフォルミンは腸管でセロトニン分泌を刺激し、その結果、GLP-1分泌を促進する。
ヒト腸管上皮細胞で、serotonin transporter inhibitor は、メトフォルミンによるGLP-1分泌を抑制する。

Bahne E et al. Metformin-induced glucagon-like peptide-1 secretion contributes to the actions of metformin in type 2 diabetes. JCI Insight. 2018 Dec 6;3(23). pii: 93936. doi: 10.1172/jci.insight.93936. [Epub ahead of print]

Ripken D et al. Nutrient-induced Glucagon Like peptide-1 Release Is Modulated by Serotonin J Nutr Biochem (2016)

AMPKはfructose-1,6-bisphosphate (FBP)の減少により活性化される。

グルコース代謝の低下は、ATP:ADP、ATP:AMP を減少させ、AMP-activated protein kinase (AMPK)-Thr172 のリン酸化を促進することが知られている。 

さらにAMPKは、AMP/ADP非依存性経路として、細胞外グルコースと細胞内 fructose-1,6-bisphosphate (FBP) の減少により活性化される。FBPはアルドラーゼにより可逆的にglyceraldehyde-3-phosphate へ変換される。

FBPと結合していないアルドラーゼは、ライソゾーム上で、v-ATPase、regulator、axin、liver kinase B1 (LKB1)、AMP-activated protein kinase (AMPK)複合体形成を促進する。この複合体はAMPKの活性化に必要である。

Zhang CS et al. Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK. Nature. 2017 Aug 3;548(7665):112-116.

メトフォルミンはミトコンドリアグリセロール3リン酸 デヒドロゲナーゼ(glycerol- 3-phosphate dehydrogenase (GPD2) の機能を抑制し、乳酸とグリセロールからの糖新生を抑制する。

メトフォルミンは、ミトコンドリアComplex I を阻害し、ATP:ADP、ATP:AMP を減少させ、AMP kinase (AMPK)-Thr172 のリン酸化を促進する。AMPKは糖新生を担う酵素の転写を抑制する。

AMPKは、acetyl-CoA carboxylase 1 (ACC1) Ser79 、ACC2 Ser212をリン酸化し、ACC1およびACC2を抑制する。ACC1はacetyl–CoA から脂肪酸合成の前駆物質である malonyl–CoA への変換をおこなう。ACC2はミトコンドリアに存在し、脂肪酸のミトコンドリアへ輸送を阻害する。ミトコンドリアでは脂肪酸のβ酸化がおこる。AMPKの活性化は、ACC1、ACC2の抑制を介して、Malonyl-CoA からの脂肪合成を抑制し、ミトコンドリアでのβ酸化が亢進する。

<メトフォルミンはミトコンドリアのグリセロール3リン酸 デヒドロゲナーゼを抑制し、肝臓の糖新生を低下させる。>
臨床で使われるメトフォルミンの薬剤濃度では、energy charge および AMP濃度の変動がみとめられないとされている。

Madirajuらは、メトフォルミンがミトコンドリアのグリセロール3リン酸 デヒドロゲナーゼ(glycerol- 3-phosphate dehydrogenase (GPD2) ) の機能を抑制することを明らかにした。この酵素は、細胞質とミトコンドリアの間のシャトルのうちのひとつ、α-グリセロールリン酸シャトルで重要な役割を果たしている。α-グリセロールリン酸シャトルとマレイン酸アスパラギン酸シャトルは、還元当量を細胞質からミトコンドリアに転移させ、細胞質の酸化還元バランス(redox balance) を変化させる。

メトフォルミンは、乳酸とグリセロールからの糖新生を抑制するが、ピルビン酸やアラニンの糖産生は抑制しない。ACC1とACC2のノックインマウスの結果から、臨床で使われる濃度で、メトフォルミンによる肝糖産生抑制は、ACCに依存したものではなく、肝臓の糖産生にかかわる酵素活性の減弱によるものでもない。

Madiraju AK et al. Metformin inhibits gluconeogenesis via a redox-dependent mechanism in vivo. Nat Med. 2018 Jul 23. doi: 10.1038/s41591-018-0125-4. [Epub ahead of print]

Madiraju AK et al. Metformin suppresses gluconeogenesis by inhibiting mitochondrial glycerophosphate dehydrogenase. Nature. 2014 Jun 26;510(7506):542-6.

Baur JA, Birnbaum MJ. Control of gluconeogenesis by metformin: does redox trump energy charge? Cell Metab. 2014 Aug 5;20(2):197-9.

Fullerton MD et al. Single phosphorylation sites in Acc1 and Acc2 regulate lipid homeostasis and the insulin-sensitizing effects of metformin Nat Med. 2013 Dec;19(12):1649-54.

Shaw RJ. Metformin trims fats to restore insulin sensitivity Nat Med. 2013 Dec 5;19(12):1570-2.

メトフォルミンは脂質を減らしインスリン感受性を回復させる

メトフォルミンはmGPDを抑制し糖新生低下させる

メトフォルミンはフルクトースビスフォスファターゼ 1 (FBP1)を阻害し糖新生を抑制する。

フルクトースビスフォスファターゼ 1 (FBP1)は、フルクトース-1, 6-ビスリン酸をフルクトース一リン酸とリン酸に可逆的に加水分解する。
            fructose-1,6-bisphosphatase-1 (FBP1)
fructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-P2) ←→fructose- 6-phosphate (F6P) + inorganic phosphate (Pi)

FBP1は、AMPが結合するアロステリックサイトをもち、AMPはFBP1を阻害する。
FBP1は糖新生の律速段階となる酵素で、FBP1欠損患者では、糖新生が障害され低血糖と代謝性アシドーシスを呈する。

AMPが結合しないFBP1を発現するマウスでは、AMP 類似物質によるFBP1抑制が認められず、AMP kinase activator である 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribofuranoside (AICAR)やメトフォルミンによる血糖降下作用に耐性となる。

Hunter RW et al. Metformin reduces liver glucose production by inhibition of fructose-1-6-bisphosphatase. Nat Med. 2018 Aug 27.

メトフォルミンはprediabetes でインスリン感受性を改善するが食事不可前後のグルカゴン値を増加させる。

メトフォルミンはprediabetesで、インスリン感受性を改善する。
メトフォルミンにより、食事負荷前後のグルカゴン値は増加する。平均の内因性糖産生(EGP)はグルカゴン値と相関し個人差が大きくメトフォルミンとプラセボで有意差なし。
メトフォルミンは、グルカゴンによるタンパク質異化作用には拮抗している。

まとめ
Prediabetes 9人、メトフォルミン500mg twice daily を7日間服用後、1000mg twice daily で7日間服用する。
メトフォルミン服用により
・HOMA-IR上昇、インスリン:グルカゴンが低下、グルコースクランプSi値は上昇する。
・食事負荷時、ベースラインを基準とした面積 (area above baseline, AAB)は、血糖値とインスリンでプラセボに比べ低下する。食事負荷前と負荷後のグルカゴン値はプラセボに比べ上昇している。AABはプラセボに比べ有意差がない。
・平均の内因性糖産生endogenous glucose production (EGP)は変化しない。EGPはグルカゴン値に相関し個人差が大きい。

グルカゴン注入によるEGPがプラセボに比べメトフォルミンで上昇している。メトフォルミンによりグルカゴン刺激によるEGP上昇の感受性が上昇している。
空腹時血糖値の低下に反応した結果、グルカゴンが上昇しEGPが増加している可能性がある。

内因性タンパク質異化の指標であるleucine carbon flux などはプラセボとメトフォルミンで有意差なし。
メトフォルミンは、グルカゴンによるタンパク異化作用に拮抗している。
高グルカゴン血症がある場合、メトフォルミンによるEGP抑制効果は減弱する。

Konopka, A. R. et al. Hyperglucagonemia mitigates the effect of metformin on glucose production in prediabetes. Cell Rep. 15, 1394–1400 (2016).

メトフォルミンは男性で冠動脈石灰化を抑制する。

 Diabetes Prevention Program (DPP)、DPP Outcome Study (DPPOS) の参加者のうち、メトフォルミンを服用した男性では、プラセボに比べ、冠動脈石灰化の重症度が有意に低下していた。女性ではこの効果は認められなかった。

Effect of Long-term Metformin and Lifestyle in the Diabetes Prevention Program and its Outcome Study on Coronary Artery Calcium
http://circ.ahajournals.org/content/early/2017/05/05/CIRCULATIONAHA.116.025483


メトフォルミンによるAMPの低下はcAMP-PKA シグナリングを抑制する。

メトフォルミンは、ミトコンドリアのcomplex1を抑制するため、細胞内AMPが上昇する。

細胞内AMPの上昇は、Adenylyate cyclase を抑制する。その結果、ATPからcAMP産生が低下し、protein kinase A (PKA) 活性が抑制される。
PKA活性抑制により、糖新生に関連する遺伝子の転写活性が低下し、糖新生の酵素である fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) が阻害される。

AMPの上昇は、AMP-activated protein kinase (AMPK)を活性化する。

FBPase は、AMPにより直接阻害を受ける。

Florez JC. Pharmacogenetics in type 2 diabetes: precision medicine or discovery tool? Diabetologia. 2017 May;60(5):800-807.

わかりやすい図があります

Miller RA, Chu Q, Xie J, Foretz M, Viollet B, Birnbaum MJ. Biguanides suppress hepatic glucagon signalling by decreasing production of cyclic AMP. Nature. 2013 Feb 14;494(7436):256-60. 
メトフォルミンはグルカゴンによる糖放出を抑制する。

Hines JK, Kruesel CE, Fromm HJ, Honzatko RB. Structure of inhibited fructose-1,6-bisphosphatase from Escherichia coli: distinct allosteric inhibition sites for AMP and glucose 6-phosphate and the characterization of a gluconeogenic switch. J Biol Chem. 2007 Aug 24;282(34):24697-706.
AMP、glucose 6-phosphateが FBPase を阻害する。

(2017/8/27改訂)

メトフォルミンは胆汁酸の再吸収抑制を介してGLP-1分泌を促進する

胆汁酸は、L細胞に発現するTgr5を介してGLP-1分泌を促進する。1)
メトフォルミンは、Farnesoid X receptor を介して、AMPK-mediated mechanismで、胆汁酸再吸収を抑制し、GLP-1分泌を促進する。2)

1. van Nierop FS et al. Clinical relevance of the bile acid receptor TGR5 in metabolism. Lancet Diabetes Endocrinol. 2017 Mar;5(3):224-233. doi: 10.1016/S2213-8587(16)30155-3. Epub 2016 Sep 14.
“Stimulation of Tgf5 on the basolateral side of L cells has been suggested as an important mediator of bile acid-induced GLP-1 secretion.”

2. McCreight LJ, Bailey CJ, Pearson ER. Metformin and the gastrointestinal tract. Diabetologia First online: 16 January 2016

メトフォルミン不耐性とOCT1、SERT

 メフォルミンの消化器症状は、腸管でのメトフォルミンの濃度上昇、メフォルミンによるセロトニンの取り込み抑制などが原因とされている。

メトフォルミン不耐性164人とメトフォルミン服用可能な1356人の比較で、Organic transporter 1(OCT1) 機能低下型アリルを2つ持つ場合、メトフォルミン不耐性のオッズ比 2.7となる

メトフォルミンは、Serotonin reuptake transporter (SERT) を介してセロトニンの取り込みを抑制する。
SERT遺伝子はLong (L) allele、Short (S) alleleがあり、S allele ではSERT 発現が低下する。
single nucleotide polymorphism (SNP) rs 25531 A>G は、SERT発現を調節している。LGはLAに比べSERT発現が低下する。
S alleleでは、メトフォルミン不耐性のオッズ比1.3
L*L*(LALA) で、OCT-1機能低下型アリルを2つ持つ場合、メトフォルミン不耐性オッズ比は9.25となる。
L*S* (LALG, LAS)では影響が少なく、 S*S* (SS, SLG, LGLG) では影響しない。
OCT-1機能低下型アリルを2つ持つ場合、S alleleは逆にメトフォルミン不耐性に対して保護的効果を示す。
S alleleでは、セロトニン濃度が上昇するため、受容体の感度低下(desensitization) が起こるためと考えられる。

腸管のメトフォルミンの取り込みでOCT-1が主要な役割を果たしているため、OCT-1の機能低下がメトフォルミン不耐性のリクス上昇が大きいと推測される。

Dujic T et al. Effect of Serotonin Transporter 5-HTTLPR Polymorphism on Gastrointestinal Intolerance to Metformin: A GoDARTS Study. Diabetes Care. 2016 Nov;39(11):1896-1901. Epub 2016 Aug 4.

プロフィール

N. Ishizuka

Author:N. Ishizuka
糖尿病専門医です。インスリン分泌の基礎研究を経て臨床に戻りました。これまで読んだ論文を臨床に生かしていこうと思い、ブログ形式でまとめています。

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