Метаболізм NAD + як мета для метаболічного здоров’я: ми знайшли срібну кулю?

Анотація

NAD + неодноразово входив і виходив із моди наукового співтовариства з моменту свого відкриття на початку 1900-х років. За останнє десятиліття NAD + став потенційною мішенню для боротьби з метаболічними порушеннями та дисфункцією мітохондрій, яка опосередковується ферментами сиртуїну (SIRT). Сприятливі метаболічні ефекти осі NAD +/SIRT викликали підвищений інтерес до NAD + як підсилювача енергетичного обміну. Як результат, безліч публікацій зосереджувались на метаболізмі NAD +, причому більшість робіт виконувались з використанням моделей in vitro, а робота in vivo в основному складалася з втручань у Caenorhabditis elegans і гризуни. З іншого боку, випробування на втручанні людини є дефіцитними. Мета цього огляду - надати огляд сучасного стану впливу на метаболізм NAD + у людей та встановити основу для майбутнього цієї захоплюючої галузі.

Вступ

В останні роки було докладено колосальних зусиль для визначення підходів до боротьби з метаболічними порушеннями та мітохондріальною дисфункцією, таких як старіння [1] та цукровий діабет 2 типу [2, 3], спеціально націлених на сімейство ферментів сиртуїн (SIRT). [4]. SIRT - це NAD + -залежні деацетилюючі ферменти, які регулюють клітинний метаболізм [5]. На сьогоднішній день ідентифіковано сім ферментів SIRT ссавців (SIRT1–7), кожен з яких має свою характерну експресію тканинних та субклітинних компартментів, активність ферментів та мішені. Ми ласкаво звертаємось до читачів до Houtkooper та ін. [6] для всебічного огляду щодо SIRT.

Було розроблено кілька стратегій орієнтування SIRT, що демонструють метаболічні переваги активації SIRT. У мишей мутація посилення функції SIRT1 викликала метаболічний профіль, який захищав проти інсулінорезистентного діабету, підвищуючи печінкову чутливість до інсуліну, толерантність до печінкової глюкози та загальну ефективність метаболізму [7, 8]. Більше того, запропонований активатор SIRT1, SRT1720, посилив дихання мітохондрій та покращив чутливість до інсуліну [9], імітуючи сигнальний профіль, який спостерігається при обмеженні калорій [10] у мишей із високим вмістом жиру (HFD). Ресвератрол, активуючий AMP протеїнкіназу (AMPK), що активує поліфенол, який активує SIRT1, покращує мітохондріальну функцію скелетних м’язів у здорових чоловіків із ожирінням, у хворих на цукровий діабет 2 типу та у родичів першого ступеня хворих на цукровий діабет 2 типу, хоча спостерігається метаболічні наслідки для здоров'я суперечливі [11, 12]. Разом ці дослідження показують, що активація SIRT сприяє зміні метаболізму.

Чому НАД + ?

Недавно була запропонована концепція впливу на біодоступність NAD + для активації СІРТ для боротьби з метаболічними порушеннями та мітохондріальною дисфункцією у людей [13, 14]. Це підтверджується повідомленнями про те, що знижена біодоступність NAD + сприяє метаболічним порушенням у старіючих мишей [15, 16] та людей [17, 18], а також у моделі гризунів цукрового діабету 2 типу [16]. SIRT є важливими споживачами NAD + і залежать від цього субстрату, що обмежує швидкість, щоб діяти як метаболічні сенсори, реагуючи на рівень доступного NAD + .

Короткий зміст метаболізму NAD +. NAD + може бути синтезований з Trp через шлях біосинтезу de novo у печінці та нирках. Нікотинова кислота (більш відома як вітамін B3) потрапляє в пул NAD + через шлях Прейса – Хендлера, тоді як нікотинамід, нікотинамід рибозид та NMN (повторно) потрапляють у пул NAD + через залишковий шлях. NAD + споживається ферментами SIRT, CD38 та PARP, виробляючи нікотинамід, який потрапляє в пул попередників NAD + для ресинтезу в NAD +. Пунктирна стрілка, рух NAD + у межах пулу NAD +. NA, нікотинова кислота; NAAD, нідеїнова кислота адениндинуклеотид; NAM, нікотинамід; NR, нікотинамід рибозид. Ця цифра доступна як частина завантажуваного slideset

Стратегії підвищення NAD +: доклінічні докази

Вправи та обмеження калорій викликають експресію нікотинаміду фосфорибозилтрансферази через AMPK

Вправи та обмеження калорій мають спільний знаменник, оскільки вони впливають на активність AMPK, яка може модулювати біодоступність NAD + (рис. 2). На підтримку цього, активація AMPK у міотрубках C2C12 збільшує клітинний рівень NAD + і, в свою чергу, активує SIRT1 та подальшу PGC-1α-залежну регуляцію мітохондріального та ліпідного обміну [28]. Підвищена потреба клітини в енергії, наприклад під час фізичних вправ, активує AMPK. З огляду на це було показано, що фізичні вправи індукують експресію нікотинаміду фосфорибозилтрансферази (NAMPT), обмежуючого швидкість ферменту, який перетворює нікотинамід у NAD + [29], тим самим збільшуючи біодоступність NAD + [30, 31]. Індукція експресії NAMPT через AMPK вважається механістичною адаптацією до метаболічного стресу, що виникає як від фізичних вправ, так і від обмеження калорій [32,33,34]. Більше того, було продемонстровано, що вправи на щурах викликають de novo біосинтез NAD + з l -триптофану (Trp), в кінцевому рахунку збільшуючи біодоступність NAD + [35].

Ефект від активації осі NAD +/SIRT за рахунок збільшення біодоступності NAD +. Для підвищення біодоступності НАД + може бути використано кілька підходів, включаючи фізичні вправи, обмеження калорій, дієтичні добавки та інгібування споживання НАД +. Ці зміни позитивно впливають на активацію SIRT та подальшу експресію PGC-1α та FOXO1, що призводить до мітохондріальних змін та, як наслідок, метаболічних адаптацій. CD38i, інгібітор CD38; FOXO1, білок вилочної коробки O1; NAM, нікотинамід; PARPi, інгібітор PARP. Ця цифра доступна як частина завантажуваного slideset

Попередники NAD + збільшують біодоступність NAD + та активують SIRT

Різні дослідницькі групи проводили стійку активацію SIRT шляхом збільшення ендогенної біодоступності NAD +. Доклінічні дослідження на старіючих або хворих на HFD мишах показали, що підвищення рівня NAD + шляхом доповнення попередниками NAD +, такими як нікотинамід мононуклеотид (NMN) або нікотинамід рибозид, послаблює вікове зниження сили м’язів [1, 36], збільшує тривалість життя та охорона здоров’я [36]. Крім того, окислювальний метаболізм та активація SIRT1 та SIRT3 посилюються у мишей, що харчуються HFD та доповнюються попередниками NAD + [26]. У літніх мишей добавки NAD +-попередники також відновлювали артеріальну активність SIRT1, що було пов'язано з поліпшенням судинної функції та зниженням жорсткості аорти [37]. Ці висновки демонструють доцільність зміни біодоступності NAD + та подальшої активації SIRT.

Більш конкретно, у мишей, що годувались HFD, було показано, що екзогенне введення NAD + попередника NAD + є життєздатним методом підвищення ендогенної доступності NAD + та індукції активності SIRT1, тим самим послаблюючи ефекти HFD та покращуючи толерантність до глюкози та печінкову чутливість [16]. Також було встановлено, що тривале введення ЯМН пом’якшує віковий спад енергетичного обміну, чутливості до інсуліну та ліпідного обміну [36]. Подібним чином, доповнення мишей, які страждають від HFD, нікотинамідом рибозидом (іншим попередником NAD +) також покращило чутливість до печінкового інсуліну [26]. Крім того, поліпшену толерантність до глюкози та ліпідний профіль спостерігали на мишачих моделях діабету типу 2, спричиненого віком, після прийому НМН [16].

Попередники NAD + нікотинова кислота та нікотинамід також використовувались для доповнення мишей, які страждають від HFD, підвищуючи рівень печінки NAD + та покращуючи толерантність до глюкози. В одному дослідженні нікотинамід виявився більш потужним підсилювачем NAD +, ніж нікотинова кислота, оскільки також було виявлено, що він спеціально змінює експресію SIRT1, SIRT2 та SIRT6 [38]. Нарешті, було показано, що Acipimox, синтетичний аналог нікотинової кислоти, підвищує NAD + в міотрубках C2C12 [39].

Разом ці доклінічні дані свідчать про те, що дієтичні добавки попередників NAD + можуть підвищити рівень NAD + і благотворно вплинути на метаболічне здоров'я.

Інгібування НАДаз підвищує біодоступність НАД + та активність SIRT1

Доклінічні дослідження досліджували сполуки, які можуть інгібувати NADases CD38 [40] та полі (ADP-рибозу) полімеразу-1 (PARP-1), зменшуючи ферментативну конкуренцію їх спільного субстрату, наприклад, зменшуючи їх здатність до зв'язування NAD +, і, таким чином, посилюючи активність SIRT1 (рис. 2). Дотримуючись цього напряму думок, зниження активності PARP-1 збігається із зростанням активності SIRT та рівня NAD + у глистів [41] та мишей [27], PARP-1 -/- миші, що демонструють більш стрункий фенотип із більшими витратами енергії порівняно з PARP-1 +/ + миші. Відповідно до цього, в скелетних м’язах посилення активності SIRT1, спричинене інгібітором PARP-1, супроводжувалось покращеною мітохондріальною функцією, підвищеними витратами енергії та витривалістю [42]. В ендотеліальних клітинах-попередниках інгібування PARP-1 також зберігало клітинний вміст NAD + [43]. Так само, Cd38 нокаутовані миші мають підвищений рівень NAD + і захищені від HFD-індукованої метаболічної гнучкості [44]. Більше того, було продемонстровано, що сполуки апігенін, кверцетин [45] та 78c [46] підвищують рівень NAD + та активність SIRT1 шляхом інгібування CD38.

Як підвищити NAD + у людей?

Підвищення біодоступності NAD + за допомогою фізичних вправ та обмеження калорій

Регулярні фізичні вправи та обмеження калорій добре відомі для покращення метаболічного здоров’я людини [47]. Поряд із покращенням чутливості до інсуліну, метаболічної гнучкості та функції мітохондрій, фізичні вправи також регулюють експресію NAMPT у скелетних м’язах людини [48] (рис. 2). Спортсмени, які тренуються на витривалість, мають вдвічі більший рівень експресії NAMPT в скелетних м’язах порівняно з базовим рівнем у осіб, що страждають ожирінням, що не страждають ожирінням та діабетом другого типу. Після закінчення 3-тижневого тренувального втручання група, що не страждає ожирінням, демонструвала підвищену експресію NAMPT порівняно з вихідним рівнем. Рівні NAMPT позитивно корелювали з експресією PGC-1α, вмістом мітохондрій, максимальним синтезом АТФ мітохондрій у скелетних м’язах та загальною максимальною аеробною здатністю [48]. Відповідно, повідомлялося про збільшення вмісту SIRT3 у скелетних м’язах та експресії PGC-1α у чоловіків, які страждали від ожиріння на початковому етапі після 12-тижневих аеробних вправ [49]. За 6 тижневих вправ на витривалість однієї ноги рівень білка NAMPT лише збільшився у тренованій нозі порівняно з нетренованою ногою [34], надалі підтримуючи парадигму активації осі NAD +/SIRT за допомогою фізичних вправ та індукції NAMPT.

Доповнення попередників NAD +

З людської дієтичної точки зору Trp, нікотинова кислота, нікотинамід та нікотинамід рибозид є переважними попередниками NAD +, які в даний час використовуються в інтервенційних випробуваннях, причому нікотинамід рибозид є останнім доповненням до маси харчових попередників NAD + (рис. 1). Ефективність та безпека лікування кожним із цих попередників NAD + більш докладно обговорюються нижче.

Нікотинамід

Випробування фази 0 та фази 1 продемонстрували толерантність та безпеку нікотинаміду у добових фармакологічних дозах до 3,5 г [52,53,54,55,3.0.CO; 2-H "href ="/article/10.1007/s00125-019- 4831-3 # ref-CR56 "> 56] і разові дози до 6 г [57,58,59]. Однак при дозах вище цього нікотинамід може стати гепатотоксичним [60].

Нікотинова кислота та Аципімокс

Нікотинова кислота є найефективнішим фармакологічним препаратом, що доступний для підвищення рівня холестерину ЛПВЩ та зниження загального рівня холестерину, холестерину ЛПНЩ та триацилгліцерину, зменшуючи тим самим загальний профіль серцево-судинного ризику користувача [61]. Однак нікотинова кислота може підвищувати рівень глюкози в плазмі крові, індукуючи резистентність до інсуліну після відскоку збільшення циркулюючих НЕФА [62]. Це створює труднощі при застосуванні нікотинової кислоти в якості (доповнення до статину) терапії дисліпідемії у осіб із порушеннями толерантності до глюкози, порушенням глюкози натще або цукровим діабетом 2 типу із зменшенням загального ризику серцево-судинних захворювань, з одного боку, та порушенням глікемічного контролю на інші. Погіршення гіперглікемії при вживанні нікотинової кислоти, можливо, потребуватиме додаткової терапевтичної точної настройки на індивідуальному рівні для підтримки глікемічного контролю. Альтернативно, зменшення дози нікотинової кислоти може покращити глікемічний контроль, однак для цього може знадобитися прийняття взаємного порушення ліпідного профілю або розпочати додаткову терапію.

Добавки NADH також використовувались для підвищення рівня NAD + у людей. У невеликому дослідженні 80 дорослих із синдромом хронічної втоми отримували добові дози 20 мг NADH у поєднанні з 200 мг коферменту Q10 та порівнювали з особами, які отримували плацебо [68, 69]. Втручання покращило зареєстровану втому [68] та збільшило максимальну частоту серцевих скорочень після 8 тижнів лікування [69], але не змінило ваги тіла та артеріального тиску. Крім того, в мононуклеарних клітинах периферичної крові (PBMC) втручання суттєво знизило рівень NAD + та підвищило рівень NADH, таким чином, значно знизивши співвідношення NAD +/NADH порівняно з вихідним рівнем. Крім того, вміст АТФ та активність цитрат-синтази були значно підвищені в РВМС [68]. На жаль, неможливо розрізнити, чи спостерігали результати, пов'язані виключно з добавкою NADH, враховуючи одночасне введення коензиму Q10 у цьому дослідженні.

Нікотинамід рибозид

На відміну від нікотинової кислоти, нікотинамід рибозид не є вазоактивним і не викликає припливів [70], тим самим долаючи один із несприятливих ефектів добавки нікотинової кислоти. У нещодавно опублікованому плацебо-контрольованому, подвійному сліпому, рандомізованому, перехресному дослідженні фази 1 було продемонстровано, що добова доза 1000 мг нікотинаміду рибозиду протягом 6 тижнів добре переноситься, а побічні ефекти не частіші, ніж у групі плацебо [ 71]. Ці висновки підтверджують попередні випробування фази 1 [72,73,74]. Крім того, нікетинової кислоти адениндинуклеотид (NAAD) підтверджено як надійний та чутливий біомаркер для оцінки змін рівня NAD + після прийому нікотинаміду рибозиду [72].

Щоденне додавання нікотинаміду рибозиду до 2000 мг може ефективно підвищувати рівень NAD + у крові, досягаючи вищих рівноважних концентрацій порівняно з початковим рівнем [73]. Відповідно, недавнє дослідження продемонструвало, що добавки нікотинаміду рибозидом збільшували рівні NAAD та NAD + на

60% у PBMC. У цьому дослідженні ефект 6-тижневої добавки нікотинаміду рибозидом проти плацебо був перевірений у здорових людей середнього та старшого віку. Також було встановлено, що 6 тижнів прийому нікотинаміду рибозидом, як правило, покращує систолічний артеріальний тиск і швидкість пульсових хвиль, що є маркерами здоров’я серцево-судинної системи [71]. Однак ніякого впливу добавок нікотинаміду рибозиду не виявлено на результати фізичної працездатності, такі як 4-метровий або 6-хвилинний тест на ходьбу, міцність рукоятки або максимальний крутний момент. Більше того, метаболічні змінні, такі як \ (\ dot> _> \) під час тесту на виснаження бігової доріжки, коефіцієнт дихального обміну та чутливість до інсуліну, оцінені IVGTT, не відрізнялися між групами. З цих висновків було зроблено висновок, що довгострокові добавки до нікотинаміду рибозиду є життєздатною стратегією для підвищення NAD + у людей і потенційно мають корисні для серцево-судинної системи функції, що вимагає подальших досліджень у більших дослідженнях.

Триптофан

Інший харчовий попередник NAD +, Trp, є незамінною амінокислотою і метаболізується в NAD + шляхом біосинтезу de novo у печінці та нирках [20]. Цей шлях є критичним для підтримання пулу NAD +, навіть незважаючи на те, що коефіцієнт перетворення Trp у NAD + низький у людей, у середньому 60: 1 [78]. Тим не менш, Trp вважається здатним задовольнити метаболічні потреби метаболізму NAD + при дієтах з дефіцитом нікотинової кислоти та нікотинаміду, і добре переноситься у високих дозах, від 30 до 50 мг/кг маси тіла, крім сонливості/сонливості [79].

Нещодавно вищі рівні циркулюючого вмісту Trp були визначені як прогностичний маркер розвитку діабету 2 типу у великій перспективній китайській когорті [80]. Однак на сьогоднішній день не існує досліджень дієтичних добавок, які безпосередньо оцінюють, чи посилення NAD + через Trp може бути метаболічно вигідним для людини.

Інгібування споживачів NAD +

Недоліком фармакологічних стратегій, що включають інгібування CD38 та PARP-1, є оригінальне терапевтичне застосування при злоякісних пухлинах [81, 82]. Таким чином, жодних клінічних випробувань з інгібіторами PARP-1 або CD38, спрямованих на поліпшення метаболічних змінних, у людей не проводилось. Однак це не означає, що від цієї стратегії слід взагалі відмовитись, оскільки життєздатне навколишнє середовище для використання теоретичних метаболічних переваг інгібування споживачів NAD + може з’явитися своєчасно, що дозволить нам оцінити їх ефективність у клінічних випробуваннях.

Майбутня перспектива

В даний час проводиться низка клінічних випробувань (табл. 1), в яких добавки NAD + попередник використовуються для поліпшення (часто порушених) метаболічних змінних стану здоров'я. Найближчі роки покажуть, чи багатообіцяючі результати, що спостерігаються в доклінічних дослідженнях, справді можуть знайти людський переклад.