Аннотация
Короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), в частности бутират, представляют собой ключевые микробные метаболиты с локальным эпителиальным действием и все более признанной нейроактивной сигнальной ролью вдоль оси микробиота–кишечник–мозг[1–4]. Тем не менее, пероральная доставка свободных солей бутирата (например, бутирата натрия) ограничивается двумя взаимосвязанными барьерами: (i) преждевременным растворением и всасыванием в верхних отделах желудочно-кишечного тракта — включая пассивную абсорбцию на уровне желудка — что снижает долю вещества, доступную для рецепторных систем дистального отдела кишечника и ободочной кишки[5–7], и (ii) неудовлетворительными органолептическими свойствами (запах и вкус прогорклого масла), что снижает приверженность терапии при долгосрочном приеме[5–7]. В данном отчете обобщены доказательства того, что pH-чувствительные кишечнорастворимые полимерные покрытия и методы микрокапсулирования могут выступать в качестве эффективных технологий для защиты активного бутирата от раннего высвобождения в кислой среде желудка, задержки абсорбции в проксимальных отделах и улучшения переносимости за счет физической изоляции летучих пахучих веществ[7–9]. Кроме того, мы связываем воздействие SCFA, направленное на ободочную кишку или дистальный отдел кишечника, с механистическими путями стимуляции блуждающего нерва (VNS), включая зависимую от рецепторов SCFA афферентную импульсацию и последующую активацию ствола мозга, а также опосредованную эндокринную трансдукцию через GLP-1/PYY L-клеток и серотониновую сигнализацию энтерохромаффинных клеток[3, 10–12]. В совокупности цитируемая литература подтверждает трансляционный тезис: в области нейрогастроэнтерологии и терапии, направленной на ось кишечник–мозг, именно лекарственная форма — а не только выбор самой молекулы — определяет, сможет ли бутират взаимодействовать с рецепторами дистального отдела кишечника и афферентными волокнами блуждающего нерва, оставаясь при этом приемлемым для применения в реальной практике[7, 9].
Введение
SCFAs — ацетат, пропионат и бутират — образуются путем бактериальной ферментации неперевариваемых углеводов/пищевых волокон в нижних отделах кишечника и входят в число наиболее распространенных микробных метаболитов в толстой кишке[1, 13]. В многочисленных обзорах SCFAs описываются как важнейшее связующее звено между кишечником и мозгом (ось «кишечник — мозг»), действующее через нервные, эндокринные, иммунные и метаболические пути[14–16]. У человека ацетат, пропионат и бутират часто описываются как преобладающие в толстой кишке SCFAs и, по имеющимся данным, присутствуют в приблизительном молярном соотношении 60:20:20[13, 16].
Бутират занимает особое положение в этой триаде, поскольку его неоднократно описывали как предпочтительный энергетический субстрат для колоноцитов и важный фактор, определяющий целостность эпителия и контроль воспаления[2, 17, 18]. С точки зрения механизма действия SCFAs являются лигандами для GPCRs, включая FFAR2 (GPR43) и FFAR3 (GPR41), а также родственных рецепторов, таких как GPR109a/HCAR2, которые распределены в кишечной, иммунной и нервной тканях[13, 19, 20]. Кроме того, SCFAs оказывают внутриклеточные эффекты посредством ингибирования гистондеацетилаз (HDACs), при этом бутират часто описывают как особенно мощный ингибитор HDACs среди SCFAs[15, 21].
Проблема создания лекарственной формы обусловлена тем, что соответствующие биологические мишени (эпителий толстой кишки, энтероэндокринные L-клетки, преобладающие в дистальных отделах, и афферентные окончания блуждающего нерва, передающие висцеральные сигналы) локализованы преимущественно дистально, в то время как свободные соли бутирата могут быстро растворяться и поступать в системный кровоток вскоре после приема внутрь[5, 11]. Соответственно, одна и та же молекула может вызывать различные физиологические эффекты в зависимости от того, доставляется ли она в виде проксимального, системно абсорбируемого болюса или в виде отсроченного дистального люминального сигнала, активирующего сенсорные элементы слизистой оболочки и нервной системы[5, 22, 23]. В связи с этим данный отчет посвящен технологиям кишечнорастворимого покрытия и микрокапсулирования, направленным на изменение локализации и кинетики высвобождения бутирата с одновременным устранением его нежелательных органолептических свойств (запаха и вкуса)[7, 24, 25].
Фармакология и фармакокинетика
Бутират представляет собой четырехвуглеродную SCFA, вырабатываемую в толстой кишке и неоднократно характеризуемую как критически важный фактор для здоровья кишечника и более широких системных функций, включая метаболизм и иммуномодуляцию[2, 26]. Множество источников подчеркивают, что бутират в основном поглощается эпителиальными клетками толстой кишки и используется в качестве энергетического субстрата, поддерживая митохондриальный окислительный метаболизм и выработку ATP в колоноцитах[18, 26]. Классические данные ex vivo, обобщенные в обзоре метаболизма колоноцитов, указывают на то, что в суспензиях колоноцитов, снабженных 10 mM бутирата, >70% потребления кислорода приходилось на окисление бутирата[17], что согласуется с описанной ролью бутирата как доминирующего окислительного топлива в эпителии толстой кишки[2, 17]. Дальнейший синтез данных показывает, что 80–95% SCFAs, вырабатываемых бактериями, абсорбируются в толстой кишке, оставляя минимальные концентрации в фекалиях[17].
Молекулярные свойства и механизмы абсорбции
Центральной физико-химической особенностью бутирата являются его свойства слабой кислоты с зарегистрированной и преобладающей диссоциацией при физиологическом pH толстой кишки (5.0–6.5)[20]. Клеточное поглощение описывается как происходящее как путем пассивной неионной диффузии, так и через опосредованные переносчиками пути[26]. Среди специфических транспортеров, упоминаемых для бутирата и других SCFAs, выделяют протон-сопряженные транспортеры монокарбоксилатов (например, MCT1/SLC16A1) и натрий-сопряженные транспортеры монокарбоксилатов (например, SMCT1/SLC5A8)[20, 27]. Дополнительные семейства транспортеров (MCT4/MCT5; Slc16a3/Slc16a4) и апикальный эффлюксный насос (ABCG2) также вовлечены в процессинг бутирата и других монокарбоксилатов в кишечном эпителии[27].
Утилизация при первом прохождении и системное появление
Повторяющейся фармакокинетической темой является быстрая утилизация бутирата в оси кишечник–печень. В одном сравнении лекарственных форм бутирата у человека указывается, что абсорбированный бутират метаболизируется в эпителиальных клетках кишечника (превращение в acetyl-CoA с последующим вступлением в цикл Кребса для выработки ATP), и лишь около ~2% поступает в портальный кровоток печени, где он подвергается дальнейшему метаболизму[26]. Исследование на свиньях аналогичным образом отмечает, что бутират может всасываться из кишечника и полностью метаболизироваться в слизистой оболочке кишечника или печени, что затрудняет его обнаружение в системном кровотоке[2]. В совокупности эти описания предполагают, что системные измерения могут недооценивать люминальную экспозицию и эпителиальный метаболизм, особенно когда высвобождение направлено дистально, а не проксимально[2, 26].
Рецепторная и эпигенетическая фармакология
Сигналинг бутирата не ограничивается энергетическим метаболизмом. Несколько источников описывают бутират как лиганд для GPCRs и как ингибитор HDAC, который модулирует экспрессию генов и воспаление[2, 21]. Бутират также описывается как способный эпигенетически повышать экспрессию μ-опиоидного рецептора в публикации клинического исследования при избыточном весе/ожирении у людей, где обсуждаются механистические гипотезы[21]. В механистическом исследовании рака толстой кишки подробно описывается, что SCFAs, включая бутират, активируют FFAR2, который сопрягается с Gi для ингибирования сигналинга cAMP и с Gq для стимуляции мобилизации кальция с последующим снижением сигналинга cAMP–PKA–CREB и влиянием на экспрессию HDAC; в нем также утверждается, что SCFAs подавляют HDAC класса I и класса IIa[19]. Эти механистические концепции подтверждают вероятность того, что бутират может действовать как метаболит и как сигнальная молекула с последующими эффектами, значимыми для нервных и иммунных путей, вовлеченных в модуляцию оси кишечник–мозг[3, 12].
Фармакокинетическое поведение в зависимости от лекарственной формы
Поскольку соли свободного бутирата могут абсорбироваться на ранних этапах, многочисленные данные подчеркивают важность использования пролекарств или защищенной доставки. В сравнительном исследовании препаратов бутирата у людей сообщается, что появление трибутирина (триглицеридного пролекарства бутирата) в плазме крови было значительно ниже по сравнению с бутиратом натрия и бутиратом лизина, что, вероятно, связано с необходимостью ферментативного расщепления, которое задерживает или снижает высвобождение из трибутирина[26]. Параллельно перекрестное исследование на людях с избыточным весом/ожирением с использованием триглицеридов, обогащенных бутиратом и гексаноатом, предоставляет данные по пищеварению in vitro, показывающие, что этерификация SCFAs в определенные формы триглицеридов может заметно снизить высвобождение в желудке (например, ~14% высвобождения в желудочном компартменте при ~86% остающихся этерифицированными для одной лекарственной формы)[21], хотя альтернативные смеси триглицеридов могут подвергаться существенному расщеплению в желудке, высвобождая большую часть кислот в свободной форме уже там[21]. Эти противоположные результаты подчеркивают, что не все стратегии создания «пролекарств» или этерифицированных форм эквивалентны с точки зрения задержки проксимального высвобождения, и что химические свойства лекарственной формы и энзимология определяют место высвобождения биологически активного бутирата[21].
Деградация в желудке и преждевременное всасывание
Основным препятствием для таргетной доставки в толстую кишку является то, что незащищенные SCFAs могут быстро появляться в периферической крови после перорального приема. В исследовании влияния пищевых добавок на профили SCFA в сыворотке крови человека отмечается, что быстрое повышение концентрации циркулирующих SCFA, вероятно, объясняется пассивным всасыванием из желудка[5]. Тот же источник указывает, что содержимое капсул, вероятно, попадало в желудочный сок в течение ~30 минут после приема, исходя из ожидаемого времени желудочного транзита и состава капсулы[5]. Кроме того, в нем утверждается, что поскольку SCFAs имеют , большинство поступивших в организм молекул SCFA будут находиться в ассоциированных (неионогенных), липидорастворимых формах, способных проникать через эпителий желудка[5]. Такое сочетание быстрого распада/высвобождения и благоприятной неионогенной диффузии обеспечивает механистическую основу того, почему дозирование SCFA с немедленным высвобождением может не обеспечить значимого люминального сигнала в дистальном отделе кишечника или толстой кишке[5].
В соответствии с этой концепцией, в клиническом обзоре бутирата натрия и его микрокапсулированных форм подчеркивается, что пероральный прием некоторых препаратов солей масляной кислоты не обеспечивает доставку надлежащего количества в толстую кишку, поскольку анион бутирата быстро всасывается в желудке и начальных отделах тонкой кишки после высвобождения[7]. В другом обзоре аналогичным образом утверждается, что масляная кислота, принимаемая перорально, очень быстро всасывается и метаболизируется в начальных отделах желудочно-кишечного тракта, и что форму добавки следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить доставку в нижележащие отделы кишечника[6]. В зоотехнической модели на животных исследователи отмечают, что бутират, вводимый перорально, быстро всасывается и метаболизируется на всем протяжении желудочно-кишечного тракта, что ограничивает его доставку в задний отдел кишечника[28].
Значение этого факта для направленной на блуждающий нерв доставки SCFA является двояким. Во-первых, преждевременное всасывание изменяет анатомический участок взаимодействия с рецепторами: вместо активации рецепторов слизистой оболочки толстой кишки и энтеральных/вагусных путей, берущих начало дистально, воздействие может концентрироваться в желудке или проксимальном отделе тонкой кишки[5, 7]. Во-вторых, раннее всасывание может ослабить эндокринные ответы, ожидаемые от стимуляции дистальных L-клеток; исследование метаболизма в мозге свиней прямо указывает на то, что бутират, возможно, так и не достиг L-клеток, а вместо этого всосался на уровне желудка, что потенциально объясняет отсутствие повышения уровня GLP-1 в плазме крови[2]. Эти наблюдения подтверждают концепцию разработки лекарственной формы, согласно которой защита бутирата от раннего высвобождения необходима для тестирования — и потенциального использования — механизмов передачи сигналов между дистальным отделом кишечника и мозгом[2, 7].
Органолептические недостатки
Сенсорный профиль бутирата традиционно описывается как практический барьер для его длительного перорального применения. В обзоре, посвященном ожирению/IBD/беременности/колоректальному раку, указывается, что масляная кислота представляет собой маслянистую жидкость с неприятным запахом прогорклого масла, в то время как бутират натрия обладает более мягким запахом и большей стабильностью, но остается сложным с органолептической точки зрения[6]. Клинический обзор, посвященный бутирату натрия, подчеркивает, что неприятный вкус и запах прогорклого масла диктуют необходимость использования защищенных форм для повышения переносимости и комплаентности пациентов[7]. В исследовании применения добавок SCFA у людей участники отмечали умеренно неприятный вкус и запах, связанные непосредственно с добавками бутирата, а крупный размер использовавшихся капсул вызывал дискомфорт от легкой до умеренной степени при глотании у большинства участников[5]. Сравнительное фармакокинетическое исследование аналогичным образом отмечает практические проблемы, связанные с тем, что некоторые добавки бутирата обладают неприятным запахом и вкусом, что создает трудности с приверженностью к пероральному приему[26].
Таким образом, маскировка запаха и вкуса является не косметической мерой, а обязательным требованием для обеспечения адекватной экспозиции препарата при хронических протоколах лечения. Исследование полимерных мицеллярных пролекарств подчеркивает актуальность этой проблемы, указывая на то, что бутират даже при наличии кишечнорастворимой оболочки или инкапсуляции обладает неприятным и стойким запахом и вкусом[25], и в то же время сообщает, что их полимерные композиции маскируют запах и вкус, функционируя как носители, высвобождающие бутират с течением времени в процессе GI-транзита[25]. Стратегии микрокапсулирования трибутирина (источника бутирата) аналогичным образом указывают на необходимость снижения неприятных сенсорных свойств и негативных характеристик запаха в качестве основных стимулов для исследований в области инкапсуляции и оптимизации технологических процессов[29, 30]. В совокупности эти источники указывают на то, что приемлемость для пациентов и технологичность производства структурно связаны с фармакокинетикой: лекарственные формы, снижающие испарение и сенсорное восприятие, могут также уменьшить преждевременное высвобождение и сместить доставку в дистальные отделы[7, 24].
Технология кишечнорастворимого покрытия
Кишечнорастворимые оболочки и покрытия для направленной доставки в толстую кишку основаны на использовании различий уровня pH на протяжении желудочно-кишечного тракта (GI). В современном обзоре кишечнорастворимых покрытий для доставки лекарственных веществ в толстую кишку отмечается, что полиметакрилаты с pH-зависимым порогом растворения в диапазоне pH от 6.0 до 7.0 в основном используются в качестве пленкообразователей для защиты ядер лекарственных форм от содержимого желудка и тонкой кишки; в качестве распространенных торговых марок упоминаются Eudragit® S, Eudragit® L и Eudragit® FS[9]. В другом обзоре систем пероральной доставки лекарств с целевым высвобождением в толстой кишке поясняется, что включение активных веществ в pH-чувствительные полимеры позволяет защитить их от кислой среды желудка и проксимального отдела тонкой кишки, при этом полимеры разрушаются в более щелочной среде дистального отдела подвздошной кишки, обеспечивая направленную доставку в толстую кишку[31]. В нем также указывается, что полимеры на основе метакриловой кислоты (Eudragit®) и полиметакрилатные покрытия, такие как Eudragit® L и Eudragit® S, используются часто и могут смешиваться в различных соотношениях для оптимизации растворения[31].
Примеры полимеров и пороги растворения
Данные в представленных материалах подтверждают следующие утверждения касательно конкретных полимеров. Во-первых, Eudragit S100 описывается как анионный сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата с соотношением свободных карбоксильных групп к сложноэфирным примерно 1:2 и порогом растворения при pH чуть выше 7.2[8]. В исследовании микросфер mesalamine для направленной доставки в толстую кишку микросферы были покрыты Eudragit S100 для предотвращения высвобождения препарата в желудке[8], при этом лекарственная форма показала отсутствие высвобождения в имитированном желудочном соке, незначительное высвобождение в имитированном кишечном соке и максимальное высвобождение в среде, имитирующей условия толстой кишки[8]. Во-вторых, для липосомальной доставки в толстую кишку покрытие из ES100 (Eudragit S100) описывается как имеющее порог растворимости pH 7, что делает его нерастворимым при более низких значениях pH в желудке и верхних отделах тонкой кишки, но обеспечивает высвобождение на границе тонкой и толстой кишок, где уровень pH достигает 7[32]. В-третьих, более широкий обзор pH-чувствительных полимеров указывает, что полимерные покрытия не подвержены воздействию желудочного сока, но ионизируются и деградируют выше определенного порога pH, а также что растворимость полимеров низка в кислой среде, но возрастает по мере повышения pH[33].
Вариабельность pH в GI и ограничения направленной доставки в толстую кишку
Основным практическим ограничением является межиндивидуальная и региональная вариабельность уровня pH в GI. В современном обзоре кишечнорастворимых покрытий сообщается, что в ходе радиотелеметрического исследования у здоровых добровольцев в правой половине ободочной кишки были выявлены кислые значения pH[9], а снижение pH связывают с накоплением короткоцепочечных жирных кислот в слепой кишке и проксимальном отделе толстой кишки в результате бактериальной ферментации[9]. Это имеет прямое отношение к доставке SCFA, поскольку сама активная нагрузка (бутират и другие SCFA) может способствовать локальным изменениям pH, что способно повлиять на динамику растворения кишечнорастворимого полимера и, потенциально, на место высвобождения[9]. В том же обзоре отмечается, что надежность pH-зависимых лекарственных форм в последние десятилетия неоднократно подвергалась сомнению[9].
В обзоре систем доставки в толстую кишку с временным высвобождением аналогичным образом указывается, что pH-зависимые лекарственные формы, рассчитанные на постепенное повышение pH от желудка к толстой кишке, сталкиваются с нестабильностью результатов, поскольку значение pH может подниматься выше 7 в подвздошной кишке, после чего происходит резкое падение примерно до 6.4 в слепой кишке с последующим медленным повышением в аборальном направлении[34]. Эти данные обосновывают применение гибридных подходов, сочетающих pH-чувствительные триггеры с время-зависимыми или многослойными покрытиями, особенно при доставке в специфические отделы толстой кишки в условиях вариабельных физиологических параметров[9, 34].
Комбинированные покрытия для расширения диапазона высвобождения
Ряд источников напрямую подтверждают целесообразность комбинирования сополимеров метакриловой кислоты для регулирования растворения в определенном диапазоне pH. Исследование покрытия таблеток mesalazine различными комбинациями Eudragit L100 и Eudragit S100 демонстрирует, что высвобождением препарата можно управлять путем изменения соотношения L100:S100 в диапазоне pH 6.0–7.0, и что комбинированные покрытия позволяют преодолеть проблему высокой межиндивидуальной вариабельности pH в GI; далее утверждается, что комбинированная система превосходит использование любого из этих полимеров по отдельности для направленной доставки в толстую кишку[35]. В аналогичном исследовании лекарственной формы в виде пеллет описывается сочетание pH-зависимых полимеров (Eudragit S100 и L100) с время-зависимым полимером (Eudragit RS) для контроля высвобождения в толстой кишке в различных средах растворения (pH 1.2, 6.5, 6.8, 7.2); сообщается, что высвобождение препарата в толстой кишке можно контролировать путем добавления Eudragit RS к pH-зависимым полимерам[36]. Эти исследования предлагают логику разработки готовых форм для доставки SCFA: более широкий профиль растворения и временная задержка позволяют снизить преждевременное высвобождение в подвздошной кишке, обеспечивая при этом доставку в толстую кишку в условиях вариабельного pH[35, 36].
Microencapsulation approaches
Микрокапсулирование рассматривается во многих источниках как практическая стратегия, направленная на (i) защиту бутирата от преждевременного высвобождения/абсорбции и (ii) маскировку его запаха и вкуса. В испанском обзоре, посвященном применению бутирата при заболеваниях кишечника, отмечается, что микрокапсулирование позволяет не только преодолеть неудовлетворительные органолептические свойства трибутирина, но и получить препаративную форму в виде гранулята, обеспечивающую пероральный прием один раз в день и высокую приверженность лечению[24]. В клиническом обзоре по бутирату натрия аналогичным образом утверждается, что микрокапсулирование может способствовать контролируемому высвобождению бутирата натрия в различных отделах пищеварительного тракта с преимущественным высвобождением в дистальном отделе тонкой кишки и в толстой кишке, причем данный подход позиционируется как решение проблемы быстрой абсорбции и неудовлетворительных вкусовых качеств[7]. В другом обзоре описывается «эффективный метод» с использованием микрокапсулирования, при котором молекулы бутирата натрия заключаются в липидные микросферы, помещенные в желатиновую капсулу; авторы отмечают, что такие препараты лучше всего принимать после еды, когда секреция панкреатической липазы увеличивается, обеспечивая постепенное высвобождение масляной кислоты из микросфер[6].
Multiparticulates, beads, and protected cores
Даже за рамками исследований на человеке пеллеты с контролируемым высвобождением служат прямым доказательством того, что защищенные системы способны противостоять условиям в желудке. В исследовании in vitro/in vivo кальция [1-(14)C]butyrate сообщается, что защищенные пеллеты высвобождали всего 3.4 ± 0.2% радиоактивного углерода в желудочный сок после 2 часов инкубации, а после последовательного моделирования сред желудка и кишечника суммарное высвобождение составило 17.4 ± 0.8%[37]. In vivo пик выделения респираторного (14)CO2 достигался через 1.5 часа для незащищенного бутирата и через 4 часа для защищенных пеллет, что указывает на отсроченную абсорбцию/окисление, соответствующую пролонгированной доставке в кишечник[38]. Хотя эта модель разработана на цыплятах-бройлерах, она обеспечивает механистическое обоснование того, что покрытие/защита могут сдвигать профиль доступности бутирата в нижележащие отделы GI-тракта[38].
Lipid matrices and polymer-coated microcapsules
Липидные матрицы часто рассматриваются в качестве защитных барьеров. В исследовании на крысах с ожирением, вызванным диетой, отмечается, что микрокапсулирование в липидных матрицах было разработано для защиты SCFAs от переваривания в проксимальных отделах кишечника и обеспечения направленного высвобождения в толстой кишке[22]; при этом проводится четкое противопоставление микрокапсулированных продуктов, от которых ожидается медленное высвобождение SCFAs в нижних отделах GI-тракта, неинкапсулированному бутирату натрия[22]. В модели инфекции у цыплят микрокапсулированный бутират натрия описывается как покрытый «энтеральным полимерным материалом» и содержащий 40% бутирата натрия; обоснованием такого подхода служит то, что задержка высвобождения в кишечнике снижает абсорбцию в тонкой кишке и улучшает доставку в толстую кишку. В исследовании также сообщается о превосходящей эффективности по сравнению с неинкапсулированным бутиратом натрия при одинаковом количестве вводимой добавки[28].
Polymeric prodrug micelles as an alternative to classical enteric coatings
Отдельным подходом с четким механизмом действия является использование полимерных мицелл пролекарства бутирата. В рамках этой стратегии бутират связывается с мицеллообразующей полимерной цепью посредством сложных эфирных связей, что обеспечивает гидролиз пищеварительными эстеразами и контролируемое высвобождение в GI-тракте[25]. Авторы подтвердили профиль высвобождения в симулированных желудочном и кишечном соках и сообщили о пренебрежимо малом высвобождении бутирата в симулированном желудочном соке в течение нескольких часов с последующим контролируемым медленным высвобождением на протяжении недель, тогда как в симулированном кишечном соке с высокой концентрацией панкреатической эстеразы мицеллы высвобождали большую часть бутирата в течение нескольких минут[25]. Далее они указывают, что конъюгированные с бутиратом полимерные формы высвобождают бутират в определенных сегментах нижних отделов GI-тракта, в отличие от бутирата натрия, который абсорбируется преимущественно в желудке[25]. Помимо фармакокинетики, они прямо заявляют, что полимерные формы маскируют запах и вкус бутирата и служат носителями для его постепенного высвобождения по мере продвижения мицелл по GI-тракту[25].
Capsule shell approaches and delayed release systems
Отсроченное высвобождение также может быть обеспечено на уровне оболочки капсулы или системы «капсула в капсуле». В исследовании in vitro капсул с направленным высвобождением (разработанных для защиты панкреатина) указывается, что капсулы DRcaps® состоят из комбинации HPMC и геллановой камеди и обеспечивают отсроченное высвобождение в тонкой кишке[39]. В том же исследовании утверждается, что добавление геллановой камеди в капсулы DR защищает HPMC от разрушения в кислой среде желудка с низким pH, позволяя интактным капсулам проходить в кишечник[39]. Хотя эта работа посвящена панкреатину и использует образование бутирата из трибутирина в качестве показателя активности, она предоставляет общие доказательства того, что выбор материала оболочки капсулы может использоваться для предотвращения преждевременной дезинтеграции в кислых условиях желудка и, следовательно, для сохранения целостности содержимого до более поздних фаз[39].
Comparison table
В приведенной ниже таблице обобщены стратегии защищенной доставки, описанные в представленных источниках, с акцентом на целевой сегмент ЖКТ, доказательства устойчивости к желудочному соку и значение для приемлемости препарата.
| Strategy | Mechanism of protection and trigger | Evidence for reduced gastric release or delayed appearance | Acceptability benefit | Representative sources |
|---|---|---|---|---|
| pH-responsive polymethacrylate enteric coating (Eudragit) | Нерастворимо при низких значениях pH; растворяется при превышении порогового значения для полимера (часто в диапазоне pH ~6–7; S100 — чуть выше 7.2), обеспечивая высвобождение в подвздошной/толстой кишке[8, 9] | Хитозановые микросферы, покрытые Eudragit S100, не обнаружили высвобождения в симулированном желудочном соке и продемонстрировали максимальное высвобождение в среде, имитирующей толстую кишку[8] | Косвенное, за счет удерживания содержимого/запахов барьерным слоем (не всегда оценивалось непосредственно) | Микросферы месаламина, покрытые S100[8]; общие обзоры по покрытиям[9] |
| Combination pH + time-dependent coatings | Смесь pH-зависимых полимеров (L100/S100) и времязависимого полимера (RS) для регулирования времени задержки и расширения стабильности к колебаниям pH[35, 36] | Растворение в средах с градиентом pH демонстрирует регулируемую задержку/высвобождение; комбинированные системы компенсируют вариабельность pH[35, 36] | Косвенное, за счет отсроченного высвобождения и снижения преждевременного контакта с активным веществом | Варьирование соотношения L100/S100[35]; добавление RS контролирует высвобождение в толстой кишке[36] |
| Lipid-matrix microencapsulation | Липидная матрица защищает SCFAs от переваривания в проксимальных отделах и обеспечивает направленное высвобождение в нижних отделах GI-тракта[22] | Микрокапсулирование применяется для снижения проксимальной абсорбции и улучшения доставки в толстую кишку[28] | Может уменьшить запах/вкус и улучшить технологические свойства в зависимости от структуры[7, 24] | Обзор по микрокапсулированному SB[7]; исследование MS-SB у цыплят[28] |
| Protected beads (multiparticulate) | Инкапсулирование / структура защищенных пеллет замедляет растворение | Защищенные пеллеты с кальцием [1-(14)C]butyrate высвобождали 3.4% в желудочный сок через 2 ч[37]; задержка пика (14)CO2 in vivo до 4 ч по сравнению с 1.5 ч для незащищенной формы[38] | Не оценивалось напрямую | Исследование защищенных пеллет[37, 38] |
| Polymeric butyrate-prodrug micelles | Ковалентная сложная эфирная связь; минимальное высвобождение в желудочном соке; быстрое высвобождение в кишечнике под действием эстераз; разработаны для доставки в нижние отделы GI-тракта[25] | Пренебрежимо малое высвобождение в симулированном желудочном соке; быстрое высвобождение в симулированном кишечном соке с панкреатином[25] | Выраженная маскировка запаха/вкуса за счет полимерной формы[25] | Мицеллы пролекарства бутирата[25] |
Механизмы стимуляции блуждающего нерва
Механистическое обоснование «стимуляции блуждающего нерва под воздействием SCFA» подтверждается сходящимися доказательствами того, что SCFA могут активировать афферентные нейрональные пути и индуцировать последующую центральную активацию. В обзоре широкой перспективы прямо указывается, что помимо влияния на высвобождение кишечных гормонов, SCFA напрямую активируют блуждающий нерв[3], и приводится пример того, что бутират увеличивает частоту импульсации афферентных нейронов блуждающего нерва, передающих сигналы из кишечника в мозг[3]. Далее отмечается, что FFAR3 экспрессируется на афферентах блуждающего нерва, идущих от кишечника, а нокаут вагусного FFAR3 изменяет пищевое поведение и ослабляет подавление аппетита пропионатом[3]. Эти результаты согласуются с другими обзорами, описывающими SCFA как нейроактивные метаболиты, участвующие во взаимодействии между микробиотой, кишечником и мозгом посредством нервных (вагусных), эндокринных (GLP-1/PYY) и иммунных путей[16, 40].
Прямая рецептор-опосредованная афферентная активация
Высокоточные доказательства того, что рецепторы SCFA в толстой кишке могут управлять передачей сигналов по оси кишечник-мозг, получены в ходе хемогенетических/физиологических исследований. В одном из таких исследований сообщается, что перфузия ткани толстой кишки пропионатом (C3) приводила к заметному увеличению частоты нервной импульсации в препарате ex vivo[10]. В той же работе утверждается, что сенсорные сигналы от проксимального отдела толстой кишки передаются в узловатый ганглий по блуждающему нерву[10], и сообщается, что селективный активатор FFA3 (TUG-1907) повышал нервную активность в тканях дикого типа, но не в тканях с нокаутом FFA3, подтверждая роль FFA3 в повышении активности периферических нервов из проксимального отдела толстой кишки в ответ на SCFA[10]. In vivo введение C3 в прямую/ободочную кишку увеличивало количество c-Fos-положительных нейронов по сравнению с физиологическим раствором, что указывает на последующую активацию центральных путей (маркеров активности спинного мозга), запускаемую активацией рецепторов SCFA в толстой кишке[10]. Авторы резюмируют это как установление и валидацию оси SCFA–кишечник–мозг, в которой активация FFA2/FFA3 в толстой кишке приводит к изменениям активности спинного мозга[10].
Дополнительные данные представлены в родственном анализе, подчеркивающем, что рецепторы короткоцепочечных жирных кислот, активируемые агонистами, вводимыми в толстую кишку, могут активировать афферентные нервные пучки в энтеральной нервной системе и способствовать нейрональной активации на уровне заднего рога спинного мозга[41]. Такие рецептор-специфичные пути усиливают трансляционную логику доставки в толстую кишку: если терапевтической целью является вагусная/центральная модуляция, обеспечение присутствия агонистов в правильном анатомическом просвете для активации рецепторов становится критически важным ограничением при разработке рецептуры[10, 41].
Опосредованная эндокринная передача сигналов через L-клетки
Вторым механистическим путем является эндокринная трансдукция через энтероэндокринные L-клетки, которые, как описывается, преимущественно сконцентрированы в дистальном отделе желудочно-кишечного тракта и высвобождают GLP-1 и PYY в ответ на нутриентные и бактериальные стимулы, включая SCFA[11]. В исследовании сигнальных путей FFAR2 в L-клетках утверждается, что активация FFAR2 на энтероэндокринных L-клетках опосредует секрецию GLP-1 и PYY — гормонов, описываемых как ключевые регуляторы центрального контроля аппетита[11]. В той же статье сообщается, что бутират способствует энтероэндокринной дифференцировке в сторону PYY-направленного фенотипа через пространственно регулируемую ось FFAR2–Gi[42], что подтверждает механизм, посредством которого хроническое или повторное дистальное воздействие бутирата может формировать эндокринный сигнальный потенциал на границе слизистой оболочки[42].
Механистические доказательства индуцированной SCFA выработки GLP-1/PYY также получены на моделях изолированной толстой кишки. В изолированной перфузируемой толстой кишке крысы люминальное введение 100 mM бутирата значительно увеличивало секрецию GLP-1 и PYY[43]. Связанный набор данных позволяет предположить, что ацетат и бутират (но не пропионат) увеличивают секрецию GLP-1 в толстой кишке и, в меньшей степени, секрецию PYY после повышения уровня внутриклеточного cAMP, при этом авторы предполагают, что поглощение и внутриклеточный метаболизм влияют на соотношение ATP/ADP и деполяризацию мембраны, приводя к секреции пептидов посредством активации Ca2+-каналов[44]. Хотя эти механистические модели напрямую не измеряют импульсацию блуждающего нерва, они обеспечивают правдоподобный восходящий эндокринный стимул, который может влиять на вагусные пути и центральную регуляцию аппетита при люминальном присутствии SCFA в дистальных отделах кишечника[16, 40].
Серотонин-опосредованная передача сигналов блуждающего нерва
Третий путь включает серотониновую передачу сигналов энтерохромаффинных клеток. В обзоре взаимодействий между блуждающим нервом и серотонином указывается, что SCFA (в основном бутират) в просвете кишечника стимулируют экспрессию Tph1 в энтерохромаффинных клетках, увеличивая выработку серотонина[12]. Далее утверждается, что SCFA модулируют активность блуждающего нерва и экспрессию транспортера серотонина (SERT), укрепляя ось микробиота–кишечник–мозг[12]. Важно отметить, что высвобождаемый 5-HT активирует 5-HT3-рецепторы на афферентных волокнах блуждающего нерва, и эти сигналы передаются через узловатый ганглий и обрабатываются в ядре одиночного тракта (NTS), распространяясь на другие области мозга[12]. Эта концепция предлагает четкий механизм, посредством которого дистальное воздействие SCFA может косвенно влиять на передачу вагусных сигналов через высвобождение медиаторов слизистой оболочки, а не требовать прямого доступа SCFA к вагусным терминалям[12].
Доказательства необходимости интактных путей блуждающего нерва
Исследования интервенций in vivo дополнительно подтверждают зависимость эффектов бутирата от блуждающего нерва. В исследовании на мышах сообщается, что острое пероральное (но не внутривенное) введение бутирата снижало потребление пищи и маркеры нейрональной активности в NTS и дорсальном вагусном комплексе, а после поддиафрагмальной ваготомии бутират не приводил к снижению кумулятивного потребления пищи, что указывает на необходимость нейронной цепи кишечник-мозг для проявления благоприятного воздействия бутирата на насыщение и активацию бурой жировой ткани[45]. В контексте другой органной системы исследование ишемии/реперфузии миокарда у крыс показывает, что пероральный бутират может оказывать эффекты через нейронные механизмы оси кишечник-мозг, которые зависят от передачи сигналов афферентного блуждающего нерва, и что эти защитные эффекты ослаблялись поддиафрагмальной ваготомией[46]. Хотя эти модели не тестируют непосредственно лекарственные формы с направленным высвобождением в толстой кишке, они подкрепляют гипотезу проектирования: достижение стабильного воздействия в просвете кишечника в правильном анатомическом отделе может быть обязательным условием для вовлечения вагус-зависимой системной физиологии[45, 46].
Интероцепция микробных метаболитов через тонкую кишку
Хотя основная гипотеза здесь подчеркивает таргетную доставку в толстую кишку, данные также указывают на то, что воздействие SCFA в тонкой кишке может модулировать активность блуждающего нерва рецептор-зависимым образом. В исследовании микробных метаболитов в просвете тонкой кишки сообщается, что перфузия микробиом-зависимых SCFA в тонкую кишку приводила к более медленному началу и постепенному увеличению активности афферентных волокон блуждающего нерва[47]. Далее сообщается, что предварительная и совместная перфузия антагониста FFAR2 предотвращала индуцированное SCFA повышение активности афферентных волокон блуждающего нерва[47], а перфузия микробных метаболитов увеличивала нейрональную экспрессию cFos в NTS до уровней, аналогичных перфузии сахарозы[47]. В связанном отчете предполагается, что латентный период может отражать различия в скорости всасывания или косвенную передачу сигналов через ненейрональные медиаторы[48]. Эти результаты подразумевают, что доставки в дистальный отдел подвздошной кишки (а не только в толстую кишку) может быть достаточно для достижения определенных вагусных эффектов, но точный выбор места доставки по-прежнему имеет значение и может требовать разработки рецептур, настроенных на предотвращение желудочного/проксимального высвобождения при обеспечении воздействия в дистальном отделе тонкой кишки[47, 48].
Трансляционные и клинические данные
Клинические и трансляционные данные в представленном корпусе охватывают три области: (i) исследования фармакокинетики на людях, демонстрирующие быстрое появление незащищенных SCFAs в системном кровотоке, (ii) контролируемые или обсервационные клинические исследования с использованием микрокапсулированных препаратов бутирата при заболеваниях кишечника и (iii) коммерческие заявления, отражающие реальные стратегии применения продуктов.
Фармакокинетика у человека и влияние лекарственной формы
Исследование применения пищевых добавок у человека показало, что профили концентрации в сыворотке крови для перорально принимаемых SCFAs быстро достигали пика (пиковые концентрации в системном кровотоке достигались через 30–60 минут после приема и возвращались к исходному уровню в течение 120 минут)[5]. В нем также сообщается, что капсула с кислотоустойчивой оболочкой вызывала отсроченное и сглаженное изменение концентрации в крови по сравнению с испытанием без использования кислотоустойчивой оболочки, что согласуется с изменением кинетики системной экспозиции при отсроченном высвобождении[5]. Эти результаты предоставляют прямые доказательства того, что «кишечнорастворимая» защита может модулировать время и величину системной экспозиции SCFAs, хотя авторы приходят к выводу, что, когда желаемым результатом является системное всасывание, кислотоустойчивые капсулы не дают явных преимуществ, поскольку отсроченное высвобождение снижает при аналогичной tAUC[5]. Важно отметить, что для настоящей гипотезы (дистальное нейросенсорное восприятие) более низкая и отсроченная системная экспозиция может не быть недостатком, если она отражает улучшенную дистальную просветную доступность, а не снижение общей доставки[5, 7].
Отдельное рандомизированное перекрестное исследование на здоровых мужчинах, сравнивавшее бутират натрия, бутират лизина и трибутирин, сообщает о большей системной экспозиции бутирата (AUC0-210 и ) и более низкой для бутирата натрия и лизина по сравнению с трибутирином[26]. Авторы интерпретируют сниженное появление в плазме трибутирина как следствие, вероятно, необходимости ферментативного расщепления, которое задерживает/снижает высвобождение из пролекарства[26]. Вместе эти исследования подтверждают, что стратегия разработки лекарственной формы определяет, проявляется ли бутират в виде быстрого системного импульса или в виде отсроченного, потенциально более дистального профиля экспозиции[5, 26].
Микрокапсулированный бутират натрия при язвенном колите и IBD
Доказательства эффективности микрокапсулированного бутирата натрия при воспалительных заболеваниях кишечника включают как обсервационные, так и рандомизированные контролируемые исследования. В проспективном обсервационном исследовании в фазе ремиссии UC пациентов, получавших пероральный микрокапсулированный бутират натрия (BLM) в качестве дополнительной терапии (две капсулы в день в течение 12 месяцев по 500 мг каждая), сравнивали с контрольной группой без изменения терапии[38]. Терапевтический успех через 12 месяцев (частичная шкала Mayo <=2 и фекальный кальпротектин <250 мкг/г) был достигнут у 15/18 (83.3%) в группе BLM по сравнению с 10/21 (47.6%) в контрольной группе[38], с более выраженным субъективным улучшением (SIBDQ + VAS) через 6 и 12 месяцев в группе BLM[38] и снижением уровня фекального кальпротектина с течением времени по сравнению со стабильным уровнем в контрольной группе[38]. Хотя это исследование является обсервационным, оно подтверждает целесообразность долгосрочного применения микрокапсулированных форм с клинически значимыми конечными точками[38].
В отдельном пилотном двойном слепом рандомизированном плацебо-контролируемом исследовании у пациентов с IBD применяли микрокапсулированную форму бутирата натрия (Butyrose® Lsc Microcaps) в дозе 3 капсулы в день (1800 мг/день) в течение 60 дней и использовали группу плацебо, получавшую капсулы с крахмалом, идентичные по цвету, вкусу и размеру[49]. Исследователи сообщают об отсутствии значимых различий в видовом богатстве микробиоты после лечения, но описывают модуляцию состава микробиоты и субъективное улучшение качества жизни по шкале IBDQ в группе бутирата[49]. Они также указывают, что экзогенный бутират может модулировать состав кишечных бактерий, стимулируя рост бутират-продуцирующих родов и родов, продуцирующих SCFA, которые могут вырабатывать больше эндогенного бутирата для восстановления кишечного гомеостаза[49].
В клиническом обзоре бутирата натрия и его микрокапсулированных форм также обобщается, что при IBS шестинедельный прием MSB® значительно снижал интенсивность боли и дискомфорта в животе и улучшал качество жизни по сравнению с плацебо (p < 0.0001)[7]. В том же обзоре отмечается, что 12-недельное исследование адъювантного применения микрокапсулированного SB у детей и подростков с впервые диагностированным IBD не продемонстрировало эффективности[7], что подчеркивает гетерогенность клинических ответов и необходимость соответствия между лекарственной формой, популяцией пациентов и конечными точками[7, 20].
Дивертикулярная болезнь и бутират derivatives
В испанском обзоре сообщается о плацебо-контролируемом исследовании дивертикулеза у 73 пациентов, в котором одна группа получала 300 мг бутирата натрия, при этом была выявлена значимая разница в частоте эпизодов дивертикулита через 12 месяцев в пользу группы, принимавшей препарат масляной кислоты; также утверждается, что в этих исследованиях различные формы масляной кислоты хорошо переносились без побочных эффектов[24]. Тот же источник описывает пероральную микрокапсулированную форму трибутирина (BUTYCAPS), разработанную в 2016 году, и характеризует трибутирин как триглицерид, содержащий три молекулы бутирата, действующий как источник масляной кислоты за счет активности липазы, при этом фармакологические клинические исследования указывают на его хорошую переносимость[24]. В нем также отмечается, что микрокапсулирование позволяет превратить трибутирин в гранулят, обеспечивающий прием один раз в день и повышающий приверженность лечению[24].
Метаболические и связанные с мозгом трансляционные сигналы
Доказательства того, что пероральный бутират может влиять на связанные с мозгом конечные точки, существуют на моделях мелких и крупных животных, хотя и не обязательно при доставке в кишечнорастворимой оболочке. У свиней хроническое потребление бутирата натрия изменяло базальный метаболизм глюкозы в головном мозге в прилежащем ядре (nucleus accumbens) и гиппокампе, увеличивало объем гранулярного клеточного слоя гиппокампа и повышало маркеры нейрогенеза, оказывая при этом ограниченное влияние на анатомию и функцию кишечника[2]. В том же исследовании авторы сообщают об отсутствии краткосрочного эффекта на уровень кишечных гормонов в плазме (PYY, GLP-1) и предположили, что бутират мог всасываться на уровне желудка, что препятствовало значимому повышению уровня GLP-1[2]. Эта интерпретация снова свидетельствует в пользу лекарственных форм с дистально-направленным высвобождением, когда механизм действия предполагает эндокринную сигнализацию L-клеток или вовлечение афферентных волокон блуждающего нерва, берущих начало дистально[2, 11].
Коммерческий и прикладной контекст разработки лекарственных форм
В описании исследования на крысах, проиндексированном в PubMed, сообщается, что высокодозированные пеллеты бутирата (90%) были приготовлены с pH-зависимым покрытием (Eudragit L+S 1:1), выбранным на основе значений pH in vivo и времени транзита, предназначенным для доставки в ободочную кишку с устойчивостью около 6 часов; результаты не показали раннего всасывания бутирата, хотя была отмечена вероятная потеря в слепой кишке из-за времени пребывания в ней и благоприятного pH для гидролиза оболочки[50]. На ориентированной на клиническое применение странице продукта Natural Factors указано «доступно в мягких желатиновых капсулах с кишечнорастворимой оболочкой для целевой доставки в ободочную кишку» и перечислены ингредиенты кишечнорастворимой мягкой капсулы, включая пектин и альгинат натрия, что отражает коммерчески используемую стратегию защиты в кишечнике для пероральной доставки бутирата[51].
Интернет-источники также описывают микрокапсулирование как решение проблемы органолептического барьера бутирата. В одной статье отмечается, что резкий запах и едкий вкус масляной кислоты делают ее неприятной для употребления, позиционируя это как ключевую проблему приверженности к приему добавок, и описывается запатентованный метод микрокапсулирования, который «запирает» молекулы в носителе для защиты их целостности во время прохождения через желудок и высвобождения в желаемой точке кишечника[52]. В другом отраслевом блоге утверждается, что чистый бутират натрия имеет крайне неприятный запах, и что микрокапсулирование/покрытие липидной или полимерной матрицей может физически удерживать летучие соединения, позволяя получить практически не имеющий запаха материал с покрытием[53]. Хотя эти источники не являются контролируемыми исследованиями, они подтверждают практическую необходимость маскировки запаха и направленного высвобождения для продуктов потребительского сегмента[53].
Заключение
В механистической, препаративной и клинической литературе прослеживается четкая закономерность: терапевтический потенциал бутирата для модуляции оси «кишечник-мозг» зависит от того, достигает ли молекула анатомических областей, способных к передаче нервных сигналов, в частности, дистальных отделов кишечника/ободочной кишки с соответствующими рецепторами, энтероэндокринными популяциями и связью с афферентными волокнами блуждающего нерва[3, 10, 11]. Многочисленные исследования на людях и обзорные источники указывают на то, что свободные добавки SCFA могут приводить к быстрому появлению вещества в системном кровотоке, вероятно, из-за пассивного всасывания в желудке, чему способствует химическая природа SCFA как слабых кислот и неионная диффузия через эпителий желудка[5]. Одновременно с этим прогорклый запах/вкус бутирата остается постоянным препятствием для долгосрочной приверженности терапии и стимулирует разработку защищенных систем доставки[6, 7].
Кишечнорастворимые покрытия и стратегии микрокапсулирования предлагают комплексные решения: полиметакрилатные pH-чувствительные покрытия могут предотвратить высвобождение в желудке и сместить растворение в сторону диапазонов pH подвздошной/ободочной кишки, в то время как комбинированные покрытия способны нивелировать вариабельность pH, которая в противном случае снижает надежность доставки[8, 9, 35]. Микрокапсулирование — будь то с помощью липидных микросфер, полимерных микрокапсул, защищенных гранул, модификации оболочки капсул или полимерных мицелл-пролекарств — позволяет снизить высвобождение в условиях желудка, замедлить всасывание и физически изолировать пахучие вещества для улучшения переносимости[6, 25, 37, 39]. Наконец, исследования оси «кишечник-мозг» обеспечивают механистическое обоснование того, что SCFA могут задействовать вагусные и центральные пути либо напрямую через рецептор-зависимую импульсацию афферентных волокон, либо опосредованно через передачу сигналов с участием GLP-1/PYY и серотонина[10–12].
Трансляционное значение заключается в том, что «кишечно-таргетированные SCFA» следует рассматривать как класс препаративных форм, а не как отдельный ингредиент. Наиболее обоснованной инженерной целью, подтверждаемой приведенными источниками, является проектирование систем доставки, которые остаются неповрежденными в кислых условиях желудка, противостоят преждевременному высвобождению в тонком кишечнике при варьирующем pH и высвобождают бутират в дистальных сегментах, где может происходить рецептор-опосредованная передача сигналов по оси «кишечник-мозг», обеспечивая при этом надежную маскировку запаха и вкуса, достаточную для долгосрочной приверженности терапии[9, 25, 34].
