Метаболизм кишечных газов и его роль в возникновении

116
НАУКОВІ ДИСКУСІЇ
Метаболизм кишечных газов
и его роль в возникновении
гастроинтестинальных симптомов
В.А. Козлов
Кафедра внутренней медицины №1 Национального медицинского университета им. А.А. Богомольца, Киев
Резюме. Патофизиологические механизмы нарушения метаболизма кишечных газов и их значение в возникно-
вении гастроинтестинальных симптомов все еще дискутабельны. Состав газовой смеси отличается в различных
отделах желудочно-кишечного тракта. Основным источником газовой смеси желудка считается воздух, который
попадает при глотании. Газовый состав кишечника в значительной степени определяется физиологией микрофлоры, заселяющей его. Характер питания рассматривается как фактор, в значительной степени определяющий
газообразование. Результаты ряда исследований свидетельствуют о различии микробного состава у здоровых
добровольцев и пациентов с функциональными заболеваниями кишечника. Дальнейшее изучение механизмов
газообразования в кишечнике позволит более эффективно воздействовать на основные патогенетические
механизмы заболевания, приводящие к возникновению симптомов, связанных с газообразованием.
Ключевые слова: кишечные газы, газообразование, метаболизм, функциональные заболевания кишечника.
Введение
Метаболизм кишечных газов представляет собой сложный и строго регулируемый
процесс, включающий продукцию, потребление, выделение и утилизацию газа различными отделами кишечника. Несмотря
на то что интерес к этой гастроэнтерологической проблеме постоянно возрастает,
патофизиологические механизмы нарушения метаболизма кишечных газов и их значение в возникновении гастроинтестинальных симптомов все еще дискутабельны.
На сегодняшний день в англоязычной
литературе все чаще упоминается термин
«симптомы, связанные с газами» (gas-related symptoms). Это понятие подразумевает
наличие у пациента неспецифических жалоб, возникающих вследствие избытка
полостных газов в кишечнике (Chang L.
et al., 2001). К таким симптомам можно отнести вздутие живота, флатуленцию (выделение газов), отрыжку воздухом, ощущение растяжения живота и абдоминальный
дискомфорт. Эти симптомы продолжают
оставаться наиболее частыми проявлениями функциональных заболеваний кишечника, а также некоторых органических поражений желудочно-кишечного тракта
(ЖКТ). Дальнейшее изучение физиологии
и патофизиологии газообразования в кишечнике позволит приблизиться к пониманию механизмов возникновения таких
симптомов, что даст возможность более
эффективно воздействовать на основные
патогенетические механизмы заболевания.
Механизмы образования
кишечных газов
Состав газовой смеси отличается
в различных отделах ЖКТ. Основным источником газовой смеси желудка считается воздух, который попадает при заглатывании как во время приема пищи, так
и отдельно (Azpiroz F. et al., 2007).
Что касается газового состава кишечника, то он в значительной степени определяется физиологией микрофлоры, заселяющей тот или иной сегмент кишечника. Процессы бактериального гидролиза
пищевых ингредиентов и образования
газов наиболее интенсивно протекают
в толстой кишке, поскольку в норме именно там определяется наибольшее количество микроорганизмов (Gasbarrini A. et al.,
2007). Газовая смесь кишечника на более
чем 99% состоит из 5 газов, не обладающих запахом — азота, кислорода, углекислого газа, водорода и метана, содержание
которых варьирует в широких пределах
(таблица) (Lembo T. et al., 1999).
Таблица
Состав кишечных газов, %
Нижняя
Верхняя
Кишечный газ
граница
граница
Азот
11
92
Кислород
0
11
Углекислый газ
3
54
Водород
0
86
Метан
0
56
Другие газы, обладающие запахом,
такие как аммиак, индол, скатол, летучие
амины (путресцин, кадаверин) и короткоцепочечные жирные кислоты присутствуют
только в следовых количествах и составляют не более 1% общей газовой смеси
кишечника (Hahn B. et al., 1998; Lembo T.
et al., 1999). Свободные индол и скатол
образуются в кишечнике вследствие бактериальной ферментации триптофана.
Часть индола всасывается в кровь и метаболизируется печенью с образованием
индоксила и индоксил сульфата. Последний выделяется с мочой в виде калиевой
соли, которая получила название «индикан» (Губський Ю.І., 2000). Аммиак также
образуется из аминокислот под воздействием ферментов кишечной микрофлоры
в результате дезаминирования. Путресцин
и кадаверин образуются микроогранизма-
ми путем декарбоксилирования соответственно орнитина и лизина. Короткоцепочечные жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная, изовалериановая
и др.) являются продуктом деградации
полисахаридов (Binder H.J., 2010).
Долгое время стереотипно считалось,
что именно такие продукты распада аминокислот, как индол и скатол являются первичными компонентами газов с неприятным запахом. Однако в последних исследованиях установлено, что за характерный
запах человеческих фекалий ответственны
компоненты, в состав которых входит
сера — сульфид водорода, диметилсульфид и метантиол (Houghton L.A. et al., 2006).
Такие газы, как водород и метан образуются в кишечнике исключительно
за счет бактериальных метаболических
процессов. Это подтверждается тем, что,
как показано в эксперименте, стерильные
крысы не могут продуцировать ни водород,
ни метан. Аналогично у новорожденных
в первые 12 ч жизни не наблюдается водорода и метана в выдыхаемом воздухе
(Di Stefano M. et al., 2006). Отмечено также,
что у голодающих лиц продукция водорода
обычно низкая, но после употребления
ферментируемых и неперевариваемых
субстратов, преимущественно углеводов,
внутрипросветные бактерии выделяют
существенное его количество (Gasbarrini A.
et al., 2009).
Еще одним механизмом поступления
газов в просвет кишечника может быть их
диффузия из кровяного русла. Поскольку
образование водорода, углекислого газа
и метана может приводить к снижению
парциального давления азота в просвете
до величин, значительно меньших, чем
в крови, то этот газ может диффундировать
из сосудистого русла в просвет кишечника
(Gasbarrini A. et al., 2009).
Утилизация газов ЖКТ осуществляется
за счет таких процессов, как отрыжка, вы-
ÓÊÐ. ÌÅÄ. ×ÀÑÎÏÈÑ, 2 (82) – III/IV 2011 | www.umj.com.ua
НАУКОВІ ДИСКУСІЇ
деление естественным путем, бактериальное потребление и выделение с выдыхаемым воздухом. Последние два механизма
требуют особого внимания. Некоторые
бактерии не выделяют, а наоборот, потребляют газы, ранее образованные в кишечнике. Так, архебактерии (Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae
и другие Methanobacteriales) в процессе
анаэробного дыхания окисляют молекулярный водород с образованием метана,
сульфатредуцирующие бактерии родов
Desulfomaculum, Desulfovibrio, Desulfomonas используют водород из просвета кишечника для формирования конечного
продукта энергетического обмена — сульфида водорода. Ацетогенные бактерии (некоторые виды клостридий) могут
потреблять водород при восстановлении
диоксида углерода с формированием уксусной кислоты (Готтшалк Г., 1982; Климнюк С.І. та ін., 2004). Бактерии рода Campylobacter (в том числе Helicobacter pylori)
содержат мембранные гидрогеназы, что
позволяет им использовать молекулярный
водород в дыхательной цепи для аккумуляции энергии (Olson J.W., Maier R.J., 2002;
Maier R.J., 2005).
Кишечные газы могут быстро сорбироваться в кровь и далее выделяться с выдыхаемым воздухом. Так, абсорбированные водород и метан практически полностью удаляются из крови за один пассаж
через легкие, таким образом, уровень
экскреции этих газов должен быть эквивалентен его абсорбции в кишечнике (Di Stefano M. et al., 2006). Это дает теоретическую основу для проведения водородных
и метановых дыхательных тестов. По характеру изменений концентрации водорода/метана в выдыхаемом воздухе можно
диагностировать такую патологию, как
мальабсорбция углеводов (лактоза, глюкоза, фруктоза, сорбитол и др.), синдром
избыточного бактериального роста (тест
с лактозой, D-ксилозой, глюкозой), а также
оценить состояние моторно-эвакуаторной
активности ЖКТ путем оценки ороцекального транзита (лактулозный водородный
дыхательный тест).
117
ферментами в верхних отделах ЖКТ и, таким образом, становятся доступным субстратом бактериальной ферментации
(Gasbarrini A. et al., 2009), что может приводить к вздутию живота.
Повышенное потребление продуктов
с высоким содержанием так называемых
пищевых волокон (растительная клетчатка,
пектин, рафиноза) также может стать источником повышенного газообразования
даже у здоровых лиц.
Что качается взаимосвязи между избыточным содержанием кишечного газа
и вздутием живота у пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, то
этот вопрос до сих пор остается открытым.
Использование техники отмывания кишечных газов продемонстрировало, что объем
газов у пациентов с синдромом раздраженной кишки (СРК) сходный с таковым у здоровых лиц (Caldarella M.P. et al., 2002).
В то же время некоторые исследования,
основанные на количественном определении кишечных газов при помощи обычной
рентгенографии, доказали повышенное
содержание газов у пациентов с СРК
по сравнению с контролем (Koide A. et al.,
2000). В ряде работ продемонстрировано
значительное повышение экскреции водорода и метана выдыхаемым воздухом у пациентов с СРК по сравнению с контролем
(King T.S. et al., 1998). Хотя в других исследованиях указывается на иные возможные
причины возникновения вздутия живота
у пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, как то: нарушение распределения газов в кишечнике без изменения их объема (Harder H. et al., 2003) и смещение диафрагмы (Accarino A. et al., 2009).
Такая неоднозначность мнений побудила нас к формированию собственного
виденья представленной проблемы. Так,
при обследовании 51 пациента с диагнозом СРК и диареей (Римские критерии ІІІ)
у 21 из них установлен высокий уровень
водорода в выдыхаемом воздухе натощак,
причем выраженность вздутия живота
у таких пациентов имела сильную корреляционную связь с уровнем экскреции
водорода (r=0,81; p<0,001) (рисунок).
Рисунок 1
Механизмы, лежащие в основе вздутия
и растяжения до сих пор полностью не изучены, однако в настоящее время предполагается, что в патогенезе формирования
данных симптомов вовлечено множество
факторов, среди которых повышенное газообразование, уменьшение потребления
внутрипросветного газа, нарушение моторики ЖКТ и выделения газа, висцеральная
гиперчувствительность, нарушение мышечной активности стенки живота. Сейчас хорошо известна зависимость газообразования от характера питания. Так, даже у здоровых лиц некоторые фрукты и овощи
(в частности бобовые и фасоль), пшеничная
мука, овес, картофель и зерновые, содержащие олигосахариды, не перевариваются
5
Âûðàæåííîñòü âçäóòèÿ æèâîòà, áàëëîâ
Роль кишечных газов
в формировании
гастроинтестинальных
симптомов
4
3
2
1
0
Ðàíã 0
5
10
15
20
25
30
Óðîâåíü áàçàëüíîé Ðàíã 6
êîíöåíòðàöèè âîäîðîäà, ppm
35
Зависимость между выраженностью вздутия живота (по 5-балльной шкале) и базальным уровнем водорода в выдыхаемом
воздухе у пациентов с СРК и диареей
(результаты собственных наблюдений)
Показано, что применение нифуроксазида у пациентов с высокой экскрецией
www.umj.com.ua | ÓÊÐ. ÌÅÄ. ×ÀÑÎÏÈÑ, 2 (82) – III/IV 2011
водорода привело к достоверному снижению выраженности вздутия живота
(3,92±0,21 против 1,07±0,27; p<0,001 методом дисперсионного анализа повторных
измерений*). Это подтверждает мнение
о том, что в возникновении симптомов
СРК, в частности вздутия живота, определенную роль могут играть условно патогенные бактерии толстой кишки.
На сегодняшний день связь между
симптомами СРК и нарушением микробиоценоза кишечника обсуждается в литературе достаточно широко (Sawers R.G., 2005;
Spiller R.C., 2007; Thabane M. et al., 2007).
Ряд исследований указывает на различие
микробного состава у здоровых лиц и пациентов с СРК. Наиболее частыми микроорганизмами при этом являются облигатные и факультативные анаэробы: микроаэрофилы рода Campylobacter (C. coli,
C. jejuni, C. lari), факультативные анаэробы — Salmonella, Shigella, Escherichia coli,
Proteus, а также облигатные анаэробы —
Clostridium (Sawers R.G., 2005; Spiller R.C.,
2007; Thabane M. et al., 2007). Вероятнее
всего колонизация этими микроорганизмами является следствием перенесенной
острой кишечной инфекции с последующим формированием хронического бактериального носительства (Готтшалк Г.,
1982). Известно, что при анаэробном метаболизме Escherichia coli, Salmonella, Clostridium в числе конечных продуктов ферментирования субстрата могут образовывать
молекулярный водород (Sawers R.G., 2005;
Марков С.А., 2007; Lin P.Y. et al., 2007). В толстой кишке относительно долгое время
может находиться субстрат для бактериального брожения (крахмал, целлюлоза, полисахариды кишечной слизи). Многие кишечные бактерии могут синтезировать
экстрацеллюлярные ферменты-гидролазы
(целлюлаза, пектиназа и др.), которые катализируют расщепление полисахаридов
с образованием простых сахаров, являющихся субстратом для дальнейшего образования газообразного водорода в процессе анаэробного окисления (McBee R.H.,
1948; Englyst H.N. et al., 1987; Demain A.L.
et al., 2005).
Следовательно, у части пациентов
с нарушением нормального качественного
микробного состава толстой кишки возможно повышение базального уровня водорода выдыхаемого воздуха, что и демонстрируют наши данные.
У пациентов с дисахаридазной недостаточностью (непереносимость лактозы,
фруктозы, сорбитола) возможно повышенное газообразование вследствие того,
что в толстую кишку попадают неадсорбированные в тонкой кишке моно- и дисахариды, которые являются субстратом
для бактериальной ферментации с последующим образованием конечных газообразных продуктов. Поэтому исключение
продуктов, содержащих непереносимые
углеводы, может быть эффективным терапевтическим воздействием.
*Данные представлены в виде средних значений с учетом стандартных отклонений. Распределение признаков — нормальное (тест
Колмогорова — Смирнова).
118
НАУКОВІ ДИСКУСІЇ
Выводы
Вздутие живота, флатуленция, ощущение растяжения живота являются довольно
частыми симптомами при функциональных
заболеваниях кишечника, которые в значительной степени влияют на качество
жизни пациентов. Изучение механизма
образования кишечных газов дает ключ
к пониманию возникновения симптомов,
связанных с газообразованием, что,
в свою очередь, может помочь в разработке стратегий лечения. На сегодняшний
день известен ряд причин повышенного
газообразования, среди которых значительную роль играют питание и качественные/количественные нарушения микробиоценоза кишечника.
Диета может быть значимым терапевтическим фактором у пациентов с функциональными заболеваниями кишечника, сопровождаемыми симптомами, связанными
с повышенным газообразованием. Поскольку некоторые фрукты и овощи (в частности бобовые и фасоль, пшеничная мука,
овес, картофель и зерновые) могут быть
хорошим субстратом для бактериальной
ферментации, их следует исключить из рациона. Рекомендуется также ограничение
в рационе простых углеводов (глюкоза,
фруктоза, сорбитол).
Результаты ряда исследований подтверждают различие микробного состава
толстой кишки у здоровых лиц и пациентов
с функциональными заболеваниями кишечника, в частности — преобладание
у последних факультативных и облигатных
анаэробов. Следовательно, применение
кишечных антисептиков у этих больных
может быть эффективным.
Более глубокое понимание патофизиологических механизмов нарушения метаболизма кишечных газов в будущем позволит эффективно влиять на патогенез
функциональных заболеваний кишечника
в целом и на повышенное газообразование
в частности.
Литература
Готтшалк Г. (1982) Метаболизм бактерий
(Пер. с англ.). Мир, Москва, 310 c.
Губський Ю.І. (2000) Біологічна хімія. Укрмедкнига, Київ — Тернопіль, 508 с.
Климнюк С.І., Ситник І.О., Творко М.С.,
Широбоков В.П. (2004) Практична мікробіологія.
Укрмедкнига, Тернопіль, 449 с.
Марков С.А. (2007) Биоводород: возможное
использование водорослей и бактерий для получения молекулярного водорода. Альтернативная
энергетика и экология, 1(45): 30–35.
Accarino A., Perez F., Azpiroz F. et al.
(2009) Abdominal distention Results From caudoventral Redistribution of contents. Gastroenterology,
136(5): 1544–1551.
Azpiroz F., Bouin M., Camilleri M. et al.
(2007) Mechanisms of Hypersensitivity in IBS
And Functional disorders. Neurogastroenterol. Motil.,
19(1 Suppl.): 62–88.
Binder H.J. (2010) Role of colonic shortchain Fatty Acid Transport in diarrhea. Ann. Rev.
Physiol., 72: 297–313.
Caldarella M.P., Serra J., Azpiroz F., Malagelada J.R. (2002) Prokinetic effects in patients with
intestinal gas Retention. Gastroenterology, 122(7):
1748–1755.
Chang L., Lee O.Y., Naliboff B. et al. (2001)
Sensation of Bloating And visible Abdominal distension in patients with irritable Bowel syndrome. Am. J.
Gastroenterol., 96(12): 3341–3347.
Demain A.L., Newcomb M., Wu J.H. (2005)
Cellulase, clostridia, And ethanol. Microbiol.
Mol. Biol. Rev., 69(1): 124–154.
Di Stefano M., Miceli E., Missanelli A. et al.
(2006) Role of colonic Fermentation in The perception
of colonic distention in irritable Bowel syndrome And Functional Bloating. Clin. Gastroenterol.
Hepatol., 4(10): 1242–1247.
Englyst H.N., Hay S., Macfarlane G.T. (1987)
Polysaccharide Breakdown By Mixed populations
of Human Faecal Bacteria. FEMS Microbiology Letters, 45(3): 163–171.
Gasbarrini A., Corazza G.R., Gasbarrini G.
et al. (2009) Methodology And indications of H2breath Testing in gastrointestinal diseases: The Rome
Consensus Conference. Aliment. Pharmacol. Ther.,
29 (Suppl. 1): 1–49.
Gasbarrini A., Lauritano E.C., Gabrielli M.
et al. (2007) Small intestinal Bacterial overgrowth:
diagnosis And Treatment. Dig. Dis., 25(3): 237–240.
Hahn B., Watson M., Yan S. et al. (1998) Irritable Bowel syndrome symptom patterns: Frequency, duration, And severity. Dig. Dis. Sci., 43(12):
2715–2718.
Harder H., Serra J., Azpiroz F. et al. (2003)
Intestinal gas distribution determines Abdominal
symptoms. Gut., 52(12): 1708–1713.
Houghton L.A., Lea R., Agrawal A. et al.
(2006) Relationship of Abdominal Bloating To distention in irritable Bowel syndrome And effect of Bowel Habit. Gastroenterology, 131(4): 1003–1010.
King T.S., Elia M., Hunter J.O. (1998) Abnormal colonic Fermentation in irritable Bowel syndrome. Lancet, 352(9135): 1187–1189.
Koide A., Yamaguchi T., Odaka T. et al.
(2000) Quantitative Analysis of Bowel gas using
plain Abdominal Radiograph in patients with irritable Bowel syndrome. Am. J. Gastroenterol., 95(7):
1735–1741.
Lembo T., Naliboff B., Munakata J. et al.
(1999) Symptoms And visceral perception in patients
with pain-predominant irritable Bowel syndrome. Am.
J. Gastroenterol., 94(5): 1320–1326.
Lin P.Y., Whang L.M., Wu Y.R. et al. (2007) Biological Hydrogen production of The genus Clostridium: Metabolic study And Mathematical Model
simulation. Intern. J. Hydrogen Energy, 32(12):
1728–1735.
Maier R.J. (2005) Use of Molecular Hydrogen As An energy substrate By Human pathogenic Bacteria. Biochem. Soc. Trans., 33(Pt. 1): 83–85.
McBee R.H. (1948) The Culture And Physiology
of A Thermophilic Cellulose-fermenting Bacterium.
J. Bacteriol., 56(5): 653–663.
Olson J.W., Maier R.J. (2002) Molecular Hydrogen As An energy source For Helicobacter pylori.
Science, 298(5599): 1788–1790.
Sawers R.G. (2005) Formate And its Role
in Hydrogen production in Escherichia coli. Biochem.
Soc. Trans., 33(Pt. 1): 42–46.
Spiller R.C. (2007) Role of infection in irritable Bowel syndrome. J. Gastroenterol., 42 (Suppl. 17): 41–47.
Stadtman T.C. (1967) Methane Fermentation. Annu. Rev. Microbiol., 21: 121–142.
Thabane M., Kottachchi D.T., Marshall J.K.
(2007) Systematic Review And Meta-analysis: The
incidence And prognosis of post-infectious irritable Bowel syndrome. Aliment. Pharmacol. Ther.,
26(4): 535–544.
Метаболізм кишкових газів
та його роль у виникненні
гастроінтестинальних
симптомів
В.О. Козлов
Резюме. Патофізіологічні механізми порушення метаболізму кишкових газів та їх
значення у виникненні гастроінтестинальних симптомів все ще дискутабельні. Склад
газової суміші відрізняється в різних відділах шлунково-кишкового тракту. Основним
джерелом газової суміші шлунка вважається повітря, що потрапляє при ковтанні.
Газовий склад кишечнику значною мірою
визначається фізіологією мікрофлори, що
заселяє його. Характер харчування розглядається як фактор, що значною мірою
визначає газоутворення. Результати ряду
досліджень свідчать про відмінність мікробного складу у здорових осіб і пацієнтів
із функціональними захворюваннями кишечнику. Подальше вивчення механізмів
газоутворення в кишечнику дозволить
більш ефективно впливати на основні патогенетичні механізми захворювання, що
призводять до виникнення симптомів,
пов’язаних із газоутворенням.
Ключові слова: кишкові гази, газоутворення, метаболізм, функціональні захворювання кишечнику.
Metabolism of intestinal
gases and its role
in gastrointestinal symptoms
V.A. Kozlov
Summary. Pathophysiological mechanisms
of intestinal gases metabolism and its role
in appearance of gastrointestinal symptoms are still controversial. Gas composition
differs in different parts of the gastrointestinal tract. The main source of stomach gas
is an air ingested during swallowing. Intestinal gas composition is largely determined by
physiology of intestinal microorganisms. Food considered as a factor that
strongly determines the gas production
process. Several studies indicate difference
of microbial composition in healthy volunteers and patients with functional bowel
disease. Further investigations of gas production mechanisms are needed for better
understanding of pathogenetic mechanisms
of gas-related symptoms.
Key words: intestinal gases, gas production
process, metabolism, functional bowel disease.
Адрес для переписки:
Козлов Виктор Александрович
01004, Киев, бульв. Тараса Шевченко, 13
Национальный медицинский
университет им. А.А. Богомольца,
кафедра внутренней медицины № 1
ÓÊÐ. ÌÅÄ. ×ÀÑÎÏÈÑ, 2 (82) – III/IV 2011 | www.umj.com.ua