Enterokohdennettu butyraatin annostelu vagushermon stimulaatioon: Mahanesteessä tapahtuvan hajoamisen ja organoleptisten haasteiden ratkaiseminen

Tiivistelmä

Lyhytketjuiset rasvahapot (SCFAs), erityisesti butyraatti, ovat keskeisiä mikrobimetaboliitteja, joilla on paikallisia epiteelivaikutuksia ja joiden neuroaktiiviset signalointiroolit mikrobiomi-suolisto-aivo-akselilla tunnistetaan yhä laajemmin[1–4]. Vapaiden butyraattisuolojen (esim. natriumbutyraatti) oraalista annostelua rajoittaa kuitenkin kaksi rinnakkaista estettä: (i) ennenaikainen liukeneminen ja imeytyminen ylemmässä ruoansulatuskanavassa – mukaan lukien passiivinen imeytyminen mahalaukussa – mikä vähentää distaalisen suoliston ja paksusuolen sensoristen piirien käytettävissä olevaa osuutta[5–7], ja (ii) organoleptiset haitat (härskiintynyttä voita muistuttava haju ja maku), jotka heikentävät hoitomyöntyvyyttä pitkäaikaisessa käytössä[5–7]. Tämä raportti kokoaa yhteen näyttöä siitä, että pH-responsiiviset enteropolymeeripinnoitteet ja mikroenkapsulointimenetelmät voivat toimia mahdollistavina teknologioina, jotka suojaavat butyraattikuormaa varhaiselta vapautumiselta mahalaukun happamissa olosuhteissa, viivästyttävät proksimaalista imeytymistä ja parantavat valmisteen hyväksyttävyyttä eristämällä fysikaalisesti haihtuvat hajuaineet[7–9]. Lisäksi yhdistämme paksusuoleen tai distaaliseen suolistoon kohdistetun SCFA-altistuksen vagushermostimulaation (VNS) mekanistisiin reitteihin, mukaan lukien SCFA-reseptoririippuvainen afferentti signalointi ja sitä seuraava aivorungon aktivaatio, sekä epäsuora endokriininen transduktio L-solujen GLP-1/PYY- ja enterokromaffiinisolujen serotoniinisignaloinnin kautta[3, 10–12]. Kokonaisuudessaan viitattu kirjallisuus tukee translationaalista teesiä: neurogastroenterologiassa ja suolisto-aivo-terapioissa formulointi – eikä pelkkä molekyylivalinta – ratkaisee sen, pystyykö butyraatti vaikuttamaan distaalisen suoliston reseptoreihin ja vagus-afferentteihin pysyen samalla siedettävänä käytännön käytössä[7, 9].

Johdanto

SCFAs — asetaatti, propionaatti ja butyraatti — muodostuvat sulamattomien hiilihydraattien / ravintokuidun bakteerifermentaation seurauksena ruoansulatuskanavan alaosassa, ja ne kuuluvat paksusuolen runsaslukuisimpiin mikrobimetaboliitteihin[1, 13]. Useat katsaukset kuvaavat SCFAs-yhdisteet merkittäväksi viestintäväyläksi suoliston ja aivojen välillä (suoli-aivo-akseli), joka toimii hermostollisten, endokriinisten, immunologisten ja metabolisten reittien kautta[14–16]. Ihmisillä asetaattia, propionaattia ja butyraattia kuvaillaan usein paksusuolen vallitseviksi SCFAs-yhdisteiksi, ja niiden ilmoitetaan esiintyvän noin 60:20:20 molaarisessa suhteessa[13, 16].

Butyraatilla on erityisasema tässä kolmikossa, sillä sitä kuvaillaan toistuvasti kolonosyyttien ensisijaiseksi energianlähteeksi sekä tärkeäksi tekijäksi epiteelin eheyden ja tulehduksen hallinnan kannalta[2, 17, 18]. Mekanistisesti SCFAs ovat GPCRs:n ligandeja, mukaan lukien FFAR2 (GPR43) ja FFAR3 (GPR41), sekä sukulaisreseptoreille, kuten GPR109a/HCAR2, joita esiintyy suolisto-, immuuni- ja hermokudoksissa[13, 19, 20]. Lisäksi SCFAs-yhdisteet aiheuttavat solunsisäisiä vaikutuksia estämällä histonideasetylaaseja (HDACs), ja butyraattia kuvaillaan usein erityisen tehokkaaksi HDAC-inhibiittoriksi SCFAs-yhdisteiden joukossa[15, 21].

Formulaatio-ongelma johtuu siitä, että asiaankuuluvat biologiset kohteet (paksusuolen epiteeli, distaalisesti rikastuneet enteroendokriiniset L-solut ja viskeraalisia signaaleja välittävät vagaaliset afferentit hermopäätteet) sijaitsevat pääosin distaalisesti, kun taas vapaat butyraattisuolat saattavat liueta varhaisessa vaiheessa ja siirtyä nopeasti perifeeriseen vereen nauttimisen jälkeen[5, 11]. Tämän vuoksi sama molekyyli voi saada aikaan erilaista fysiologiaa riippuen siitä, annostellaanko se proksimaalisena, systeemisesti imeytyvänä pulssina vai viivästyneenä, distaalisena luminaalisena signaalina, joka aktivoi limakalvon ja hermoston sensorisia elementtejä[5, 22, 23]. Tämä raportti keskittyy siksi enteropäällystys- ja mikrokapselointiteknologioihin, joiden tavoitteena on muuttaa butyraatin vapautumispaikkaa ja -kinetiikkaa samalla kun ratkaistaan sen hajuun ja makuun liittyvät haasteet[7, 24, 25].

Farmakologia ja farmakokinetiikka

Butyrate on nelihiilinen SCFA, jota tuotetaan paksusuolessa ja jota pidetään toistuvasti ratkaisevan tärkeänä suoliston terveydelle ja laajemmille systeemisille toiminnoille, kuten aineenvaihdunnalle ja immuunijärjestelmän modulaatiolle[2, 26]. Useat lähteet korostavat, että paksusuolen epiteelisolut ottavat butyrate-yhdistettä laajasti vastaan ja käyttävät sitä energiasubstraattina, mikä tukee mitokondrioiden oksidatiivista aineenvaihduntaa ja ATP-tuotantoa kolonosyyteissä[18, 26]. Klassinen ex vivo -näyttö, joka on tiivistetty kolonosyyttien aineenvaihduntaa käsittelevässä katsauksessa, osoittaa, että kolonosyyttisuspensioissa, joille annettiin 10 mM butyrate-yhdistettä, >70% hapenkulutuksesta johtui butyrate-oksidaatiosta[17], mikä on linjassa sen kanssa, että butyrate-yhdisteellä kuvataan olevan hallitseva rooli oksidatiivisena polttoaineena paksusuolen epiteelissä[2, 17]. Toisessa synteesissä todetaan, että 80–95% bakteerien tuottamista SCFA:ista imeytyy paksusuolesta, jolloin ulosteeseen jää vain minimaalisia pitoisuuksia[17].

Molekyylitason ominaisuudet ja imeytymismekanismi

Butyrate-yhdisteen keskeinen fysikaalis-kemiallinen ominaisuus on sen heikko happoluonne ja raportoitu sekä pääasiallinen dissosioituminen fysiologisessa paksusuolen pH-arvossa (5.0–6.5)[20]. Solutason sisäänoton kuvataan tapahtuvan sekä passiivisen ei-ionisen diffuusion että kantajavälitteisten reittien kautta[26]. Butyrate-yhdisteelle ja muille SCFA:ille mainittuja erityisiä kuljetusproteiineja ovat protonisidonnaiset monokarboksylaattikuljettajat (esim. MCT1/SLC16A1) ja natriumsidonnaiset monokarboksylaattikuljettajat (esim. SMCT1/SLC5A8)[20, 27]. Myös muilla kuljetusproteiiniperheillä (MCT4/MCT5; Slc16a3/Slc16a4) ja apikaalisella efflux-pumpulla (ABCG2) on osuutensa butyrate-yhdisteen ja muiden monokarboksylaattien käsittelyssä suolen epiteelissä[27].

Ensimmäisen kierron hyödyntäminen ja systeeminen esiintyminen

Toistuva farmakokineettinen teema on butyrate-yhdisteen nopea hyödyntäminen suoli-maksa-akselilla. Eräässä ihmisillä tehdyssä butyrate-valmisteiden vertailussa todetaan, että imeytynyt butyrate metaboloituu suolen epiteelisoluissa (muuntuen acetyl-CoA:ksi ja siirtyen Krebsin sykliin ATP-tuotantoa varten), ja vain ~2% päätyy porttilaskimoverenkiertoon maksaan, jossa se metaboloituu edelleen[26]. Sioilla tehty tutkimus osoittaa samalla tavalla, että butyrate voi imeytyä suolistosta ja metaboloitua kokonaan suolen limakalvolla tai maksassa, mikä tekee sen systeemisestä havaitsemisesta vaikeaa[2]. Yhdessä nämä havainnot viittaavat siihen, että systeemiset mittaukset saattavat aliarvioida luminaalista altistusta ja epiteelin metaboliaa, erityisesti silloin, kun vapautuminen kohdistetaan distaalisesti proksimaalisen sijaan[2, 26].

Reseptori- ja epigeneettinen farmakologia

Butyrate-signalointi ei rajoitu pelkästään energiametaboliaan. Useat lähteet kuvaavat butyrate-yhdisteen olevan GPCRs-ligandi ja HDAC-estäjä, joka moduloi geenien ilmentymistä ja tulehdusta[2, 21]. Butyrate-yhdisteen kuvataan myös kykenevän ylösreguloimaan epigeneettisesti μ-opioidireseptoria ihmisillä tehdyssä ylipainoa/lihavuutta koskevassa tutkimusartikkelissa, jossa pohditaan mekanistisia hypoteeseja[21]. Mekanistisessa paksusuolen syöpää käsittelevässä tutkimuksessa tarkennetaan edelleen, että SCFA:t – mukaan lukien butyrate – aktivoivat FFAR2-reseptorin, joka kytkeytyy Gi-proteiiniin estääkseen cAMP-signalointia ja Gq-proteiiniin edistääkseen kalsiumin mobilisaatiota, mikä johtaa myöhempiin vähennyksiin cAMP–PKA–CREB-signaloinnissa ja vaikutuksiin HDAC-ilmentymisessä; siinä todetaan myös, että SCFA:t estävät luokan I ja luokan IIa HDAC-entsyymejä[19]. Nämä mekanistiset mallit tukevat sitä mahdollisuutta, että butyrate voi toimia sekä metaboliittina että signalointimolekyylinä, millä on myöhempiä seurauksia hermostollisille ja immuunijärjestelmän reiteille, joilla on osuutta suoli-aivo-akselin modulaatiossa[3, 12].

Formulaatiosta riippuvainen farmakokineettinen käyttäytyminen

Koska vapaat butyrate-suolat saattavat imeytyä varhain, useat tutkimuslinjat korostavat prodrug-muodon tai suojatun annostelun merkitystä. Ihmisillä tehty butyrate-valmisteiden vertailututkimus raportoi, että tributyrin-yhdisteen (butyrate-triglyseridiprodrug) esiintyminen plasmassa oli merkitsevästi vähäisempää kuin sodium butyrate- ja lysine butyrate -yhdisteiden, mikä todennäköisesti johtuu entsymaattisen pilkkoutumisen vaatimuksista, jotka viivästyttävät tai vähentävät vapautumista tributyrin-yhdisteestä[26]. Rinnakkain tässä, ihmisillä tehty ylipainoa/lihavuutta käsittelevä crossover-tutkimus, jossa käytettiin butyrate- ja hexanoate-rikastettuja triglyseridejä, tarjoaa in vitro -ruoansulatusnäyttöä siitä, että SCFA:iden esteröinti tiettyihin triglyseridimuotoihin voi merkittävästi vähentää vapautumista mahassa (esim. ~14% vapautuminen mahalaukussa ja ~86% säilyminen esteröitynä yhdessä formulaatiossa)[21], vaikka vaihtoehtoiset triglyseridiseokset saattavat läpikäydä huomattavaa pilkkoutumista mahassa, jolloin suurin osa hapoista vapautuu vapaassa muodossa mahalaukusta[21]. Nämä vastakkaiset tulokset osoittavat, etteivät kaikki ”prodrug”- tai esteröintistrategiat ole samanarvoisia proksimaalisen vapautumisen viivästyttämisessä, ja että formulaation kemia ja entsymologia säätelevät sitä, missä bioaktiivinen butyrate vapautuu[21].

Mahalaukun degradaatio ja ennenaikainen imeytyminen

Keskeinen este paksusuoleen kohdentamiselle on se, että suojaamattomat SCFA-yhdisteet voivat ilmaantua nopeasti ääreisvereen suun kautta tapahtuvan annostelun jälkeen. Seerumin SCFA-profiileja käsittelevässä ihmisillä tehdyssä lisäravinnetutkimuksessa todetaan, että verenkierrossa olevien SCFA-pitoisuuksien nopea nousu selittyy todennäköisesti passiivisella imeytymisellä mahalaukusta[5]. Saman lähteen mukaan kapselin sisältö päätyi todennäköisesti mahalaukun nesteeseen noin ~30 minuutin kuluessa annostelusta, perustuen arvioituun mahalaukun läpikulkuaikaan ja kapselin koostumukseen[5]. Siinä todetaan myös, että koska SCFA-yhdisteillä on , suurin osa nieldyistä SCFA-molekyyleistä olisi assosioituneessa (ionittomassa), lipidiliukoisessa muodossa, joka kykenee läpäisemään mahalaukun epiteelin[5]. Tämä nopean hajoamisen/altistumisen ja suotuisan ionittoman diffuusion yhdistelmä tarjoaa mekanistisen perusteen sille, miksi välittömästi vapautuva SCFA-annostelu ei välttämättä tuota merkittävää luminaalista signaalia distaaliseen ohutsuoleen tai paksusuoleen[5].

Tämän konseptin mukaisesti sodium butyrate -valmisteita ja mikrokapseloituja muotoja käsittelevässä kliinisessä katsauksessa korostetaan, että joidenkin butyric acid -suolavalmisteiden suun kautta tapahtuva annostelu ei toimita asianmukaista määrää paksusuoleen, koska butyrate-anioni imeytyy nopeasti mahalaukussa ja ohutsuolen alkuosissa vapautumisen jälkeen[7]. Toisessa katsauksessa todetaan vastaavasti, että suun kautta otettu butyric acid imeytyy ja metaboloituu erittäin nopeasti ruoansulatuskanavan alkuosassa, ja että lisäravinnemuoto tulisi valita siten, että varmistetaan sen kulkeutuminen suoliston myöhempiin osiin[6]. Hyötyeläinmallissa tutkijat huomauttavat, että suun kautta annettu butyrate imeytyy ja metaboloituu nopeasti koko ruoansulatuskanavassa, mikä rajoittaa sen kulkeutumista suoliston takaosaan[28].

Vagushermoon kohdennetun SCFA-annostelun vaikutukset ovat kaksitahoiset. Ensinnäkin ennenaikainen imeytyminen muuttaa reseptoreihin sitoutumisen anatomista paikkaa: sen sijaan, että aktivoituisivat paksusuolen limakalvon reseptorit ja distaalisesti alkavat enteeriset/vagaaliset verkostot, altistus saattaa keskittyä mahalaukkuun tai ohutsuolen alkuosaan[5, 7]. Toiseksi varhainen imeytyminen voi vaimentaa distaalisen L-cell-stimulaation odotettuja endokriinisiä vasteita; sioilla tehty aivometaboliatutkimus viittaa nimenomaisesti siihen, että butyrate ei ehkä koskaan saavuttanut L-cell-soluja, vaan imeytyi sen sijaan mahalaukun tasolla, mikä saattaa selittää plasman GLP-1-pitoisuuden nousun puuttumisen[2]. Nämä havainnot tukevat formulaatioteesiä, jonka mukaan butyrate-yhdisteen suojaaminen varhaiselta vapautumiselta on välttämätöntä distaalisten suolisto-aivo-signalointimekanismien testaamiseksi – ja mahdollisesti hyödyntämiseksi[2, 7].

Organoleptinen epäonnistuminen

Butyraatin sensorista profiilia kuvaillaan johdonmukaisesti käytännön esteeksi krooniselle suun kautta tapahtuvalle käytölle. Lihavuutta, IBD:tä, raskautta ja paksusuolen syöpää käsittelevässä katsauksessa todetaan, että voihappo on öljymäinen neste, jolla on eltaantuneen voin epämiellyttävä haju, kun taas natriumbutyraatilla on miedompi haju ja parempi stabiilius, mutta se on edelleen organoleptisesti haastava[6]. Natriumbutyraattiin keskittyvässä kliinisessä katsauksessa korostetaan, että epämiellyttävä maku ja eltaantuneen voin haju tekevät suojatuista muodoista välttämättömiä siedettävyyden ja potilaan hoitomyöntyvyyden parantamiseksi[7]. Ihmisillä tehdyssä SCFA-lisäravinnetutkimuksessa osallistujat raportoivat lievästi epämiellyttävästä mausta ja hajusta, jotka liittyivät erityisesti butyraattilisäaineisiin, ja käytetty suuri kapselikoko oli useimmille osallistujille lievästi tai kohtalaisen epämukava niellä[5]. Farmakokineettisessä vertailututkimuksessa huomioidaan samoin käytännön huolet siitä, että jotkut butyraattilisät aiheuttavat epämiellyttävää hajua ja makua, mikä asettaa haasteita hoitoon sitoutumiselle suun kautta otettaessa[26].

Hajun ja maun peittäminen ei siksi ole kosmeettinen seikka, vaan välttämätön edellytys riittävän altistuksen saavuttamiseksi kroonisissa hoito-ohjelmissa. Polymeeristen misellien prodrug-tutkimus korostaa tämän ongelman sitkeyttä toteamalla, että butyraatilla on enteropäällystyksestä tai kapseloinnista huolimatta vastenmielinen ja kestävä haju ja maku[25], samalla kun siinä raportoidaan heidän polymeeriformulaatioidensa peittävän hajun ja maun ja toimivan kantajina, jotka vapauttavat butyraattia vähitellen GI-kanavan läpikulun aikana[25]. Tributyriinin (butyraatin lähde) mikrokapselointistrategioissa viitataan vastaavasti tarpeeseen lieventää epämiellyttäviä sensorisia ominaisuuksia ja haitallisia hajutekijöitä keskeisinä tekijöinä kapselointitutkimuksessa ja prosessoinnin optimoinnissa[29, 30]. Kokonaisuudessaan nämä lähteet osoittavat, että potilaiden hyväksyttävyyteen ja valmistettavuuteen liittyvät näkökohdat kytkeytyvät rakenteellisesti farmakokinetiikkaan: formulaatiot, jotka vähentävät haihtuvuutta ja sensorista havaitsemista, voivat myös vähentää ennenaikaista vapautumista ja siirtää vapautumisen distaalisemmaksi[7, 24].

Enteropinnoitusteknologia

Entero- ja paksusuoleen kohdennetuilla pinnoitteilla pyritään hyödyntämään ruoansulatuskanavan eri osien välisiä pH-eroja. Paksusuoleen kohdennettujen lääkeainevalmisteiden enteropinnoitusta käsittelevässä uusimmassa katsauksessa todetaan, että polymetakrylaatteja, joiden pH-riippuvainen liukenemiskynnys on välillä pH 6.0–7.0, käytetään pääasiallisina pinnoiteaineina suojaamaan lääkeytimiä mahan ja ohutsuolen sisällöltä, ja siinä viitataan yleisinä tuotemerkkeinä valmisteisiin Eudragit® S, Eudragit® L ja Eudragit® FS[9]. Toisessa paksusuoleen kohdennettuja suun kautta otettavia lääkeannostelujärjestelmiä käsittelevässä katsauksessa selitetään, että lääkeaineiden sisällyttäminen pH-herkkiin polymeereihin voi suojata vaikuttavia aineita mahan ja proksimaalisen ohutsuolen happamilta olosuhteilta, jolloin polymeerit hajoavat terminaalisen ileumin emäksisemmässä pH-ympäristössä mahdollistaen lääkeaineen kohdennetun vapautumisen paksusuolessa[31]. Siinä todetaan myös, että metakryylihappopohjaisia polymeerejä (Eudragit®) ja polymetakrylaattipinnoitteita, kuten Eudragit® L ja Eudragit® S, käytetään usein ja niitä voidaan sekoittaa eri suhteissa liukenemisen optimoimiseksi[31].

Polymeeriesimerkit ja liukenemiskynnykset

Aineistonäyttö tukee seuraavia polymeerikohtaisia väittämiä. Ensinnäkin Eudragit S100 -valmistetta kuvataan metakryylihapon ja metyylimetakrylaatin anioniseksi kopolymeeriksi, jonka vapaiden karboksyyliryhmien suhde esteriryhmiin on noin 1:2 ja jonka liukenemiskynnyksen pH on hieman yli 7.2[8]. Paksusuoleen kohdennetussa mesalamine-mikropallotutkimuksessa mikropallot pinnoitettiin Eudragit S100 -valmisteella lääkeaineen vatsassa tapahtuvan vapautumisen estämiseksi[8], eikä formulaatiosta vapautunut lääkeainetta simuloidussa mahanesteessä, vapautuminen simuloidussa suolinesteessä oli merkityksetöntä ja vapautuminen oli maksimaalista paksusuoliympäristössä[8]. Toiseksi liposomaalisessa annostelussa paksusuoleen ES100-pinnoitteen (Eudragit S100) liukoisuuskynnyksen kuvataan olevan pH 7, mikä tekee siitä liukenemattoman mahan ja yläohutsuolen alhaisemmissa pH-arvoissa, mutta mahdollistaa vapautumisen ohutsuolen ja paksusuolen rajapinnassa, jossa pH on 7[32]. Kolmanneksi laajemmassa pH-responsiivisia polymeerejä käsittelevässä katsauksessa todetaan, että mahahappo ei vaikuta polymeeripinnoitteisiin, mutta ne ionisoituvat ja hajoavat tietyn pH-kynnyksen yläpuolella, ja että polymeerien liukoisuus on alhainen happamissa ympäristöissä mutta kasvaa pH:n noustessa[33].

GI-kanavan pH-vaihtelu ja paksusuoleen kohdentamisen rajoitukset

Yksi merkittävä käytännön rajoitus on yksilöiden välinen ja alueellinen GI-kanavan pH-vaihtelu. Enteropinnoitusta käsittelevässä uusimmassa katsauksessa raportoidaan, että terveiden koehenkilöiden oikeassa paksusuolessa havaittiin happamia pH-arvoja radiotelemetriatutkimuksessa[9], ja pH:n alenemisen katsotaan johtuvan lyhytketjuisten rasvahappojen kertymisestä cecumissa ja proksimaalisessa paksusuolessa bakteerien käymistoiminnan seurauksena[9]. Tämä liittyy suoraan SCFA-annosteluun, sillä hyötykuorma (butyrate ja muut SCFA-yhdisteet) voi itse myötävaikuttaa paikallisiin pH-muutoksiin, mikä saattaa muuttaa enteropolymeerin liukenemisdynamiikkaa ja mahdollisesti vapautumispaikkaa[9]. Samassa katsauksessa todetaan, että pH-riippuvaisten formulaatioiden luotettavuus on toistuvasti kyseenalaistettu viime vuosikymmeninä[9].

Aikaan perustuvaa paksusuoleen annostelua käsittelevässä katsauksessa todetaan vastaavasti, että pH-riippuvaiset formulaatiot, jotka perustuvat asteittaiseen pH:n nousuun mahasta paksusuoleen, kohtasivat epäjohdonmukaisuutta, koska pH voi nousta ileumissa yli arvon 7, mitä seuraa jyrkkä lasku noin arvoon 6.4 cecumissa ja hidas aboraalinen nousu sen jälkeen[34]. Nämä tiedot puoltavat hybridilähestymistapoja, joissa pH-laukaisimet yhdistetään aikaan perustuviin tai monikerroksisiin pinnoitteisiin, erityisesti kohdennettaessa lääkeaineita tiettyihin paksusuolen osiin vaihtelevissa fysiologisissa olosuhteissa[9, 34].

Yhdistelmäpinnoitteet vapautumisikkunan laajentamiseksi

Useat lähteet tukevat suoraan metakryylihappokopolymeerien yhdistämistä liukenemisen säätämiseksi tietyssä pH-ikkunassa. Tutkimus, jossa mesalazine-tabletteja pinnoitettiin erilaisilla Eudragit L100- ja Eudragit S100 -yhdistelmillä, osoittaa, että lääkeaineen vapautumista voidaan ohjata muuttamalla L100:S100-suhteita pH-alueella 6.0–7.0 ja että yhdistelmäpinnoitteilla voidaan ratkaista yksilöiden välisen suuren ruoansulatuskanavan pH-vaihtelun ongelma; lisäksi siinä todetaan, että yhdistelmäjärjestelmä on paksusuoleen kohdentamisessa parempi kuin kummankaan polymeerin käyttö yksinään[35]. Eräässä toisessa pellettiformulaatiotutkimuksessa kuvataan pH-riippuvaisten polymeerien (Eudragit S100 ja L100) yhdistämistä aikaan perustuvaan polymeeriin (Eudragit RS) paksusuolessa tapahtuvan vapautumisen hallitsemiseksi eri liukenemisväliaineissa (pH 1.2, 6.5, 6.8, 7.2), ja siinä raportoidaan, että lääkeaineen vapautumista paksusuolessa voitiin hallita lisäämällä Eudragit RS -valmistetta pH-riippuvaisiin polymeereihin[36]. Nämä tutkimukset tarjoavat formulaatiologiikan SCFA-hyötykuormille: laajempi liukenemisprofiili ja aikaviive voivat vähentää ennenaikaista vapautumista ileumissa ja samalla mahdollistaa annostelun paksusuoleen vaihtelevissa pH-olosuhteissa[35, 36].

Mikrokapselointimenetelmät

Mikrokapselointi esitetään useissa lähteissä käytännöllisenä strategiana (i) suojata butyrate ennenaikaiselta vapautumiselta/imeytymiseltä ja (ii) peittää sen haju ja maku. Espanjalaisessa katsauksessa, joka käsittelee butyrate-yhdistettä suolistosairauksissa, todetaan, että mikrokapselointi mahdollistaa tributyrin-yhdisteen huonojen organoleptisten ominaisuuksien voittamisen lisäksi myös sen formuloinnin granulaatiksi, mikä mahdollistaa suun kautta otettavan kerran päivässä tapahtuvan annostelun ja hyvän hoidon toteutumisen[24]. Kliinisessä katsauksessa sodium butyrate -valmisteesta esitetään vastaavasti, että mikrokapselointi voi helpottaa sodium butyrate -yhdisteen hallittua vapautumista ruoansulatuskanavan eri osissa, vapautumisen tapahtuessa pääasiassa distaalisessa ohutsuolessa ja paksusuolessa, ja asemoidaan tämä lähestymistapa nimenomaan ratkaisuksi nopeaan imeytymiseen ja maittavuusrajoituksiin[7]. Toisessa katsauksessa kuvaillaan ”tehokasta menetelmää”, jossa käytetään mikrokapselointia ja kapseloidaan sodium butyrate -molekyylit geelikapseliin asetettuihin lipidimikrohelmiin, ja huomautetaan, että nämä valmisteet on parasta ottaa aterian jälkeen, jolloin haiman lipaasin eritys lisääntyy ja vapauttaa vähitellen butyric acid -happoa mikrohelmistä[6].

Monipartikkelit, helmet ja suojatut ytimet

Jopa ihmiskontekstin ulkopuolella säädellysti vapauttavat helmet tarjoavat suoraa näyttöä siitä, että suojatut järjestelmät voivat vastustaa mahalaukun olosuhteita. Calcium [1-(14)C]butyrate -yhdisteellä tehdyssä in vitro/in vivo -tutkimuksessa raportoidaan, että suojatut helmet vapauttivat vain 3.4 ± 0.2% radioaktiivista hiiltä mahalauksen nesteeseen 2 tunnin inkubaation jälkeen, ja että mahalaukusta suolistoon -simulaatiosarjan jälkeen kokonaisvapautuminen oli 17.4 ± 0.8%[37]. In vivo hengityksen (14)CO2-vapautuminen saavutti huippunsa 1.5 tunnin kohdalla suojaamattomalla butyrate-muodolla, mutta 4 tunnin kohdalla suojatuilla helmillä, mikä viittaa viivästyneeseen imeytymiseen/oksidaatioon, mikä on linjassa pitkittyneen suolistoon kohdistuvan kuljetuksen kanssa[38]. Vaikka tässä mallissa käytetään broileripoikasia, se tarjoaa mekanistista tukea sille, että päällystys/suojaus voi siirtää butyrate-yhdisteen saatavuuden ajoitusta eteenpäin ruoansulatuskanavassa[38].

Lipidimatriisit ja polymeeripäällysteiset mikrokapselit

Lipidimatriiseihin viitataan yleisesti suojamuureina. Ruokavalion aiheuttamaa lihavuutta käsittelevässä rottatutkimuksessa todetaan, että mikrokapselointi lipidimatriiseihin kehitettiin suojaamaan SCFA-yhdisteitä proksimaaliselta suoliston sulatukselta ja kohdentamaan vapautuminen paksusuoleen[22], asettaen mikrokapseloidut tuotteet, joiden odotetaan vapauttavan SCFA-yhdisteitä hitaasti alemmassa GI-kanavassa, nimenomaan vastakkain kapseloimattoman sodium butyrate -yhdisteen kanssa[22]. Kanan infektiomallissa mikrokapseloidun sodium butyrate -yhdisteen kuvaillaan olevan päällystetty ”enteerisellä polymeerimateriaalilla”, ja se sisältää 40% sodium butyrate -yhdistettä, perusteena se, että enteerisen vapautumisen viivästyttäminen vähentää imeytymistä ohutsuolessa ja tehostaa kulkeutumista paksusuoleen; tutkimuksessa raportoidaan myös paremmasta tehokkuudesta verrattuna kapseloimattomaan sodium butyrate -yhdisteeseen samalla lisäainemäärällä[28].

Polymeeriset aihiolääkemisellit vaihtoehtona perinteisille enteerisille päällysteille

Erillinen, mekanistisesti selkeä lähestymistapa on butyrate-prodrug-polymeeristen misellien käyttö. Tässä strategiassa butyrate on linkitetty misellejä muodostavaan polymeeriketjuun esterisidosten kautta, mikä mahdollistaa hydrolyysin ruoansulatusentsyymien toimesta ja hallitun vapautumisen GI-kanavassa[25]. Kirjoittajat validoivat vapautumisen simuloiduissa mahalaukku- ja suolinesteissä ja raportoivat butyrate-yhdisteen merkityksettömän pienen vapautumisen simuloidussa mahalaukun nesteessä tuntien ajan sekä jatkuvan hitaan vapautumisen viikkojen kuluessa, kun taas simuloidussa suolinesteessä, jossa oli korkea pankreatiiniesteraasipitoisuus, misellit vapauttivat suurimman osan butyrate-yhdisteestään muutamassa minuutissa[25]. He toteavat lisäksi, että butyrate-konjugoidut polymeeriformulaatiot vapauttavat butyrate-yhdistettä alemman GI-kanavan eri osissa, toisin kuin sodium butyrate, joka imeytyy pääasiassa mahalaukussa[25]. Farmakokinetiikan lisäksi he toteavat nimenomaisesti, että polymeeriformulaatiot peittävät butyrate-yhdisteen hajun ja maun ja toimivat kantajina, jotka vapauttavat butyrate-yhdistettä ajan myötä misellien kulkiessa GI-kanavan läpi[25].

Kapselikuorimenetelmät ja viivästetyn vapautumisen järjestelmät

Viivästetty vapautuminen voidaan toteuttaa myös kapselikuoren tai kapseli kapselissa -tasolla. Kohdennetusti vapauttavien kapselien (kehitetty pancreatin-suojaukseen) in vitro -arvioinnissa todetaan, että DRcaps®-kapselit koostuvat HPMC- ja gellan gum -yhdistelmästä ja tukevat viivästettyä vapautumista ohutsuolessa[39]. Samassa tutkimuksessa todetaan, että gellan gum -aineen lisääminen DR-kapseleihin suojaa HPMC-materiaalia hajoamiselta mahan matalan pH-arvon ympäristössä, jolloin ehjät kapselit pääsevät siirtymään suolistoon[39]. Vaikka tässä työssä keskitytään pancreatin-valmisteeseen ja käytetään tributyrin-yhdisteestä tapahtuvaa butyrate-muodostusta aktiivisuuden indikaattorina, se tarjoaa yleistettävää näyttöä siitä, että kapselikuoren materiaalin valinnalla voidaan estää ennenaikainen hajoaminen happamissa mahan olosuhteissa ja siten säilyttää hyötykuorman eheys myöhempiin vaiheisiin saakka[39].

Vertailutaulukko

Alla olevassa taulukossa esitetään yhteenveto toimitetuissa lähteissä kuvatuista suojatuista jakelustrategoista korostaen kohdealuetta, näyttöä mahanesteen kestävyydestä ja vaikutuksia hyväksyttävyyteen.

Vagushermostimulaation mekanismit

Mekaanista perustaa ”SCFA-driven vagal stimulation” -konseptille tukee yhtenevä näyttö siitä, että SCFA-yhdisteet voivat aktivoida afferentteja hermoratoja ja indusoida myötävirran sentraalista aktivaatiota. Laaja-alaisessa katsauksessa todetaan nimenomaisesti, että suolistohormonien vapautumiseen kohdistuvien vaikutusten lisäksi SCFA-yhdisteet aktivoivat suoraan vagushermoa[3], ja siinä esitetään esimerkkinä, että butyrate lisää signaaleja suolistosta aivoihin välittävien vaguksen afferenttien neuronien laukeamistiheyttä[3]. Katsauksessa todetaan edelleen, että FFAR3 ilmentyy suolistosta tulevissa vaguksen afferenteissa ja että vagal-FFAR3 knockout muuttaa syömiskäyttäytymistä ja vaimentaa propionate-välitteistä ruokahalun estymistä[3]. Nämä havainnot ovat linjassa muiden katsausten kanssa, joissa SCFA-yhdisteitä kuvataan neuroaktiivisiksi metaboliiteiksi, jotka osallistuvat microbiota–gut–brain-viestintään neuraalisten (vagaalisten), endokriinisten (GLP-1/PYY) ja immuuniväylien kautta[16, 40].

Suora reseptorisidonnainen afferentti aktivaatio

Korkean resoluution näyttöä siitä, että paksusuolen SCFA-reseptorit voivat ohjata suoli–aivo-signalointia, saadaan kemogeneettisistä/fysiologisista tutkimuksista. Eräässä tällaisessa tutkimuksessa raportoidaan, että paksusuolen kudoksen perfuusio propionate-altistuksella (C3) johti hermojen laukeamistiheyden huomattavaan lisääntymiseen ex vivo -preparaatissa[10]. Samassa työssä todetaan, että sensorinen signalointi proksimaalisesta paksusuolesta välittyy nodose-ganglioihin vagushermon kautta[10], ja raportoidaan, että FFA3-selektiivinen aktivaattori (TUG-1907) lisäsi hermoaktiivisuutta villityypin kudoksessa mutta ei FFA3-knockout-kudoksessa, mikä vahvistaa FFA3:n roolin paksusuolen proksimaalisen osan perifeerisen hermoaktiivisuuden lisäämisessä vasteena SCFA-yhdisteille[10]. In vivo rektaalinen/koloninen C3-altistus lisäsi c-Fos-positiivisten neuronien määrää verrattuna keittosuolaliuokseen, mikä osoittaa paksusuolen SCFA-reseptorin aktivaation käynnistämän sentraalisten ratojen myötävirran aktivaation (selkäytimen aktiivisuusmarkkerit)[10]. Kirjoittajat tiivistävät tämän osoittavan ja validoivan SCFA–gut–brain-akselin, jossa paksusuolen FFA2/FFA3-reseptorien aktivoituminen johtaa muutoksiin selkäytimen aktiivisuudessa[10].

Täydentäviä havaintoja raportoidaan asiaan liittyvässä analyysissä, jossa korostetaan, että paksusuoleen vietyjen agonistien aktivoimat lyhytketjuisten rasvahappojen reseptorit voivat aktivoida enteraalisen hermoston afferentteja hermokimppuja ja edistää neuronaalista aktivaatiota selkäytimen takasarven tasolla[41]. Tällaiset reseptorityyppiset väylät vahvistavat paksusuoleen kohdennetun annostelun translationaalista logiikkaa: jos terapeuttisena tavoitteena on vagaalinen/sentraalinen modulaatio, agonistien läsnäolon varmistaminen oikeassa anatomisessa luumenissa reseptoriaktivaatiota varten muodostuu formulaation kannalta kriittiseksi rajoitteeksi[10, 41].

Epäsuora endokriininen signalointi L-solujen kautta

Toinen mekaaninen reitti on endokriininen transduktio enteroendokriinisten L-solujen kautta. Niiden kuvataan rikastuneen pääasiassa distaaliseen ruoansulatuskanavaan ja vapauttavan GLP-1- ja PYY-hormoneja vasteena ravintoaine- ja bakteeristimuluksille, mukaan lukien SCFA-yhdisteet[11]. L-solujen FFAR2-kytkentöjä käsittelevässä tutkimuksessa todetaan, että enteroendokriinisten L-solujen FFAR2-reseptorin aktivoituminen välittää GLP-1:n ja PYY:n eritystä, joita kuvataan sentraalisen ruokahalun säätelyn avainregulaattoreiksi[11]. Samassa raportissa todetaan, että butyrate edistää enteroendokriinistä erilaistumista kohti PYY-painotteista fenotyyppiä spatiaalisety säädellyn FFAR2–Gi-akselin kautta[42], mikä tukee mekanismia, jolla krooninen tai toistuva distaalinen altistus butyrate-molekyylille voisi muovata endokriinistä signalointikapasiteettia limakalvon rajapinnassa[42].

Mekanistista näyttöä SCFA-indusoidusta GLP-1/PYY-erityksestä on saatu myös eristetyistä paksusuolimalleista. Eristetyssä perfusoidussa rotan paksusuolessa 100 mM butyrate -infuusio luumeniin lisäsi merkittävästi GLP-1:n ja PYY:n eritystä[43]. Eräs toinen aineisto viittaa siihen, että acetate ja butyrate (mutta ei propionate) lisäävät paksusuolen GLP-1-eritystä ja vähemmässä määrin PYY-eritystä solunsisäisen cAMP:n tehostamisen jälkeen; kirjoittajat ehdottavat, että soluunotto ja solunsisäinen metabolia vaikuttavat ATP/ADP-suhteeseen ja solukalvon depolarisaatioon, mikä johtaa peptidin eritykseen Ca2+-kanavien aktivoitumisen kautta[44]. Vaikka nämä mekanistiset mallit eivät suoraan mittaa vagushermon laukeamista, ne tarjoavat uskottavan ylävirran endokriinisen stimuluksen, joka voi vaikuttaa vagusreitteihin ja sentraaliseen ruokahalun säätelyyn, kun SCFA-yhdisteitä on luuminaalisesti distaalisilla suoliston alueilla[16, 40].

Serotoniinivälitteinen vagussignalointi

Kolmas reitti liittyy enterokromaffiinisolujen serotoniinisignalointiin. Vagus–serotoniini-vuorovaikutusta käsittelevässä katsauksessa todetaan, että suolen luumenissa olevat SCFA-yhdisteet (pääasiassa butyrate) stimuloivat Tph1-ilmentymistä enterokromaffiinisoluissa, mikä lisää serotoniinin tuotantoa[12]. Siinä todetaan edelleen, että SCFA-yhdisteet moduloivat vaguksen aktiivisuutta ja serotoniinitransportterin (SERT) ilmentymistä, mikä vahvistaa microbiota–gut–brain-akselia[12]. Tärkeää on, että vapautunut 5-HT aktivoi vagushermon afferenttien kuitujen 5-HT3-reseptoreita ja että signaalit välittyvät nodose-ganglionin kautta ja käsitellään nucleus tractus solitarius (NTS) -tumakkeessa, josta ne leviävät muille aivoalueille[12]. Tämä viitekehys tarjoaa selkeän mekanismin, jolla distaalinen SCFA-altistus voisi vaikuttaa vagussignalointiin epäsuorasti limakalvon välittäjäaineiden vapautumisen kautta sen sijaan, että vaadittaisiin SCFA-yhdisteiden suoraa pääsyä vagushermopäätteisiin[12].

Näyttö intaktien vagusreittien välttämättömyydestä

In vivo -interventiotutkimukset tukevat edelleen butyrate-vaikutusten vagusriippuvuutta. Hiiritutkimuksessa raportoidaan, että akuutti oraalinen (mutta ei suonensisäinen) butyrate vähensi ravinnonottoa ja vähensi neuronaalisen aktiivisuuden markkereita NTS:ssä ja dorsaalisessa vaguskompleksissa, ja että subdiafragmaattisen vagotomian jälkeen butyrate ei onnistunut vähentämään kumulatiivista ravinnonottoa. Tämä osoittaa, että gut–brain-hermopiiri on välttämätön butyrate-molekyylin suotuisille vaikutuksille kylläisyyteen ja ruskean rasvakudoksen aktivaatioon[45]. Toisessa elinjärjestelmäyhteydessä rotilla tehty sydänlihaksen iskemia-reperfuusiotutkimus raportoi, että oraalinen butyrate voi indusoida vaikutuksia gut–brain-hermostollisten mekanismien kautta, jotka ovat riippuvaisia afferentista vagushermosignaloinnista, ja että suojaavat vaikutukset heikkenivät subdiafragmaattisella vagotomia-toimenpiteellä[46]. Vaikka nämä mallit eivät testaa nimenomaisesti paksusuoleen kohdennettuja formulaatioita, ne vahvistavat suunnitteluhypoteesia: johdonmukaisen suolen luumenaltistuksen saavuttaminen oikeassa kohdassa voi olla edellytys vaguksesta riippuvaisen systeemisen fysiologian käynnistämiselle[45, 46].

Mikrobien metaboliittien interoseptio ohutsuolen kautta

Vaikka ensisijainen teesi tässä korostaa paksusuoleen kohdentamista, näyttö osoittaa myös, että ohutsuolen SCFA-altistus voi moduloida vaguksen aktiivisuutta reseptoririippuvaisilla tavoilla. Ohutsuolen luumenissa olevia mikrobien metaboliitteja käsittelevässä tutkimuksessa raportoidaan, että mikrobiomiriippuvaisten SCFA-yhdisteiden perfuusio ohutsuoleen sai aikaan hitaamman vasteen alkamisen ja vaguksen afferentin hermoaktiivisuuden asteittaisen lisääntymisen[47]. Lisäksi raportoidaan, että FFAR2-antagonistin esi- ja yhteisperfuusio esti SCFA-indusoidun vaguksen afferentin hermoaktiivisuuden lisääntymisen[47] ja että mikrobien metaboliittien perfuusio lisäsi cFos:n neuronaalista ekspressiota NTS:ssä tasoille, jotka olivat samankaltaisia kuin sakkaroosiperfuusiossa[47]. Eräässä toisessa raportissa viitataan siihen, että latenssi voisi heijastaa eroja imeytymisnopeudessa tai epäsuorassa signaloinnissa ei-neuronaalisten välittäjäaineiden kautta[48]. Nämä havainnot viittaavat siihen, että distaalinen ileaalinen annostelu (ei pelkästään paksusuolihakuinen annostelu) voi riittää tiettyjen vagaalisten vasteiden saavuttamiseksi, mutta että tarkalla kohdevalinnalla on silti merkitystä ja se saattaa vaatia formulaatioita, jotka on säädetty välttämään mahan/proksimaalisen osan vapautumista ja mahdollistamaan altistuksen distaalisessa ohutsuolessa[47, 48].

Translational ja kliininen näyttö

Toimitetun aineiston kliiniset ja translationaaliset tiedot kattavat kolme aluetta: (i) ihmisillä tehdyt farmakokineettiset tutkimukset, jotka osoittavat suojaamattomien SCFA-yhdisteiden nopean systeemisen ilmentymisen, (ii) kontrolloidut tai havainnoivat kliiniset tutkimukset, joissa on käytetty mikrokapseloituja butyraattivalmisteita suolistosairauksissa, ja (iii) kaupalliset väitteet, jotka heijastavat käytännön tuotestrategioita.

Farmakokinetiikka ihmisellä ja formulaation vaikutukset

Ihmisillä tehdyssä ravintolisätutkimuksessa havaittiin, että suun kautta otettujen SCFA-yhdisteiden seerumipitoisuusprofiilit saavuttivat huippunsa nopeasti (verenkierron huippupitoisuudet saavutettiin 30–60 minuuttia annostelun jälkeen ja ne palasivat lähtötasolle 120 minuutin kuluessa)[5]. Tutkimuksessa raportoidaan myös, että haponkestävä pinnoitettu kapseli aiheutti viivästyneen ja vaimennetun veren pitoisuusvasteen verrattuna ei-haponkestävään kokeeseen, mikä on linjassa sen kanssa, että viivästynyt vapautuminen muuttaa systeemisen altistuksen kinetiikkaa[5]. Nämä havainnot tarjoavat suoraa näyttöä siitä, että "enteerisen kaltainen" suojaus voi moduloida systeemisen SCFA-altistuksen ajoitusta ja voimakkuutta, vaikka kirjoittajat toteavatkin, että kun tavoitteena on systeeminen imeytyminen, haponkestävillä kapseleilla ei saavuteta selvää etua, koska viivästynyt vapautuminen alentaa samankaltaisella tAUC-arvolla[5]. Tämän teesin (distaalinen hermostollinen aistiminen) kannalta matalampi ja viivästynyt systeeminen altistus ei välttämättä ole haitta, jos se heijastaa parempaa distaalista luminaalista saatavuutta pikemmin kuin vähentynyttä kokonaisannostelua[5, 7].

Erillisessä terveillä miehillä tehdyssä satunnaistetussa vaihtovuoroisessa tutkimuksessa, jossa vertailtiin natriumbutyraattia, lysiinibutyraattia ja tributyriiniä, raportoidaan suurempi systeeminen butyraattialtistus (AUC0-210 ja ) ja matalampi natrium- ja lysiinibutyraatilla verrattuna tributyriiniin[26]. Kirjoittajat tulkitsevat tributyriinin vähentyneen ilmentymisen plasmassa johtuvan todennäköisesti entsymaattisen pilkkoutumisen vaatimuksista, jotka viivästyttävät/vähentävät vapautumista aihiolääkkeestä[26]. Yhdessä nämä tutkimukset vahvistavat, että formulaatiostrategia määrittää, ilmeneekö butyraatti nopeana systeemisenä pulssina vai viivästyneenä, mahdollisesti distaalisempana altistusmallina[5, 26].

Mikrokapseloitu natriumbutyraatti haavaisessa paksusuolentulehduksessa ja IBD:ssä

Näyttö mikrokapseloidun natriumbutyraatin tehosta tulehduksellisissa suolistosairauksissa kattaa sekä havainnoivia että satunnaistettuja kontrolloituja asetelmia. Prospektiivisessa havainnointitutkimuksessa UC-remissiovaiheessa potilaita, jotka saivat suun kautta otettavaa mikrokapseloitua natriumbutyraattia (BLM) lisähoitona (kaksi 500 mg:n kapselia päivässä 12 kuukauden ajan), verrattiin verrokeihin, joiden hoitoa ei muutettu[38]. Hoidon onnistuminen 12 kuukauden kohdalla (Mayon osittainen pisteytys <=2 ja ulosteen kalprotektiini <250 μg/g) saavutettiin 15/18 (83.3 %) potilaalla BLM-ryhmässä verrattuna 10/21 (47.6 %) potilaaseen verrokkiryhmässä[38]. BLM-ryhmässä havaittiin myös suurempi subjektiivinen koheneminen (SIBDQ + VAS) 6 ja 12 kuukauden kohdalla[38] sekä ulosteen kalprotektiinin väheneminen ajan myötä, kun taas verrokeilla se pysyi vakaana[38]. Vaikka kyseessä on havainnointitutkimus, se tukee pitkäaikaisen mikrokapseloidun annostelun toteutettavuutta kliinisesti merkitsevillä päätetapahtumilla[38].

Eräässä toisessa kaksoissokkoutetussa, satunnaistetussa, lumekontrolloidussa pilottitutkimuksessa IBD-potilailla annosteltiin mikrokapseloitua natriumbutyraattivalmistetta (Butyrose® Lsc Microcaps) annoksella 3 kapselia päivässä (1800 mg/päivä) 60 päivän ajan, ja verrokkiryhmä sai tärkkelyskapseleita, jotka vastasivat väriltään, maultaan ja kooltaan aktiivivalmistetta[49]. Tutkijat eivät raportoineet merkittäviä eroja lajirunsaudessa hoidon jälkeen, mutta kuvasivat mikrobiomin koostumuksen moduloitumista ja elämänlaadun subjektiivista kohenemista IBDQ-mittarilla arvioituna butyraattiryhmässä[49]. Lisäksi he toteavat, että eksogeeninen butyraatti voi moduloida suolistobakteereja stimuloiden butyrogeenisten ja SCFA-yhdisteitä tuottavien sukujen kasvua, mikä voi tuottaa enemmän endogeenistä butyraattia suoliston homeostaasin palauttamiseksi[49].

Kliinisessä katsauksessa natriumbutyraatista ja sen mikrokapseloiduista muodoista todetaan myös, että IBS:ssä kuuden viikon MSB®-valmisteen käyttö vähensi merkittävästi vatsakivun ja epämukavuuden vaikeusastetta ja paransi elämänlaatua verrattuna lumeeseen (p < 0.0001)[7]. Samassa katsauksessa huomautetaan, että 12 viikon kokeilu, jossa mikrokapseloitua SB-valmistetta annettiin liitännäishoitona vastadiagnosoiduille lapsille/nuorille, joilla oli IBD, ei osoittanut tehoa[7], mikä korostaa kliinisten vasteiden heterogeenisyyttä sekä tarvetta sovittaa formulaatio, potilaspopulaatio ja päätetapahtumat yhteen[7, 20].

Divertikkeli- eli umpipussitauti ja butyraattijohdannaiset

Espanjalaisessa katsauksessa raportoidaan lumekontrolloidusta divertikuloositutkimuksesta, johon osallistui 73 potilasta. Siinä yksi ryhmä sai 300 mg natriumbutyraattia, ja divertikuliittijaksoissa havaittiin merkittävä ero 12 kuukauden kohdalla voihappovalmistetta saaneen ryhmän hyväksi. Katsauksessa todetaan myös, että näissä tutkimuksissa voihapon eri muodot olivat hyvin siedettyjä ilman haittavaikutuksia[24]. Sama lähde kuvaa vuonna 2016 kehitettyä suun kautta otettavaa mikrokapseloitua tributyriinivalmistetta (BUTYCAPS) ja luonnehtii tributyriiniä triglyseridiksi, joka sisältää kolme butyraattimolekyyliä ja toimii voihapon lähteenä lipaasiaktiivisuuden kautta, ja kliiniset farmakologiset tutkimukset osoittavat sen olevan hyvin siedetty[24]. Siinä todetaan myös, että mikrokapseloinnilla tributyriini voidaan muuttaa granulaatiksi, mikä mahdollistaa annostelun kerran päivässä ja parantaa hoitomyöntyvyyttä[24].

Metaboliset ja aivoihin liittyvät translationaaliset signaalit

Näyttöä siitä, että suun kautta otettava butyraatti voi vaikuttaa aivoihin liittyviin päätetapahtumiin, on saatu eläin- ja suureläinmalleissa, vaikkakaan ei välttämättä suolistoliukoisen annostelun kautta. Sioilla krooninen natriumbutyraatin saanti muutti aivojen perusglukoosimetaboliaa nucleus accumbensissa ja hippokampuksessa, kasvatti hippokampuksen jyvässolukerroksen tilavuutta ja lisäsi neurogeneesimarkkereita, kun taas sen vaikutukset suoliston anatomiaan ja toimintaan olivat vähäisiä[2]. Samassa tutkimuksessa kirjoittajat raportoivat, ettei lyhytaikaisella käytöllä ollut vaikutusta plasman suolistohormoneihin (PYY, GLP-1), ja viittaavat siihen, että butyraatti on saattanut imeytyä jo mahalaukussa, mikä esti merkittävän GLP-1-pitoisuuden nousun[2]. Tämä tulkinta puoltaa jälleen distaalisesti kohdennettuja formulaatioita silloin, kun mekanistisena tavoitteena on L-solujen endokriininen signalointi tai distaaliseti alkava vagaalisen afferentin aktivoituminen[2, 11].

Kaupallinen ja sovellettu formulaatiokonteksti

PubMed-indeksoidussa rottatutkimuksen kuvauksessa raportoidaan, että korkeasti annostellut butyraattipelletit (90 %) valmistettiin käyttämällä pH-riippuvaista pinnoitetta (Eudragit L+S 1:1), joka valittiin in vivo -pH:n ja transit-ajan perusteella paksusuoleen kohdennettua annostelua varten noin 6 tunnin kestävyydellä. Tulokset eivät osoittaneet butyraatin varhaista imeytymistä, vaikkakin todennäköistä katoamista umpisuolessa havaittiin umpisuolen viipymäajan ja pinnoitteen hydrolyysille suotuisan pH:n vuoksi[50]. Tuotemerkin Natural Factors kliinisesti suuntautuneella tuotesivulla todetaan ”saatavana suolistoliukoisina pehmeinä kapseleina kohdennettuun annosteluun paksusuoleen” ja luetellaan suolistoliukoisten pehmeiden kapseleiden ainesosat, mukaan lukien pektiini ja natriumalginaatti, mikä heijastaa kaupallisesti käytettyä enteerisesti suojattua strategiaa suun kautta otettavan butyraatin annostelussa[51].

Verkkolähteet kuvaavat mikrokapselointia myös ratkaisuna butyraatin sensoriseen esteeseen. Eräässä artikkelissa huomautetaan, että voihapon pistävä haju ja kitkerä maku tekevät siitä epämiellyttävän nauttia, mikä muodostaa keskeisen haasteen ravintolisien käytön noudattamiselle. Artikkelissa kuvataan patentoitua mikrokapselointimenetelmää, joka ”lukitsee” molekyylit kantaja-aineeseen suojatakseen niiden rakennetta mahalaukun läpi kulun aikana ja vapauttaakseen ne halutussa suoliston kohdassa[52]. Toisessa alan blogissa todetaan, että puhtaalla natriumbutyraatilla on erittäin epämiellyttävä haju ja että mikrokapselointi tai pinnoitus lipidi- tai polymeerimatriisilla voi sitoa haihtuvat yhdisteet fysikaalisesti, jolloin saadaan lähes hajuton pinnoitettu materiaali[53]. Vaikka nämä lähteet eivät ole kontrolloituja tutkimuksia, ne vahvistavat hajun peittämisen ja kohdennetun vapauttamisen käytännön välttämättömyyden kuluttajakäytössä[53].

Johtopäätökset

Mekanistisen, formulaatio- ja kliinisen kirjallisuuden pohjalta hahmottuu yhtenäinen malli: butyraatin terapeuttinen potentiaali suoli–aivo-akselin modulaatiossa riippuu siitä, saavuttaako molekyyli anatomiset alueet, jotka kykenevät välittämään hermosignaaleja – erityisesti distaalisen suoliston ja paksusuolen alueet, joilla on asiaankuuluvia reseptoreita, enteroendokriinisiä populaatioita ja vagaalisia afferentteja yhteyksiä[3, 10, 11]. Useat ihmisillä tehdyt tutkimukset ja katsauslähteet osoittavat, että vapaat SCFA-valmisteet voivat johtaa nopeaan systeemiseen ilmaantumiseen todennäköisesti mahan passiivisen imeytymisen vuoksi, mitä edesauttavat SCFA:n heikon hapon kemia ja ionisoitumaton diffuusio mahan epiteelin läpi[5]. Samanaikaisesti butyraatin eltaantunut haju ja maku ovat jatkuva este pitkäaikaiselle hoitomyöntyvyydelle, mikä puoltaa suojattujen annostelujärjestelmien käyttöä[6, 7].

Enteropäällysteet ja mikrokapselointistrategiat tarjoavat integroituja ratkaisuja: pH-herkät polymetakrylaattipäällysteet voivat estää vapautumisen mahassa ja siirtää liukenemisen kohti ileumin ja paksusuolen pH-alueita, kun taas yhdistelmäpäällysteet voivat lieventää pH-vaihtelua, joka muutoin heikentäisi luotettavuutta[8, 9, 35]. Mikrokapselointi – tapahtuipa se lipidimikrohelmien, polymeeripäällysteisten mikrokapselien, suojattujen helmien, kapselikuoriteknologian tai polymeeristen aihiolääkemisellien avulla – voi vähentää vapautumista mahaolosuhteissa, viivästyttää imeytymistä ja eristää hajuaineet fysikaalisesti siedettävyyden parantamiseksi[6, 25, 37, 39]. Lopuksi, suoli–aivo-akselitutkimukset tarjoavat mekanistista uskottavuutta sille, että SCFA:t voivat aktivoida vagaalisia ja sentraalisia reittejä joko suoraan reseptoririippuvaisen afferentin signaloinnin kautta tai epäsuorasti GLP-1/PYY- ja serotoniinivälitteisen signaloinnin kautta[10–12].

Käytännön sovellusten kannalta merkittävä johtopäätös on, että ”suolistokohdistetut SCFA:t” tulisi käsittää pikemminkin formulaatioluokkana kuin yhtenä ainesosana. Lähdeaineiston tukema, perustelluin kehitystavoite on suunnitella annostelujärjestelmiä, jotka pysyvät muuttumattomina happamissa mahaolosuhteissa, vastustavat ennenaikaista vapautumista ohutsuolessa vaihtelevassa pH:ssa ja vapauttavat butyraattia distaalisissa segmenteissä, joissa reseptorivälitteistä suoli–aivo-signalointia voi tapahtua, tarjoten samalla riittävän tehokkaan hajun ja maun peittämisen pitkäaikaisen hoitomyöntyvyyden varmistamiseksi[9, 25, 34].