Exploring the mechanism of the hypoglycemic effect of metformin mediated by the gut microbiota and endogenous metabolites

Abstract

Introduction: Metformin, the most widely used antidiabetic drug, is known to activate AMP-mediated protein kinase (AMPK) in the liver, thereby inhibiting the biosynthesis of fatty acids and production of glucose. Recently, as the mechanism of metformin through the gastrointestinal tract has emerged, interest in effects of gut microbiome on hypoglycemia is increasing. Several previous studies have shown that metformin alters the microbial composition in both animal and human, and suggested that the microbiota contributes to the hypoglycemic effect of metformin via modulation of microbial metabolites. However, the microbial functions on hypoglycemic effect of metformin have not been elucidated. Therefore, in this study, two clinical trials were performed to explore various interactions between gut and the hypoglycemic effect of metformin. Finally, potential pathways that correlated with the hypoglycemic effects of metformin were suggested through metagenomics- and metabolomics approaches. Methods: To evaluate effects of metformin on microbiome and metabolites, an open-label and single-arm clinical trial was performed in 20 healthy Korean male adults. The subjects received 1000 mg of oral metformin twice daily for 4 days. In addition, to assess impacts of gut environmental changes on the hypoglycemic effect of metformin, 14 healthy Korean males were involved in this four-period clinical study: baseline; metformin (i.e., multiple oral doses of 1000 mg metformin on day 1-2); cholestyramine (i.e., multiple oral doses of 4g cholestyramine on day 3-9); cholestyramine+metformin (i.e., multiple oral doses of 1000 mg metformin on days 8-9). In each period of two clinical trials, serum glucose and insulin concentrations, stool samples for gut microbial analysis, and plasma, urine, and stool samples for metabolomic analysis were obtained. Global metabolomics was performed using GC-TOFMS and network analysis was applied to explore potential pathway of the hypoglycemic effect. Results: After metformin administration, the relative abundances of Escherichia, Romboutsia, Intestinibacter, and Clostridium were changed. In addition, carbohydrates, amino acids, and fatty acids were altered. These alterations in microbiome and metabolites were correlated with the hypoglycemic effect of metformin. After cholestyramine administration, the relative abundances of Rothia and Veillonella were increased. Additionally, microbial metabolites such as bile acids and short-chain fatty acids were altered. The alterations in microbiome and microbial metabolites reduced to the pharmacodynamics of metformin and affected to profiles of endogenous metabolites changed by metformin administration. Furthermore, energy metabolism, branched-chain amino acid metabolism, and purine metabolism were suggested as major metabolic pathways related to the hypoglycemic effect of metformin. Conclusions: These studies indicated that specific alterations in both microbiome and metabolites affected to the hypoglycemic effect of metformin. The alterations impacted host metabolism, which is correlated with hypoglycemia. In particular, energy metabolism, branched-chain amino acids metabolism, and purine metabolism were related to the hypoglycemic effect of metformin. The results will help uncover the potential underlying mechanisms of metformin within the gastrointestinal tract. * Part of this work has been published in Diabetes Research and Clinical Practice (Yujin Lee et al. Diabetes Research and Clinical Practice 178 (2021): 108985).

서론: 가장 널리 사용되는 항당뇨병 약물인 메트포르민은 간에서 AMP 매개 단백질 키나아제(AMPK)를 활성화시켜 지방산의 생합성과 포도당 생성을 억제하는 것으로 알려져 있지만, 최근들어 메트포르민이 장내 미생물군집에 영향을 미친다는 연구결과가 증가하고 있다. 일부 선행 연구에서는 메트포르민 투여 후 장내 미생물 조성 변화를 관찰하여 장내 미생물의 변화가 메트포르민의 혈당 저하 효과에 기여할 수 있음을 보고하였다. 하지만 현재까지 메트포르민의 장내 미생물군을 통한 혈당 강하 효과의 기전에 대해서는 분명하게 밝혀지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 건강한 성인 남성을 대상으로 진행한 두 개의 임상 연구를 통해 메트포르민이 장내에서 미치는 영향 및 다양한 상호작용에 대하여 파악하고 메타지노믹스와 메타볼로믹스 분석법을 활용하여 위장관을 통한 메트포르민의 혈당 강하 효과의 잠재적인 메커니즘을 설명하고자 하였다. 방법: 메트포르민이 장내 미생물군 및 대사산물에 미치는 영향을 평가하기 위해 20명의 건강한 한국 남성을 대상으로 공개 및 단일군 임상 연구를 수행하였다. 연구 대상자들은 4일 동안 하루에 두 번 경구 메트포르민 1000mg을 복용하였다. 또한, 메트포르민의 혈당 강하 효과에 대한 미생물 대사 산물의 영향을 평가하기 위해 14명의 건강한 한국 남성이 임상시험에 모집되었으며, 4개의 시기(period)인 baseline(기저치), metformin(1-2일째에 1000mg 메트포르민의 반복 경구투여), cholestyramine(장내 미생물군 및 미생물 유래 대사체의 전반적인 변화를 유도하기 위해 3-9일째에 콜레스티라민 4g의 반복 경구투여), cholestyramine + metformin(8-9일째에 1000mg 메트포르민의 반복 경구투여)의 순서로 진행되었다. 두 임상 연구의 각 시기에는 혈청 포도당 및 인슐린 농도 측정을 위하여 경구 포도당 내성 검사 전후에 혈액 검체를 수집하였다. 또한, 장내 미생물 분석을 위한 대변 샘플, 대사체 분석을 위한 혈장, 소변 및 대변 검체를 수집하였으며, 메트포르민의 혈당 강하 효과의 잠재적 경로를 탐색하기 위해 네트워크 분석을 진행하였다. 결과: metformin 투여에 의해 Escherichia, Romboutsia, Intestinibacter 및 Clostridium의 상대풍부도(relative abundance)가 변했으며, 탄수화물, 아미노산 및 지방산에 해당하는 대사체가 변했음을 확인했다. 이러한 장내 미생물군집 및 대사체의 변화는 메트포르민의 혈당 강하 효과와 상관관계를 보였다. 담즙산 격리제인 cholestyramine 투여에 의해 Rothia와 Veillonella의 상대풍부도가 증가하였고, 담즙산 및 단쇄 지방산과 같은 미생물 유래 대사체가 변했다. 이러한 변화는 메트포르민의 약력학 및 메트포르민 투여에 의해 변화된 내인성 대사체의 프로파일링에도 영향을 미쳤다. 또한, 네트워크 분석을 통해 메트포르민의 혈당 강하 효과와 관련된 주요 대사경로로 에너지 대사, 분지쇄 아미노산 대사, 퓨린 대사를 제시하였다. 결론: 본 연구를 통해 특정 장내 미생물군과 미생물 유래 대사체의 변화가 메트포르민의 혈당 강하 효과에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이러한 변화들은 혈당 강하와 관련있는 숙주 대사에 영향을 미쳤다. 특히, 에너지 대사, 분지쇄 아미노산 대사 및 퓨린 대사가 메트포르민의 혈당강하 효과와 관련이 있었으며, 최종적으로 본 연구의 결과는 위장관을 통한 메트포르민의 잠재적인 기전을 밝히는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. *본 내용의 일부는 Diabetes Research and Clinical Practice 학술지(Yujin Lee et al. Diabetes Research and Clinical Practice 178 (2021): 108985)에 출판 완료된 내용임.