Aterogeneze a diabetes, zaměření na inzulinovou rezistenci a hyperinzulinémii | Revista Española de Cardiología

Inzulinová rezistence, hyperinzulinémie a cévní onemocnění: vymezení problému

Makrovaskulární a mikrovaskulární komplikace jsou hlavní příčinou morbidity a mortality u diabetu 1. a 2. typu,1 ale makrovaskulární komplikace mají zvýšený výskyt ještě před nástupem diabetu 2. typu.2 Zatímco vysoká hladina glukózy v krvi3 a glukózou indukované modifikace proteinů a lipidů – pokročilé glykační endprodukty4 – mohou být spouštěčem jak makro-, tak mikrovaskulárních onemocnění po vzniku diabetu (1. i 2. typu), o faktorech způsobujících makrovaskulární onemocnění v rámci metabolického syndromu a prediabetu se dlouho diskutovalo. Jisté je, že u diabetu, a pravděpodobně také v prostředí metabolického syndromu,5, 6, 7, 8 se aterosklerotické cévní a koronární onemocnění vyskytuje nad shlukem dalších doprovodných rizikových faktorů, jako je hypertriglyceridémie, nízká hladina lipoproteinů o vysoké hustotě a hypertenze. Inzulínová rezistence před vznikem diabetu je z definice charakterizována hyperinzulinémií, a o té se již dlouho spekuluje jako o příčinné souvislosti s cévním onemocněním9, 10, 11, 12 V tomto stručném přehledu se budeme zabývat biologickou věrohodností a důkazy o tom, že hyperinzulinemie je kauzálním mechanismem při rozvoji aterosklerózy předcházející a následující po vzniku diabetu 2. typu.

Selektivní inzulinová rezistence a kompenzační hyperinzulinemie: patofyziologie

Původně Reaven a kol. definovali syndrom inzulinové rezistence jako soubor kardiovaskulárních rizikových faktorů, včetně glukózové intolerance, dyslipidemie a hypertenze, spojených se zvýšenou kardiovaskulární chorobou.13 Metabolický syndrom popsali jako klinický stav charakterizovaný inzulinovou rezistencí, poruchou plazmatické glukózy nalačno, obezitou, dyslipidemií a hypertenzí.13 Později byly navrženy dvě definice metabolického syndromu, jedna podle National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 a druhá podle Světové zdravotnické organizace.15 Inzulinová rezistence – měřená referenční metodou hyperinzulinemického euglykemického clampu nebo náhradními metodami, jako je například často prováděný intravenózní glukózový toleranční test, inzulinový supresní test nebo HOMA index – se zde může prokázat až u 76 % subjektů16 a je doprovázena kompenzační hyperinzulinemií.16 Ačkoli molekulární mechanismy inzulinové rezistence nejsou dosud zcela objasněny, byly popsány abnormality v inzulinové signalizaci.17 V periferních tkáních, včetně kosterního svalu a jater, inzulin za normálních podmínek zahajuje svůj účinek vazbou na svůj specifický povrchový buněčný receptor, tj. inzulinový receptor (IR), což je heterotetramerní protein sestávající ze 2 extracelulárních α-podjednotek a 2 transmembránových β-podjednotek spojených disulfidovými můstky. Vazba inzulinu na extracelulární α-podjednotku vyvolává konformační změny IR, které následně způsobují dimerizaci sousedních receptorů a aktivaci tyrosinkinázové domény intracelulární části β-podjednotky. Jakmile je zahájena tyrozinkinázová aktivita IR, podporuje autofosforylaci samotné β-podjednotky a rychlou fosforylaci takzvaných „dokovacích proteinů“, jako jsou substráty IR (IRS)-1, -2, -3 a -4 a několik dalších proteinů, včetně proteinů kolagenové homologie (shc) a src homologie 2 (SH2), které následně aktivují četné intracelulární signální intermediáty (obr. 1). Proto hrají IRS, shc a SH2 proteiny důležitou regulační roli v inzulínové signální kaskádě. Ve své fosforylované formě se tyto proteiny stávají kotevními body pro intracelulární proteiny obsahující komplementární domény SH2. Zejména interakce mezi proteiny IRS-1 a fosfatidylinositol (PI) 3-kinázou určuje aktivaci Akt (známé také jako proteinkináza B), která je rozhodující v mechanismu působení inzulinu na translokaci GLUT-4, transport glukózy a aktivaci syntázy oxidu dusnatého (NO) („metabolická signální dráha“). Naproti tomu nemetabolické, proliferační, mitogenní a prozánětlivé účinky inzulinu jsou zprostředkovány aktivací Ras (většinou prostřednictvím shc a v menší míře IRS proteinů), Raf a mitogenem aktivovaných proteinkináz (MAPK) („růstová signální dráha“).18 U inzulín-rezistentních zvířat a modelů in vitro lze prokázat sníženou aktivaci inzulínové signalizace prostřednictvím dráhy IRS-1/PI3-kinázy, což vede ke sníženému příjmu glukózy, snížené syntéze NO a sníženému využití glukózy v cílových tkáních inzulínu. Stejné snížení transportu glukózy je vnímáno na úrovni beta buněk pankreatu a vyvolává kompenzační zvýšení sekrece inzulínu. Současně však inzulínová dráha zprostředkovaná MAPK zůstává nedotčena.19 Lze snadno pochopit, že tato selektivní nerovnováha obou drah přenosu signálu může za takových podmínek hyperinzulinemie vést k nadměrnému proliferačnímu/růst podporujícímu signálu a současně umožnit udržení normálního transportu glukózy a homeostázy glukózy. Kompenzační hyperinzulinemie stimuluje různé proliferační a proaterogenní děje v hladkých svalových a endoteliálních buňkách cév. Tyto účinky zahrnují zvýšenou produkci inhibitoru aktivátoru plazminogenu typu 1 (PAI-1), endotelinu, prozánětlivých cytokinů a zvýšenou povrchovou expresi adhezivních molekul.19, 20, 21, 22

Obrázek 1. Inzulínová signální dráha a její narušení při inzulínové rezistenci. Po navázání na svůj tyrozinkinázový receptor vyvolává inzulin dimerizaci receptoru a aktivaci kaskády fosforylačních dějů, které vyvolávají dvě třídy účinků: a) „metabolické“ účinky, které podporují transport glukózy, syntézu glykogenu a proteinů, inhibici lipolýzy, ochranu před apoptózou a uvolňování oxidu dusnatého (obecně popsané jako „protizánětlivé“ účinky), a b) účinky podporující růst a diferenciaci, které vedou k podpoře zánětu a aterogeneze (tj. mitogenní, prozánětlivá inzulínová signalizace). Akt, proteinkináza B (PKB); eNOS, endoteliální syntáza oxidu dusnatého; ERK, extracelulární receptorová kináza; IRS-1, inzulinový substrátový receptor-1; JNK, c-Jun NH2-1 terminální kináza; MEK, mitogenem aktivovaná proteinkináza/extracelulární receptorová kináza; p38, p38 mitogenem aktivovaná proteinkináza; PD (PD98059) a UO126, inhibitory extracelulární receptorové kinázy 1/2; PI3-kináza, fosfatidylinositol(PI)3-kináza; wortmannin, inhibitor PI3-kinázy.

Inzulin hraje důležitou roli při udržování homeostázy cév prostřednictvím aktivace NO odvozeného od endotelu. Inzulin zvyšuje endoteliální produkci NO aktivací NOS-III (endoteliální NOS) rychlými posttranslačními mechanismy, které jsou zprostředkovány signální dráhou PI3K/Akt.23 U stavů inzulinové rezistence je dráha PI3K/Akt selektivně inhibována, což vede k endoteliální dysfunkci s následným zvýšením cévního tonu a hypertenze, zvýšené interakci mezi endoteliálními buňkami a leukocyty a protrombotickému stavu. Tato „selektivní“ inzulinová rezistence byla prokázána v kosterním svalstvu obézních lidí a pacientů s diabetem 2. typu24 a v cévách a myokardu obézních Zuckerových potkanů. Zde se normální fyziologické antiaterogenní účinky inzulínu, které jsou z velké části způsobeny jeho schopností zvyšovat produkci NO, mění v proaterogenní účinky.25

Začarovaný kruh mezi hyperinzulinémií a inzulínovou rezistencí

Vysoké plazmatické koncentrace inzulínu v podmínkách inzulínové rezistence mohou rovněž vyvolat začarovaný kruh, který dále zvyšuje inzulínovou rezistenci26 prostřednictvím potlačení účinků zprostředkovaných osou PI3K/AKT/NO, což může narušit rovnováhu systému prostřednictvím čisté podpory účinků souvisejících s aktivací MAPK. Protože inzulin spouští řadu biologických účinků prostřednictvím vazby a aktivace svého receptoru (IR), obdařeného tyrozinkinázovou aktivitou na specifických substrátech včetně IRS -1 a -2,27 mají myši s cílenou delecí genů IRS-1 a IRS-2 fenotyp inzulinové rezistence28.

Zvířecí modely hyperinzulinemie, jako jsou myši ob/ob a obézní potkani Zucker, mají nízké hladiny proteinů IRS-1 a IRS-2 v játrech.29, 30 Tyto modely se vyznačují inzulinovou rezistencí a sníženou funkcí osy IR/IRS-1/PI3K/AKT v játrech a kosterním svalu. Bylo prokázáno, že krátká in vitro inkubace myoblastů s vysokými koncentracemi inzulinu podmiňuje PI3K zprostředkované snížení exprese proteinu IRS-1 a desenzitizaci mechanismů transdukce inzulinového signálu.9 Konečně dlouhodobé vystavení kultivovaných myoblastů vysokým koncentracím inzulinu je spojeno se snížením aktivity osy IR/IRS-1/PI3K/AKT.31 Prokázali jsme, že dlouhodobé vystavení endoteliálních buněk lidské pupečníkové žíly vysokým hladinám inzulinu vyvolává downregulaci osy PI3K(AKT/eNOS, což je doprovázeno zvýšenou expresí molekuly adheze cévních buněk 1 (VCAM-1).32 Molekulární mechanismy, kterými hyperinzulinemie plodí nebo zhoršuje inzulinovou rezistenci, jsou však stále z velké části neznámé.

Hyperinzulinemie a cévní onemocnění: Důkazy ze stolu

Pokusy na zvířatech33, 34 a několik studií in vitro poskytly důkazy o biologické věrohodnosti hypotézy, podle níž jsou vysoké koncentrace inzulinu proaterogenní. Souvislost mezi ischemickou chorobou srdeční a vysokými koncentracemi inzulinu byla poprvé navržena koncem 60. let 20. století10 a následně potvrzena (přehled viz Reddy a kol.35). In vitro bylo prokázáno, že inzulin stimuluje proliferaci a migraci arteriálních hladkých svalových buněk v preparátech tkáňových kultur21 a indukuje adhezi monocytů zvýšením exprese VCAM-1 v endoteliálních buňkách.22, 36, 37 VCAM-1 je pravděpodobně adhezní molekula, která má největší význam pro rozvoj aterosklerózy.38 K takové zvýšené expresi v přítomnosti inzulinu dochází v systému, kde inzulin může ještě zvyšovat biologickou dostupnost NO, který by za normálních okolností inhiboval aktivaci endotelu a aterogenezi.39 Tato zjištění tedy znamenají, že čistým účinkem vysokých koncentrací inzulinu na endotelové buňky je většinou prozánětlivý fenotyp. Ukázali jsme také, že tyto účinky mohou být zesíleny inhibitorem PI-3-kinázy wortmanninem,22 což nás vede k postulátu, že mohou být dále zesíleny v podmínkách inzulinové rezistence napodobené wortmanninem. Protože schopnost inzulinu vyvolat aktivaci endotelu (pro kterou je exprese VCAM-1 markerem i mediátorem) je pravděpodobným vysvětlením makrovaskulárních onemocnění doprovázejících hyperinzulinemické stavy, zkoumali jsme možné molekulární mechanismy podílející se na tomto specifickém způsobu aktivace endotelu. Lidské endotelové buňky pupečníkové žíly byly inkubovány s inzulinem (0-24h)±inhibitory potenciálně zapojených signálních drah. Inkubace endoteliálních buněk s inhibitory ERK1/2 neovlivnila expresi VCAM-1 indukovanou inzulinem. Naopak inhibitory p38 MAPK SB203580 a SB202190, inhibitor izoformy proteinkinázy C (PKC)-β LY379196 a částečně inhibitor c-Jun NH2-terminální kinázy SP600127, všechny testované v koncentracích kolem IC50 pro inhibici fosforylace substrátu, snižovaly účinek inzulinu na VCAM-1. Umlčení genu p38 MAPK pomocí malé interferující RNA, která potlačila expresi p38 MAPK, potlačilo expresi VCAM-1 stimulovanou inzulinem.22, 36, 37 Léčba inzulinem vedla také k aktivaci NF-κB.22, 36

U zvířat bylo prokázáno, že dlouhodobá léčba inzulinem vyvolává arteriální léze bohaté na lipidy a stimuluje ztluštění stěny.10 Mechanismy odpovědné za tyto léze jsou zvýšená syntéza cholesterolu v tukové tkáni, nevyvážený poměr mezi receptory pro lipoproteiny s nízkou hustotou a lipoproteiny s vysokou hustotou (se zvýšením prvních a snížením druhých) a zvýšená vazba lipoproteinů s nízkou hustotou na buňky hladkého svalstva tepen.10 Inzulín je také růstový faktor schopný podporovat angiogenezi a proliferaci hladkých svalových buněk aktivací stejných drah, které jsou aktivovány IGF.40 Tyto účinky inzulínu se zřejmě podílejí na neovaskularizaci sítnice, a hrají proto klíčovou roli v patofyziologii diabetické mikroangiopatie a – potenciálně – destabilizaci aterosklerotických plátů.41, 42, 43

Mezi dalšími potenciálními mechanismy, kterými vysoké hladiny inzulinu podporují aterosklerózu, je pravděpodobně důležitá také endoteliální dysfunkce44 a inhibice apoptózy makrofágů.45 Endoteliální dysfunkce předchází a předpovídá makrovaskulární příhody. U zdravých lidí může infuze inzulinu, která dosahuje patofyziologicky relevantních koncentrací inzulinu (>120pmol/l), vyvolat závažnou endoteliální dysfunkci ve velkých tepnách.44 Odpovědné mechanismy pravděpodobně zahrnují zvýšený intracelulární oxidační stres.46 Studie in vitro ukázaly, že inzulin stimuluje produkci endotelinu, aktivitu sympatického systému a retenci sodíku47. Kromě toho inzulin usnadňuje migraci a proliferaci hladkých svalových buněk, zvyšuje produkci extracelulární matrix a vyvolává prokoagulační stav,48 čímž pravděpodobně také přispívá k postangioplastické restenóze, která je častěji pozorována u diabetiků ve srovnání s nediabetiky.49

Hyperinzulinemie a kardiovaskulární onemocnění: Navzdory silné patofyziologii a experimentálním důkazům o proaterogenních účincích hyperinzulinemie sekundárně způsobené inzulinovou rezistencí je pacientům s diabetem 2. typu velmi často podáván inzulin za účelem normalizace hyperglykemie, hladiny volných mastných kyselin a glykovaného hemoglobinu. Tato léčba často znamená podávání inzulinu ve velmi vysokých dávkách (až 100 nebo dokonce 625 U/den),50 což způsobuje výskyt nežádoucích účinků, jako je zvýšení hmotnosti, inhibice zbytkové endogenní sekrece inzulinu51 a nadměrná exprese dráhy MAPK.19 Vzhledem k příznivým účinkům inzulinu na hladinu glukózy v krvi a na škodlivé účinky vysoké glukózy na cévní funkce však důkazy o čistých škodlivých účincích vysokých dávek inzulinu u diabetu nemohou být jednoznačné. Studie DAI (Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health),52 multicentrická kohortová studie prevalence a incidence kardiovaskulárních příhod (infarkt myokardu, mozková tromboembolie, a periferních amputací) u pacientů s diabetem 2. typu ukázala, že ve srovnání s perorální antidiabetickou léčbou (např. metforminem, která neznamená zvýšenou sekreci inzulinu) byla léčba inzulinem spojena s vyšším počtem kardiovaskulárních příhod u mužů a žen s diabetem 2. typu. Bylo prokázáno, že u pacientů s diabetem 2. typu léčba inzulinem nezávisle na sobě zvyšuje riziko vzniku vředů na nohou,53 hypertenze54 a vysoké agregace destiček závislé na ADP.55 Ve Framingham Heart Study vykazovali diabetici léčení inzulinem nejvyšší výskyt morbidity a mortality na kardiovaskulární onemocnění.56 V prvním národním průzkumu zdraví a výživy (First National Health and Nutrition Examination Survey) bylo mezi 7381 sledovanými pacienty u diabetiků léčených inzulinem zjištěno zvýšené riziko úmrtí ze všech příčin a úmrtí v důsledku kardiovaskulárních onemocnění.57 Ve studii Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes byl u pacientů léčených intenzivním inzulinem zjištěn 32% výskyt kardiovaskulárních příhod ve srovnání s 21% u pacientů léčených standardním inzulinem.58 Ve studii Atherosclerotic Risk in Communities měli pacienti na léčbě sulfonylureou (která rovněž vede ke zvýšení koncentrace inzulinu) relativní riziko kardiovaskulárních onemocnění 1,82, zatímco pacienti na inzulinové terapii měli relativní riziko 2,64.59 Studie Kumamoto, kde pacienti na inzulinové terapii nevykazovali zvýšené riziko makrovaskulárních onemocnění, nepřispěla podstatně k řešení této otázky, protože pacienti byli hypoinzulinemičtí a neobézní.60 Nedávná studie ukázala, že průměrná amplituda glykemických exkurzí z údajů kontinuálního monitorování glukózy pozitivně a nezávisle korelovala s vylučováním 8-iso-prostaglandinu F2α močí, což je marker oxidativního stresu, u pacientů se špatně kontrolovaným diabetem užívajících perorální hypoglykemika.61 Autoři nezjistili takové asociace u pacientů s diabetem 1. a 2. typu léčených inzulinem, což naznačuje, že samotná léčba inzulinem inhibuje oxidativní stres u těchto pacientů. Přesto by účinky inzulinu na buněčnou homeostázu mohly záviset také na koncentraci inzulinu, protože bylo prokázáno, že suprafyziologické dávky inzulinu indukují in vitro tvorbu reaktivních forem kyslíku.62 Celkově lze říci, že exogenní inzulin vyvolává příznivé (snížení hyperglykémie) i nepříznivé (podpora aterogeneze) účinky.63 To je varováním pro méně rozsáhlé používání inzulinu u diabetu 2. typu. U pacientů s hladinou glukózy v krvi>300mg/dl může počáteční podávání inzulinu snížit glukotoxicitu50, 64, 65: poté by bylo pravděpodobně racionálnější volbou pro prevenci kardiovaskulárních komplikací u pacientů s diabetem 2. typu snížení inzulinové rezistence redukcí hmotnosti, zvýšení fyzické aktivity a použití inzulinových senzitizérů, jako je metformin nebo glitazony. Za zmínku stojí, že 5 velkých randomizovaných studií intenzivní kontroly glykemie oproti standardní léčbě u diabetu 2. typu neprokázalo žádné snížení celkové ani kardiovaskulární mortality58, 66, 67, 68, 69; naopak takové snížení bylo zjištěno ve studii EDIC70 u diabetu 1. typu, kde inzulinová rezistence není primárním problémem a léčba inzulinem nahrazuje primární selhání produkce inzulinu beta buňkami pankreatu. Závěry

Patofyziologické koncentrace inzulinu zvyšují produkci endotelinu, prozánětlivých cytokinů, endoteliálních adhezivních molekul leukocytů a PAI-1, čímž působí celkově prozánětlivě na cévy. Výsledky studií in vitro a in vivo poukazují na patogenní roli patofyziologických a farmakologických koncentrací inzulinu při cévních onemocněních. Další výzkum využití specifických inhibitorů drah MAPK a PKC jako nových farmakologických látek řešících proaterogenní inzulinovou signalizaci je opodstatněný.

Střety zájmů

Není deklarován.

Financování

Původní práce zde uváděných autorů byla podpořena granty Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari pro Raffaele De Caterina.

Přijato 4. listopadu 2011
Přijato 11. listopadu 2011

.