Aterogenese og diabetes, fokus på insulinresistens og hyperinsulinæmi | Revista Española de Cardiología
Insulinresistens, hyperinsulinæmi og vaskulær sygdom: definition af problemet
Makro- og mikrovaskulære komplikationer er begge hovedårsagerne til morbiditet og mortalitet ved type 1- og type 2-diabetes,1 men makrovaskulære komplikationer har en øget forekomst allerede før udbruddet af type 2-diabetes.2 Mens højt blodglukose3 og glukoseinducerede protein- og lipidmodifikationer – avancerede glycation endproducts4 – kan være udløsende faktorer for både makro- og mikrovaskulær sygdom, når først diabetes (både type 1 og type 2) er opstået, har faktorer, der forårsager makrovaskulær sygdom i forbindelse med det metaboliske syndrom og prædiabetes, længe været debatteret. Ved diabetes og sandsynligvis også i forbindelse med det metaboliske syndrom5, 6, 7, 7, 8 opstår aterosklerotisk vaskulær og koronar hjertesygdom ud over klyngen af andre ledsagende risikofaktorer, såsom hypertriglyceridæmi, lavt niveau af lipoproteiner med høj densitet og hypertension. Insulinresistens før udbruddet af diabetes er pr. definition karakteriseret ved hyperinsulinæmi, og man har længe spekuleret i, at dette er kausalt forbundet med vaskulær sygdom9 , 10, 11, 12 I denne korte gennemgang vil vi behandle den biologiske plausibilitet og beviserne for, at hyperinsulinæmi er en årsagsmekanisme i udviklingen af åreforkalkning forud for og efter udbrud af type 2-diabetes.
Selektiv insulinresistens og kompenserende hyperinsulinæmi: patofysiologi
Originalt definerede Reaven et al. insulinresistenssyndromet som en klynge af kardiovaskulære risikofaktorer, herunder glukoseintolerance, dyslipidæmi og hypertension, der er forbundet med øget kardiovaskulær sygdom.13 De beskrev det metaboliske syndrom som en klinisk tilstand, der er karakteriseret ved insulinresistens, nedsat fastende plasmaglukose, fedme, dyslipidæmi og hypertension.13 Senere er der blevet foreslået to definitioner af det metaboliske syndrom, den ene af National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 og den anden af Verdenssundhedsorganisationen.15 Her kan insulinresistens – målt ved referencemetoden hyperinsulinæmisk euglykæmisk clamp eller ved surrogatmetoder som f.eks. den hyppigt udtagne intravenøse glukosetolerancetest, insulinsuppressionstest eller HOMA-indeks – påvises hos op til 76 % af personerne16 og ledsages af kompenserende hyperinsulinæmi.16 Selv om de molekylære mekanismer for insulinresistens stadig er ufuldstændigt forstået, er der beskrevet abnormiteter i insulinsignalering.17 I perifere væv, herunder skeletmuskulaturen og leveren, indleder insulin under normale forhold sin virkning ved at binde sin specifikke celleoverfladereceptor, dvs. insulinreceptor (IR), som er et heterotetramerisk protein bestående af 2 ekstracellulære α-subenheder og 2 transmembran β-subenheder forbundet med disulfidbroer. Insulinbinding til den ekstracellulære α-underenhed inducerer konformationsændringer af IR, hvilket igen medfører dimerisering af tilstødende receptorer og aktivering af tyrosinkinase-domænet i den intracellulære del af β-underenheden. Når IR’s tyrosinkinaseaktivitet er igangsat, fremmer den autofosforyleringen af selve β-underenheden og den hurtige fosforylering af såkaldte “dockingproteiner”, såsom IR-substrater (IRS)-1, -2, -3 og -4, og flere andre proteiner, herunder collagenhomologiproteiner (shc) og src homology 2 (SH2), som igen aktiverer flere intracellulære signalformidlere (figur 1). IRS, shc- og SH2-proteinerne spiller derfor vigtige regulerende roller i insulinsignalkaskaden. I deres fosforylerede form bliver disse proteiner forankringspunkter for intracellulære proteiner, der indeholder komplementære SH2-domæner. Især interaktionen mellem IRS-1-proteiner og phosphatidylinositol (PI) 3-kinase bestemmer aktiveringen af Akt (også kendt som proteinkinase B), som er afgørende for insulinets virkningsmekanisme på GLUT-4-translokation, glukosetransport og aktivering af nitrogenoxid (NO)-syntase (“metabolisk signalvej”). I modsætning hertil formidles insulins ikke-metaboliske, proliferative, mitogene og proinflammatoriske virkninger af insulin ved aktivering af Ras (hovedsagelig gennem shc- og i mindre grad IRS-proteiner), Raf og mitogen-aktiverede proteinkinaser (MAPK) (“vækstsignalvej”).18 I insulinresistente dyr og in vitro-modeller kan der påvises en nedsat aktivering af insulinsignalering via IRS-1/PI3-kinasevejen, hvilket resulterer i nedsat glukoseoptagelse, nedsat NO-syntese og nedsat glukoseudnyttelse i insulinmålvæv. Det samme fald i glukosetransporten registreres i de pancreatiske betaceller og fremkalder en kompenserende stigning i insulinsekretionen. Samtidig forbliver den MAPK-medierede insulinvej imidlertid upåvirket.19 Man kan let forstå, at denne selektive ubalance mellem de to signaltransduktionsveje under sådanne forhold med hyperinsulinæmi kan føre til et overdrevent proliferativt/vækstfremmende signal, samtidig med at den normale glukosetransport og glukosehomøostase kan opretholdes. Kompenserende hyperinsulinæmi stimulerer forskellige proliferative og pro-atherogene hændelser i vaskulære glatte muskel- og endothelceller. Sådanne virkninger omfatter øget produktion af plasminogenaktivatorinhibitor type-1 (PAI-1), endothelin, proinflammatoriske cytokiner og øget overfladeekspression af adhæsionsmolekyler.19, 20, 21, 22
Figur 1. Insulinsignalvejen og dens forringelse ved insulinresistens. Ved binding til sin tyrosinkinase-receptor inducerer insulin receptor-dimerisering og aktivering af en kaskade af fosforyleringsbegivenheder, hvilket giver to klasser af virkninger: a) “metaboliske” virkninger, der fremmer glukosetransport, glykogen- og proteinsyntese, hæmning af lipolyse, beskyttelse mod apoptose og frigivelse af nitrogenoxid (bredt beskrevet som “antiinflammatoriske” virkninger), og b) vækst- og differentieringsfremmende virkninger, der fører til fremme af inflammation og atherogenese (dvs. mitogen, proinflammatorisk insulinsignalering). Akt, proteinkinase B (PKB); eNOS, endothelial nitrogenoxidsyntase; ERK, ekstracellulær receptorkinase; IRS-1, insulinsubstratreceptor-1; JNK, c-Jun NH2-1 terminal kinase; MEK, mitogen-aktiveret proteinkinase/ekstracellulær receptorkinase; p38, p38 mitogenaktiveret proteinkinase; PD (PD98059) og UO126, ekstracellulær receptorkinase 1/2-inhibitorer; PI3-kinase, phosphatidylinositol(PI)3-kinase; wortmannin, PI3-kinase-inhibitor.
Insulin spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af blodkarrenes homeostase gennem aktivering af endotheliumafledt NO. Insulin øger endothelial NO-produktion ved at aktivere NOS-III (endothelial NOS) ved hurtige posttranslationelle mekanismer, som medieres af PI3K/Akt-signalvejen.23 I insulinresistenstilstande er PI3K/Akt-vejen selektivt hæmmet, og dette fører til endotheldysfunktion med en deraf følgende stigning i vaskulær tone og hypertension, øget interaktion mellem endothelceller og leukocytter og en prothrombotisk tilstand. Denne “selektive” insulinresistens er blevet påvist i skeletmuskulaturen fra overvægtige mennesker og patienter med type 2-diabetes24 og i vaskulaturen og myokardiet hos overvægtige Zuckerrotter. Her omdannes insulins normale fysiologiske anti-atherogene virkninger, der i høj grad skyldes dets evne til at øge NO-produktionen, til pro-atherogene virkninger.25
En ond cirkel mellem hyperinsulinæmi og insulinresistens
Høje plasmakoncentrationer af insulin under forhold med insulinresistens kan også udløse en ond cirkel, der yderligere øger insulinresistensen26 gennem en undertrykkelse af de virkninger, der formidles af PI3K/AKT/NO-aksen, hvilket kan bringe systemet ud af balance gennem nettofremme af virkninger i forbindelse med MAPK-aktivering. Da insulin udløser en række biologiske virkninger gennem binding og aktivering af dets receptor (IR), der er udstyret med tyrosinkinaseaktivitet på specifikke substrater, herunder IRS -1 og -227 , har mus med en målrettet deletion af IRS-1- og IRS-2-generne en fænotype af insulinresistens28 .
Dyremodeller af hyperinsulinæmi, såsom ob/ob-musene og de overvægtige Zuckerrotter, har lave niveauer af IRS-1- og IRS-2-proteiner i leveren.29, 30 Disse modeller er karakteriseret ved insulinresistens og en nedsat funktion af IR/IRS-1/PI3K/AKT-aksen i leveren og skeletmuskulaturen. Det er blevet vist, at korte in vitro inkubationer af myoblaster med høje koncentrationer af insulin bestemmer en PI3K-medieret reduktion af IRS-1 proteinekspression og en desensibilisering af insulinsignaltransduktionsmekanismer.9 Endelig er en længerevarende eksponering af dyrkede myoblaster for høje koncentrationer af insulin forbundet med en reduktion af IR/IRS-1/PI3K/AKT-akseaktiviteten.31 Vi har vist, at langvarig eksponering af humane navleåre-endotelceller for høje insulinniveauer inducerer en nedregulering af PI3K(AKT/eNOS-aksen, parallelt med øget ekspression af vaskulært celleadhæsionsmolekyle 1 (VCAM-1).32 De molekylære mekanismer, hvormed hyperinsulinæmi begaver eller forværrer insulinresistens, er imidlertid stadig stort set ukendte.
Hyperinsulinæmi og vaskulær sygdom: Bevis fra laboratoriet
Dyreforsøg33, 34 og flere in vitro-undersøgelser har leveret beviser for den biologiske plausibilitet af hypotesen om, at høje koncentrationer af insulin er pro-atherogene. En forbindelse mellem koronararteriesygdom og høje insulinkoncentrationer blev først foreslået i slutningen af 1960’erne10 og efterfølgende bekræftet (for en gennemgang, se Reddy et al.35). In vitro har insulin vist sig at stimulere proliferation og migration af arterielle glatte muskelceller i vævskulturpræparater21 og at inducere adhæsion af monocytter ved at øge ekspressionen af VCAM-1 i endotelceller.22, 36, 37 VCAM-1 er sandsynligvis det adhæsionsmolekyle, der er mest relevant for udviklingen af åreforkalkning.38 En sådan øget ekspression i tilstedeværelse af insulin sker i et system, hvor insulin stadig kan øge NO-biotilgængeligheden, hvilket normalt ville hæmme endothelaktivering og atherogenese.39 Disse resultater betyder derfor, at en nettoeffekt af høje insulinkoncentrationer på endothelceller for det meste er en pro-inflammatorisk fænotype. Vi har også vist, at disse virkninger kan potentieres af PI-3-kinasehæmmeren wortmannin,22 hvilket får os til at postulere, at de kan blive yderligere forstærket under forhold med insulinresistens, der efterlignes af wortmannin. Da insulins evne til at inducere endothelaktivering (for hvilken VCAM-1-ekspression er både en markør og en mediator) er en plausibel forklaring på makrovaskulær sygdom, der ledsager hyperinsulinæmiske tilstande, undersøgte vi potentielle molekylære mekanismer, der er involveret i dette specifikke mønster af endothelaktivering. Endothelceller fra menneskelige navlevener blev inkuberet med insulin (0-24 timer) ± inhibitorer af signalveje, der potentielt er involveret. Inkubation af endothelceller med inhibitorer af ERK1/2 kunne ikke påvirke den insulininducerede VCAM-1-ekspression. Omvendt mindskede p38 MAPK-hæmmerne SB203580 og SB202190, proteinkinase C (PKC)-β isoform-hæmmeren LY379196 og – delvist – c-Jun NH2-terminal kinase-hæmmeren SP600127, der alle blev testet i koncentrationer omkring deres IC50 for hæmning af substratfosforylering, insulinets virkning på VCAM-1. Gen-silens af p38 MAPK ved hjælp af små interfererende RNA’er, som undertrykte ekspressionen af p38 MAPK, undertrykte insulinstimuleret VCAM-1-ekspression.22, 36, 37 Behandling med insulin førte også til aktivering af NF-κB.22, 36
I dyr har langtidsbehandling med insulin vist sig at inducere arterielle læsioner, som er rige på lipider, og at stimulere vægfortykkelse.10 De mekanismer, der er ansvarlige for disse læsioner, er øget kolesterolsyntese i fedtvævet, et ubalanceret forhold mellem receptorer for lavdensitetslipoproteiner og højdensitetslipoproteiner (med en stigning af førstnævnte og en reduktion af sidstnævnte) og øget binding af lavdensitetslipoproteiner til arterielle glatte muskelceller.10 Insulin er også en vækstfaktor, der er i stand til at fremme angiogenese og proliferation af glatte muskelceller ved at aktivere de samme veje, som aktiveres af IGF’er.40 Disse insulinvirkninger synes at være involveret i den retinale neovaskularisering og spiller derfor en central rolle i patofysiologien ved diabetisk mikroangiopati og-potentielt-atherosklerotisk plaque destabilisering.41, 42, 43
Blandt de andre potentielle mekanismer, hvormed høje insulinniveauer begunstiger åreforkalkning, er endotheldysfunktion44 og hæmning af makrofagapoptose sandsynligvis også relevante.45 Endotheldysfunktion går forud for og forudsiger makrovaskulære hændelser. Hos raske mennesker kan infusion af insulin, der opnår patofysiologisk relevante insulinkoncentrationer (>120pmol/L), inducere alvorlig endotheldysfunktion i store arterier.44 De ansvarlige mekanismer involverer sandsynligvis øget intracellulært oxidativt stress.46 In vitro-undersøgelser har vist, at insulin stimulerer produktionen af endothelin, aktiviteten af det sympatiske system og natriumretention.47 Desuden letter insulin migration og proliferation af glatte muskelceller, øger produktionen af ekstracellulær matrix og inducerer en pro-koagulerende status,48 og bidrager således muligvis også til postangioplastik restenose, der hyppigere observeres hos diabetiske end hos ikke-diabetiske patienter.49
Hyperinsulinæmi og kardiovaskulær sygdom: På trods af den stærke patofysiologi og eksperimentelle dokumentation for proatherogene virkninger af hyperinsulinæmi sekundært til insulinresistens, underkastes patienter med type 2-diabetes meget ofte insulinadministration for at normalisere hyperglykæmi, niveauer af frie fedtsyrer og glykateret hæmoglobin. Denne behandling indebærer ofte insulinadministration i meget høje doser (op til 100 eller endog 625 U/dag)50 , hvilket medfører, at der opstår uheldige virkninger, såsom vægtstigning, hæmning af den resterende endogene insulinsekretion51 og overekspression af MAPK-vejen.19 På grund af insulins gunstige virkninger på blodglukose og på de højglukosemedierede skadelige virkninger på den vaskulære funktion, kan beviserne for skadelige nettoeffekter af høje doser insulin ved diabetes imidlertid ikke være entydige. DAI-undersøgelsen (Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health)52 , en multicenterkohorteundersøgelse om prævalens og forekomst af kardiovaskulære hændelser (myokardieinfarkt, cerebral tromboembolisme), og perifere amputationer) hos type 2-diabetespatienter viste, at sammenlignet med oral antidiabetisk behandling (som f.eks. metformin, der ikke medfører øget insulinsekretion) var insulinbehandling forbundet med et højere antal kardiovaskulære hændelser hos mænd og kvinder med type 2-diabetes. Hos patienter med type 2-diabetes har insulinbehandling vist sig at øge risikoen for fodsår53 , hypertension54 og høj ADP-afhængig trombocytaggregation55 . I Framingham Heart Study viste diabetespatienter, der blev behandlet med insulin, den højeste forekomst af morbiditet og mortalitet i forbindelse med kardiovaskulær sygdom56 . I den første nationale undersøgelse af sundhed og ernæring (National Health and Nutrition Examination Survey) viste de 7381 observerede patienter med diabetes, der blev behandlet med insulin, en øget risiko for død af alle årsager og død som følge af hjerte-kar-sygdomme.57 I Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes viste patienter under intensiv insulinbehandling en forekomst af hjerte-kar-hændelser på 32 % sammenlignet med 21 % hos patienter under standardinsulinbehandling.58 I Atherosclerotic Risk in Communities-undersøgelsen havde patienter i behandling med sulfonylurinstoffer (som også fører til øgede insulinkoncentrationer) en relativ risiko for hjerte-kar-sygdomme på 1,82, mens patienter i insulinbehandling havde en relativ risiko på 2,64.59 Kumamoto-undersøgelsen, hvor patienter i insulinbehandling ikke viste en øget risiko for makrovaskulær sygdom, bidrog ikke væsentligt til at belyse dette spørgsmål, fordi patienterne var hypoinsulinæmiske og ikke overvægtige.60 En nylig undersøgelse har vist, at den gennemsnitlige amplitude af glykæmiske ekskursioner fra data fra kontinuerlig glukoseovervågning korrelerede positivt og uafhængigt med udskillelsen af 8-iso-prostaglandin F2α i urinen, en markør for oxidativt stress, hos patienter med dårligt kontrolleret diabetes på orale hypoglykæmiske midler.61 Forfatterne fandt ikke sådanne sammenhænge hos insulinbehandlede type 1- og type 2-diabetiske patienter, hvilket tyder på, at insulinbehandling i sig selv hæmmer oxidativt stress hos disse patienter. Insulinets virkninger på den cellulære homeostase kunne dog også afhænge af insulinkoncentrationerne, da suprafysiologiske doser af insulin har vist sig at inducere generering af reaktive oxygenarter in vitro.62 Samlet set giver eksogent insulin både gunstige (reduktion af hyperglykæmi) og negative (fremme af atherogenese) virkninger.63 Dette er en advarsel om en mindre omfattende brug af insulin ved type 2-diabetes. Hos patienter med blodglukoseniveauer>300mg/dL kan en indledende insulinadministration mindske glukotoksicitet50, 64, 65: herefter ville en reduktion af insulinresistens ved vægttab, øget fysisk træning og brug af insulinsensitivatorer, såsom metformin eller glitazonerne, sandsynligvis være et mere rationelt valg for at forebygge kardiovaskulære komplikationer hos patienter med type 2-diabetes. Det skal bemærkes, at 5 store randomiserede forsøg med intensiv glukosekontrol i forhold til standardbehandling ved type 2-diabetes ikke har vist nogen reduktion i den samlede eller kardiovaskulære dødelighed58, 66, 67, 68, 69; derimod er der fundet en sådan reduktion i EDIC-undersøgelsen70 ved type 1-diabetes, hvor insulinresistens ikke er det primære problem, og hvor insulinbehandling erstatter en primær svigt i insulinproduktionen fra de pancreatiske betaceller. Konklusioner
Patofysiologiske insulinkoncentrationer øger produktionen af endothelin, proinflammatoriske cytokiner, endotheliale leukocyt-adhæsionsmolekyler og PAI-1, hvilket udøver overordnede vaskulære proinflammatoriske virkninger. Resultaterne af in vitro- og in viv-undersøgelser peger på, at patofysiologiske og farmakologiske insulinkoncentrationer spiller en patogen rolle i forbindelse med vaskulær sygdom. Yderligere forskning i brugen af specifikke inhibitorer af MAPK- og PKC-vejene som nye farmakologiske midler, der tager fat på den pro-atherogene insulinsignalering, er berettiget.
Interessekonflikter
Ingen erklæret.
Finansiering
Det oprindelige arbejde af forfatterne her rapporteret blev støttet af tilskud fra Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari til Raffaele De Caterina.
Receptet 4. november 2011
Accepteret 11. november 2011