Atherogenese und Diabetes, Schwerpunkt Insulinresistenz und Hyperinsulinämie | Revista Española de Cardiología

Insulinresistenz, Hyperinsulinämie und Gefäßerkrankungen: Definition des Problems

Makro- und mikrovaskuläre Komplikationen sind die beiden Hauptursachen für Morbidität und Mortalität bei Typ-1- und Typ-2-Diabetes,1 aber makrovaskuläre Komplikationen treten bereits vor dem Ausbruch von Typ-2-Diabetes vermehrt auf.2 Während ein hoher Blutzuckerspiegel3 und glukosebedingte Protein- und Lipidveränderungen – die fortgeschrittenen Glykierungsendprodukte4 – Auslöser sowohl für makro- als auch für mikrovaskuläre Erkrankungen sein können, sobald ein Diabetes (sowohl Typ 1 als auch Typ 2) aufgetreten ist, werden die Faktoren, die makrovaskuläre Erkrankungen im Zusammenhang mit dem metabolischen Syndrom und Prädiabetes verursachen, seit langem diskutiert. Sicherlich treten bei Diabetes und wahrscheinlich auch beim metabolischen Syndrom5, 6, 7, 8 atherosklerotische Gefäßerkrankungen und koronare Herzkrankheiten über die Häufung anderer begleitender Risikofaktoren hinaus auf, wie Hypertriglyzeridämie, niedrige Werte von Lipoproteinen hoher Dichte und Bluthochdruck. Die Insulinresistenz vor dem Ausbruch des Diabetes ist definitionsgemäß durch eine Hyperinsulinämie gekennzeichnet, und es wird seit langem spekuliert, dass diese mit den Gefäßerkrankungen in Zusammenhang steht.9, 10, 11, 12 In diesem kurzen Überblick werden wir die biologische Plausibilität und die Beweise für eine Hyperinsulinämie als kausalen Mechanismus bei der Entwicklung von Atherosklerose vor und nach dem Ausbruch von Typ-2-Diabetes behandeln.

Selektive Insulinresistenz und kompensatorische Hyperinsulinämie: Pathophysiologie

Ursprünglich definierten Reaven et al. das Insulinresistenzsyndrom als ein Bündel kardiovaskulärer Risikofaktoren, einschließlich Glukoseintoleranz, Dyslipidämie und Bluthochdruck, die mit verstärkten kardiovaskulären Erkrankungen einhergehen.13 Sie beschrieben das metabolische Syndrom als einen klinischen Zustand, der durch Insulinresistenz, gestörten Nüchtern-Plasmaglukosegehalt, Fettleibigkeit, Dyslipidämie und Bluthochdruck gekennzeichnet ist.13 Später wurden zwei Definitionen des metabolischen Syndroms vorgeschlagen, eine vom National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 und die andere von der Weltgesundheitsorganisation.15 Hier kann eine Insulinresistenz – gemessen mit der Referenzmethode des hyperinsulinämischen euglykämischen Clamps oder mit Ersatzmethoden wie dem häufig durchgeführten intravenösen Glukosetoleranztest, dem Insulinsuppressionstest oder dem HOMA-Index – bei bis zu 76 % der Probanden nachgewiesen werden,16 und geht mit einer kompensatorischen Hyperinsulinämie einher.16 Obwohl die molekularen Mechanismen der Insulinresistenz noch nicht vollständig geklärt sind, wurden Anomalien in der Insulinsignalübertragung beschrieben.17 In peripheren Geweben, einschließlich der Skelettmuskulatur und der Leber, beginnt Insulin unter normalen Bedingungen seine Wirkung durch Bindung an seinen spezifischen Zelloberflächenrezeptor, d. h. den Insulinrezeptor (IR), der ein heterotetrameres Protein ist, das aus zwei extrazellulären α-Untereinheiten und zwei transmembranen β-Untereinheiten besteht, die durch Disulfidbrücken verbunden sind. Die Bindung von Insulin an die extrazelluläre α-Untereinheit führt zu Konformationsänderungen des IR, was wiederum die Dimerisierung benachbarter Rezeptoren und die Aktivierung der Tyrosinkinasedomäne des intrazellulären Teils der β-Untereinheit bewirkt. Sobald die Tyrosinkinaseaktivität der IR in Gang gesetzt ist, fördert sie die Autophosphorylierung der β-Untereinheit selbst und die rasche Phosphorylierung so genannter „Andockproteine“, wie die IR-Substrate (IRS)-1, -2, -3 und -4 und mehrere andere Proteine, darunter Kollagenhomologieproteine (shc) und src-Homologie 2 (SH2), die ihrerseits mehrere intrazelluläre Signalintermediäre aktivieren (Abbildung 1). Daher spielen die IRS-, shc- und SH2-Proteine eine wichtige regulatorische Rolle in der Insulin-Signalkaskade. In ihrer phosphorylierten Form werden diese Proteine zu Verankerungspunkten für intrazelluläre Proteine mit komplementären SH2-Domänen. Insbesondere die Interaktion zwischen IRS-1-Proteinen und der Phosphatidylinositol (PI)-3-Kinase bestimmt die Aktivierung von Akt (auch als Proteinkinase B bekannt), die für den Mechanismus der Insulinwirkung auf die GLUT-4-Translokation, den Glukosetransport und die Aktivierung der Stickoxid (NO)-Synthase entscheidend ist („metabolischer Signalweg“). Im Gegensatz dazu werden die nicht metabolischen, proliferativen, mitogenen und entzündungsfördernden Wirkungen von Insulin durch die Aktivierung von Ras (hauptsächlich durch shc und in geringerem Maße durch IRS-Proteine), Raf und mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPK) vermittelt („Wachstumssignalweg“).18 Bei insulinresistenten Tieren und in vitro-Modellen lässt sich eine verringerte Aktivierung der Insulinsignalübertragung über den IRS-1/PI3-Kinase-Weg nachweisen, was zu einer verminderten Glukoseaufnahme, einer verringerten NO-Synthese und einer verringerten Glukoseverwertung in den Insulin-Zielgeweben führt. Der gleiche Rückgang des Glukosetransports wird auch auf der Ebene der Betazellen der Bauchspeicheldrüse wahrgenommen und führt zu einer kompensatorischen Erhöhung der Insulinsekretion. Gleichzeitig bleibt jedoch der MAPK-vermittelte Insulinweg unbeeinflusst.19 Man kann leicht verstehen, dass dieses selektive Ungleichgewicht der beiden Signaltransduktionswege unter solchen Bedingungen der Hyperinsulinämie zu einem übermäßigen proliferativen/wachstumsfördernden Signal führen kann, das gleichzeitig die Aufrechterhaltung des normalen Glukosetransports und der Glukosehomöostase ermöglicht. Eine kompensatorische Hyperinsulinämie stimuliert verschiedene proliferative und pro-atherogene Ereignisse in den glatten Gefäßmuskel- und Endothelzellen. Zu diesen Effekten gehören die erhöhte Produktion von Plasminogen-Aktivator-Inhibitor Typ-1 (PAI-1), Endothelin, proinflammatorischen Zytokinen und die erhöhte Oberflächenexpression von Adhäsionsmolekülen.19, 20, 21, 22

Abbildung 1. Der Insulin-Signalweg und seine Beeinträchtigung bei Insulinresistenz. Nach der Bindung an seinen Tyrosinkinase-Rezeptor induziert Insulin die Dimerisierung des Rezeptors und die Aktivierung einer Kaskade von Phosphorylierungsvorgängen, die zwei Arten von Wirkungen hervorrufen: a) „metabolische“ Wirkungen, die den Glukosetransport, die Glykogen- und Proteinsynthese, die Hemmung der Lipolyse, den Schutz vor Apoptose und die Freisetzung von Stickstoffmonoxid fördern (allgemein als „entzündungshemmende“ Wirkungen beschrieben), und b) wachstums- und differenzierungsfördernde Wirkungen, die zur Förderung von Entzündungen und Atherogenese führen (d. h. mitogene, entzündungsfördernde Insulinsignale). Akt, Proteinkinase B (PKB); eNOS, endotheliale Stickoxid-Synthase; ERK, extrazelluläre Rezeptorkinase; IRS-1, Insulin-Substrat-Rezeptor-1; JNK, c-Jun NH2-1 terminale Kinase; MEK, mitogen-aktivierte Proteinkinase/extrazelluläre Rezeptorkinase; p38, p38 mitogen-aktivierte Proteinkinase; PD (PD98059) und UO126, Inhibitoren der extrazellulären Rezeptorkinase 1/2; PI3-Kinase, Phosphatidylinositol(PI)3-kinase; Wortmannin, PI3-Kinase-Inhibitor.

Insulin spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase der Blutgefäße durch die Aktivierung des aus dem Endothel stammenden NO. Insulin steigert die endotheliale NO-Produktion durch Aktivierung von NOS-III (endotheliale NOS) über schnelle posttranslationale Mechanismen, die durch den PI3K/Akt-Signalweg vermittelt werden.23 Bei Insulinresistenz ist der PI3K/Akt-Signalweg selektiv gehemmt, was zu einer endothelialen Dysfunktion führt, mit der Folge eines erhöhten Gefäßtonus und Bluthochdrucks, einer verstärkten Interaktion zwischen Endothelzellen und Leukozyten und einem prothrombotischen Zustand. Diese „selektive“ Insulinresistenz wurde in der Skelettmuskulatur von fettleibigen Menschen und Patienten mit Typ-2-Diabetes24 sowie im Gefäßsystem und im Herzmuskel von fettleibigen Zucker-Ratten nachgewiesen. Hier werden die normalen physiologischen anti-atherogenen Wirkungen des Insulins, die größtenteils auf seine Fähigkeit zur Steigerung der NO-Produktion zurückzuführen sind, in pro-atherogene Wirkungen umgewandelt.25

Ein Teufelskreis zwischen Hyperinsulinämie und Insulinresistenz

Hohe Plasmakonzentrationen von Insulin unter Bedingungen der Insulinresistenz können auch einen Teufelskreis auslösen, der die Insulinresistenz26 durch eine Unterdrückung der durch die PI3K/AKT/NO-Achse vermittelten Wirkungen weiter erhöht, was das System durch die Netto-Förderung der mit der MAPK-Aktivierung verbundenen Wirkungen aus dem Gleichgewicht bringen kann. Da Insulin eine Reihe von biologischen Effekten durch die Bindung und Aktivierung seines Rezeptors (IR) auslöst, der mit Tyrosinkinase-Aktivität auf spezifische Substrate einschließlich IRS-1 und -2 ausgestattet ist,27 weisen Mäuse mit einer gezielten Deletion der IRS-1- und IRS-2-Gene einen Phänotyp der Insulinresistenz auf.28

Tiermodelle der Hyperinsulinämie, wie die ob/ob-Mäuse und die fettleibigen Zucker-Ratten, weisen niedrige Konzentrationen von IRS-1- und IRS-2-Proteinen in der Leber auf.29, 30 Diese Modelle sind durch Insulinresistenz und eine reduzierte Funktion der IR/IRS-1/PI3K/AKT-Achse in der Leber und im Skelettmuskel gekennzeichnet. Es wurde gezeigt, dass eine kurze In-vitro-Inkubation von Myoblasten mit hohen Insulinkonzentrationen eine PI3K-vermittelte Verringerung der IRS-1-Proteinexpression und eine Desensibilisierung der Insulinsignaltransduktionsmechanismen bewirkt.9 Schließlich ist eine längere Exposition von kultivierten Myoblasten gegenüber hohen Insulinkonzentrationen mit einer Verringerung der Aktivität der IR/IRS-1/PI3K/AKT-Achse verbunden.31 Wir haben gezeigt, dass eine längere Exposition menschlicher Nabelvenenendothelzellen gegenüber hohen Insulinspiegeln eine Herunterregulierung der PI3K(AKT/eNOS-Achse induziert, die mit einer erhöhten Expression des vaskulären Zelladhäsionsmoleküls 1 (VCAM-1) einhergeht.32 Die molekularen Mechanismen, durch die Hyperinsulinämie eine Insulinresistenz hervorruft oder verschlimmert, sind jedoch noch weitgehend unbekannt.

Hyperinsulinämie und Gefäßerkrankungen: Evidence from the bench

Tierexperimente33, 34 und mehrere In-vitro-Studien lieferten Belege für die biologische Plausibilität der Hypothese, wonach hohe Insulinkonzentrationen pro-atherogen sind. Ein Zusammenhang zwischen koronarer Herzkrankheit und hohen Insulinkonzentrationen wurde erstmals in den späten 1960er Jahren10 vorgeschlagen und später bestätigt (für einen Überblick siehe Reddy et al.35). In vitro hat sich gezeigt, dass Insulin die Proliferation und Migration arterieller glatter Muskelzellen in Gewebekulturpräparaten21 stimuliert und die Adhäsion von Monozyten durch Erhöhung der Expression von VCAM-1 in Endothelzellen induziert.22, 36, 37 VCAM-1 ist wahrscheinlich das Adhäsionsmolekül, das für die Entwicklung der Atherosklerose am wichtigsten ist.38 Diese erhöhte Expression in Anwesenheit von Insulin tritt in einem System auf, in dem Insulin noch die NO-Bioverfügbarkeit erhöhen kann, was normalerweise die endotheliale Aktivierung und die Atherogenese hemmen würde.39 Daher bedeuten diese Ergebnisse, dass der Nettoeffekt hoher Insulinkonzentrationen auf Endothelzellen hauptsächlich ein pro-inflammatorischer Phänotyp ist. Wir haben auch gezeigt, dass diese Effekte durch den PI-3-Kinase-Inhibitor Wortmannin verstärkt werden können,22 was uns zu der Annahme veranlasst, dass sie unter Bedingungen der Insulinresistenz, die durch Wortmannin nachgeahmt werden, noch weiter verstärkt werden könnten. Da die Fähigkeit von Insulin, eine endotheliale Aktivierung zu induzieren (für die die VCAM-1-Expression sowohl ein Marker als auch ein Mediator ist), eine plausible Erklärung für makrovaskuläre Erkrankungen ist, die mit hyperinsulinämischen Bedingungen einhergehen, haben wir mögliche molekulare Mechanismen untersucht, die an diesem spezifischen Muster der endothelialen Aktivierung beteiligt sind. Menschliche Nabelvenenendothelzellen wurden mit Insulin (0-24h) ± Inhibitoren von möglicherweise beteiligten Signalwegen inkubiert. Die Inkubation von Endothelzellen mit ERK1/2-Inhibitoren hatte keinen Einfluss auf die Insulin-induzierte VCAM-1-Expression. Umgekehrt verringerten die p38-MAPK-Inhibitoren SB203580 und SB202190, der Proteinkinase C (PKC)-β-Isoform-Inhibitor LY379196 und – teilweise – der c-Jun NH2-terminale Kinase-Inhibitor SP600127, die alle in Konzentrationen um ihre IC50 für die Hemmung der Substratphosphorylierung getestet wurden, die Insulinwirkung auf VCAM-1. Das Gen-Silencing von p38 MAPK durch kleine interferierende RNAs, die die Expression von p38 MAPK unterdrückten, unterdrückte die Insulin-stimulierte VCAM-1-Expression.22, 36, 37 Die Behandlung mit Insulin führte auch zur Aktivierung von NF-κB.22, 36

Bei Tieren hat sich gezeigt, dass eine Langzeitbehandlung mit Insulin arterielle Läsionen induziert, die reich an Lipiden sind und die Wandverdickung stimulieren.10 Die Mechanismen, die für diese Läsionen verantwortlich sind, sind eine erhöhte Cholesterinsynthese im Fettgewebe, ein unausgewogenes Verhältnis zwischen Rezeptoren für Lipoproteine niedriger Dichte und Lipoproteine hoher Dichte (mit einer Zunahme der ersteren und einer Verringerung der letzteren) sowie eine verstärkte Bindung der Lipoproteine niedriger Dichte an die glatten Muskelzellen der Arterien.10 Insulin ist auch ein Wachstumsfaktor, der in der Lage ist, die Angiogenese und die Proliferation glatter Muskelzellen zu fördern, indem es dieselben Signalwege aktiviert, die auch durch IGFs aktiviert werden.40 Diese Insulinwirkungen scheinen an der retinalen Neovaskularisierung beteiligt zu sein und spielen daher eine Schlüsselrolle in der Pathophysiologie der diabetischen Mikroangiopathie und – möglicherweise – der Destabilisierung der arteriosklerotischen Plaques.41, 42, 43

Zu den anderen möglichen Mechanismen, durch die hohe Insulinspiegel die Atherosklerose begünstigen, gehören wahrscheinlich auch die endotheliale Dysfunktion44 und die Hemmung der Makrophagen-Apoptose.45 Die endotheliale Dysfunktion geht makrovaskulären Ereignissen voraus und sagt diese voraus. Bei gesunden Menschen kann die Infusion von Insulin bei Erreichen pathophysiologisch relevanter Insulinkonzentrationen (>120pmol/L) eine schwere endotheliale Dysfunktion in großen Arterien hervorrufen.44 Die dafür verantwortlichen Mechanismen sind wahrscheinlich mit erhöhtem intrazellulärem oxidativem Stress verbunden.46 In-vitro-Studien haben gezeigt, dass Insulin die Produktion von Endothelin, die Aktivität des sympathischen Systems und die Natriumretention stimuliert.47 Darüber hinaus fördert Insulin die Migration und Proliferation glatter Muskelzellen, steigert die Produktion von extrazellulärer Matrix und induziert einen gerinnungsfördernden Status,48 und trägt damit möglicherweise auch zur postangioplastischen Restenose bei, die bei Diabetikern häufiger beobachtet wird als bei Nichtdiabetikern.49

Hyperinsulinämie und kardiovaskuläre Erkrankungen: Evidence from the bedside

Trotz der eindeutigen pathophysiologischen und experimentellen Beweise für die proatherogenen Effekte der Hyperinsulinämie als Folge der Insulinresistenz werden Patienten mit Typ-2-Diabetes sehr häufig mit Insulin behandelt, um die Hyperglykämie, die freien Fettsäuren und das glykierte Hämoglobin zu normalisieren. Bei dieser Behandlung werden oft sehr hohe Insulindosen verabreicht (bis zu 100 oder sogar 625 U/Tag),50 was zu unerwünschten Wirkungen wie Gewichtszunahme, Hemmung der restlichen endogenen Insulinsekretion51 und Überexpression des MAPK-Signalwegs führt.19 Aufgrund der günstigen Auswirkungen von Insulin auf den Blutzucker und der durch hohe Glukose vermittelten schädlichen Auswirkungen auf die Gefäßfunktion sind die Beweise für schädliche Nettoauswirkungen von hohen Insulindosen bei Diabetes jedoch nicht eindeutig. Die DAI-Studie (Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health),52 eine multizentrische Kohortenstudie zur Prävalenz und Inzidenz kardiovaskulärer Ereignisse (Myokardinfarkt, zerebrale Thromboembolien, (Myokardinfarkt, zerebrale Thromboembolien und periphere Amputationen) bei Typ-2-Diabetikern zeigte, dass eine Insulinbehandlung im Vergleich zu einer oralen antidiabetischen Behandlung (z. B. Metformin, die keine erhöhte Insulinsekretion zur Folge hat) bei Männern und Frauen mit Typ-2-Diabetes mit einer höheren Anzahl kardiovaskulärer Ereignisse verbunden war. Bei Patienten mit Typ-2-Diabetes erhöht eine Insulintherapie nachweislich unabhängig voneinander das Risiko für Fußgeschwüre,53 Bluthochdruck,54 und eine hohe ADP-abhängige Thrombozytenaggregation.55 In der Framingham Heart Study wiesen mit Insulin behandelte Diabetiker die höchste Inzidenz von Morbidität und Mortalität bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf.56 In der ersten nationalen Gesundheits- und Ernährungsstudie (First National Health and Nutrition Examination Survey) wiesen die mit Insulin behandelten Diabetiker unter 7381 beobachteten Patienten ein erhöhtes Risiko für Todesfälle insgesamt und für Todesfälle aufgrund von Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf.57 In der Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes wiesen Patienten unter intensiver Insulintherapie eine 32%ige Inzidenz von kardiovaskulären Ereignissen auf, verglichen mit 21% bei Patienten unter Standardinsulintherapie.58 In der Studie Atherosclerotic Risk in Communities hatten Patienten, die mit Sulfonylharnstoffen behandelt wurden (was ebenfalls zu erhöhten Insulinkonzentrationen führt), ein relatives Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen von 1,82, während Patienten unter Insulintherapie ein relatives Risiko von 2,64 aufwiesen.59 Die Kumamoto-Studie, in der Patienten unter Insulinbehandlung kein erhöhtes Risiko für makrovaskuläre Erkrankungen aufwiesen, trug nicht wesentlich zur Klärung dieser Frage bei, da die Patienten hypoinsulinämisch und nicht adipös waren.60 Eine neuere Studie hat gezeigt, dass die mittlere Amplitude der glykämischen Exkursionen aus den Daten der kontinuierlichen Glukosemessung positiv und unabhängig mit der Ausscheidung von 8-Iso-Prostaglandin F2α im Urin, einem Marker für oxidativen Stress, bei Patienten mit schlecht eingestelltem Diabetes, die orale Hypoglykämika einnehmen, korreliert.61 Die Autoren fanden keine solchen Assoziationen bei insulinbehandelten Typ-1- und Typ-2-Diabetikern, was darauf hindeutet, dass die Insulinbehandlung selbst den oxidativen Stress bei diesen Patienten hemmt. Die Auswirkungen des Insulins auf die zelluläre Homöostase könnten jedoch auch von der Insulinkonzentration abhängen, da nachgewiesen wurde, dass supraphysiologische Insulindosen in vitro die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies induzieren.62 Insgesamt hat exogenes Insulin sowohl positive (Verringerung der Hyperglykämie) als auch negative (Förderung der Atherogenese) Auswirkungen.63 Dies ist eine Warnung für einen weniger umfangreichen Einsatz von Insulin bei Typ-2-Diabetes. Bei Patienten mit einem Blutzuckerspiegel von >300 mg/dL kann eine anfängliche Insulingabe die Glukotoxizität verringern50, 64, 65: Danach wäre eine Verringerung der Insulinresistenz durch Gewichtsreduktion, eine Steigerung der körperlichen Bewegung und die Verwendung von Insulinsensibilisatoren wie Metformin oder Glitazonen wahrscheinlich die vernünftigere Wahl, um kardiovaskuläre Komplikationen bei Patienten mit Typ-2-Diabetes zu verhindern. Bemerkenswert ist, dass fünf große randomisierte Studien zur intensiven Glukosekontrolle im Vergleich zur Standardtherapie bei Typ-2-Diabetes keine Verringerung der Gesamt- oder kardiovaskulären Mortalität gezeigt haben58, 66, 67, 68, 69; im Gegensatz dazu wurde eine solche Verringerung in der EDIC-Studie70 bei Typ-1-Diabetes festgestellt, wo die Insulinresistenz nicht das primäre Problem ist und die Insulinbehandlung ein primäres Versagen der Insulinproduktion durch die Betazellen der Bauchspeicheldrüse ersetzt.

Schlussfolgerungen

Pathophysiologische Insulinkonzentrationen erhöhen die Produktion von Endothelin, proinflammatorischen Zytokinen, endothelialen Leukozytenadhäsionsmolekülen und PAI-1 und üben insgesamt eine proinflammatorische Wirkung auf die Gefäße aus. Die Ergebnisse von In-vitro- und In-vivo-Studien deuten auf eine pathogene Rolle pathophysiologischer und pharmakologischer Insulinkonzentrationen bei Gefäßerkrankungen hin. Weitere Forschungen zur Verwendung spezifischer Inhibitoren der MAPK- und PKC-Signalwege als neuartige pharmakologische Wirkstoffe, die die pro-atherogenen Insulinsignale beeinflussen, sind gerechtfertigt.

Interessenkonflikte

Keine angegeben.

Finanzierung

Die ursprüngliche Arbeit der Autoren, über die hier berichtet wird, wurde durch Zuschüsse des Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari an Raffaele De Caterina unterstützt.

Received 4 November 2011
Accepted 11 November 2011