Atherogenesis and Diabetes, Focus on Insulin Resistance and Hyperinsulinemia | Revista Española de Cardiología

Inzulinrezisztencia, hyperinsulinemia and vascular disease: defining the problem

A makro- és mikrovaszkuláris szövődmények egyaránt a morbiditás és mortalitás fő okai az 1-es és 2-es típusú cukorbetegségben,1 de a makrovaszkuláris szövődmények előfordulása már a 2-es típusú cukorbetegség kialakulása előtt is megnő.2 Míg a magas vércukorszint3 és a glükóz okozta fehérje- és lipidmódosulások – a fejlett glikációs végtermékek4 – mind a makro-, mind a mikrovaszkuláris betegségek kiváltói lehetnek, miután a cukorbetegség (mind az 1-es, mind a 2-es típusú) kialakult, a makrovaszkuláris betegségeket a metabolikus szindróma és a prediabétesz környezetében okozó tényezőkről régóta vitatkoznak. Bizonyos, hogy cukorbetegségben, és valószínűleg a metabolikus szindróma5, 6, 7, 8 esetében is, az ateroszklerotikus érrendszeri és koszorúér-betegség az egyéb kísérő kockázati tényezők, mint például a hipertrigliceridémia, a nagy sűrűségű lipoproteinek alacsony szintje és a magas vérnyomás, csoportosulásán felül jelentkezik. A cukorbetegség kialakulását megelőző inzulinrezisztenciát definíció szerint hiperinsulinaemia jellemzi, és már régóta feltételezik, hogy ez ok-okozati összefüggésben áll az érrendszeri betegségekkel9, 10, 11, 12 Ebben a rövid áttekintésben a 2. típusú cukorbetegség kialakulását megelőző és követő ateroszklerózis kialakulásának ok-okozati mechanizmusát jelentő hiperinsulinaemia biológiai plauzibilitásával és bizonyítékaival foglalkozunk.

Szelektív inzulinrezisztencia és kompenzációs hiperinsulinaemia: patofiziológia

Eredetileg Reaven és munkatársai az inzulinrezisztencia szindrómát a kardiovaszkuláris kockázati tényezők – köztük a glükóz intolerancia, a diszlipidémia és a hipertónia – olyan csoportjaként definiálták, amely fokozott kardiovaszkuláris betegséggel jár.13 A metabolikus szindrómát olyan klinikai állapotként írták le, amelyet inzulinrezisztencia, csökkent éhomi plazma glükóz, elhízás, diszlipidémia és hipertónia jellemez.13 Később a metabolikus szindróma két definícióját javasolták, az egyiket a National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 , a másikat pedig az Egészségügyi Világszervezet.15 Itt az inzulinrezisztencia – amelyet a referencia módszerrel, a hyperinsulinemic euglycemic clamp vagy helyettesítő módszerekkel, például a gyakori intravénás glükóztolerancia teszttel, inzulinszuppressziós teszttel vagy HOMA-indexszel mérnek – az alanyok akár 76%-ánál kimutatható,16 és kompenzációs hyperinsulinaemiával jár együtt.16 Bár az inzulinrezisztencia molekuláris mechanizmusai még mindig nem teljesen tisztázottak, az inzulin jelátvitel rendellenességeit már leírták.17 A perifériás szövetekben, beleértve a vázizmot és a májat, normális körülmények között az inzulin a specifikus sejtfelszíni receptorához, azaz az inzulinreceptorhoz (IR) kötődve indítja el hatását, amely egy heterotetramer fehérje, amely 2 extracelluláris α-alegységből és 2 transzmembrán β-alegységből áll, amelyeket diszulfidhidak kötnek össze. Az inzulin az extracelluláris α-alegységhez való kötődése az IR konformációs változásait indukálja, ami viszont a szomszédos receptorok dimerizációját és a β-alegység intracelluláris részének tirozin-kináz doménjének aktiválódását okozza. Amint az IR tirozin-kináz aktivitása beindul, elősegíti magának a β-alegységnek az autofoszforilációját és az úgynevezett “dokkoló fehérjék”, például az IR szubsztrátok (IRS)-1, -2, -3 és -4, valamint számos más fehérje, köztük a kollagén homológia fehérjék (shc) és az src homológia 2 (SH2) gyors foszforilációját, amelyek viszont számos intracelluláris jelátviteli intermedier aktiválását segítik elő (1. ábra). Ezért az IRS, shc és SH2 fehérjék fontos szabályozó szerepet játszanak az inzulin jelátviteli kaszkádban. Foszforilált formájukban ezek a fehérjék a komplementer SH2 doméneket tartalmazó intracelluláris fehérjék lehorgonyzási pontjaivá válnak. Különösen az IRS-1 fehérjék és a foszfatidil-inozitol (PI) 3-kináz közötti kölcsönhatás határozza meg az Akt (más néven protein kináz B) aktiválódását, amely kritikus szerepet játszik az inzulin hatásmechanizmusában a GLUT-4 transzlokációra, a glükóztranszportra és a nitrogén-oxid (NO) szintáz aktiválására (“metabolikus jelút”). Ezzel szemben az inzulin nem metabolikus, proliferatív, mitogén, pro-inflammatorikus hatásait a Ras (főként a shc és kisebb mértékben az IRS fehérjéken keresztül), a Raf és a mitogén-aktivált protein kinázok (MAPK) aktiválása közvetíti (“növekedési jelút”).18 Inzulinrezisztens állatokban és in vitro modellekben az IRS-1/PI3-kináz útvonalon keresztül az inzulin jelátvitel csökkent aktivációja mutatható ki, ami csökkent glükózfelvételt, csökkent NO-szintézist és csökkent glükózfelhasználást eredményez az inzulin célszöveteiben. A glükóztranszport ugyanez a csökkenése a hasnyálmirigy béta-sejtjeinek szintjén is érzékelhető, és az inzulinszekréció kompenzációs növekedését indukálja. Ugyanakkor azonban a MAPK által közvetített inzulin útvonal érintetlen marad.19 Könnyen megérthetjük, hogy a két jelátviteli útvonal e szelektív egyensúlyhiánya a hiperinsulinaemia ilyen állapotában túlzott proliferatív/növekedést elősegítő jelhez vezethet, ugyanakkor lehetővé teszi a normál glükóztranszport és glükózhomeosztázis fenntartását. A kompenzációs hiperinsulinaemia különböző proliferatív és pro-atherogén eseményeket stimulál az érrendszeri simaizom- és endotélsejtekben. Ilyen hatások közé tartozik a plazminogén-aktivátor 1-es típusú inhibitor (PAI-1), az endotelin, a proinflammatorikus citokinek és az adhéziós molekulák fokozott felszíni expressziója.19, 20, 21, 22

1. ábra. Az inzulin jelátviteli útvonal és annak károsodása inzulinrezisztencia esetén. A tirozin-kináz receptorához kötődve az inzulin receptor dimerizációt indukál, és foszforilációs események kaszkádjának aktiválódását idézi elő, két hatásosztályba sorolva: a) “metabolikus” hatások, amelyek elősegítik a glükóztranszportot, a glikogén- és fehérjeszintézist, a lipolizmus gátlását, az apoptózistól való védelmet és a nitrogén-oxid felszabadulását (tágan “gyulladáscsökkentő” hatásként jellemezve), és b) növekedést és differenciálódást elősegítő hatások, amelyek a gyulladás és az aterogenezis elősegítéséhez vezetnek (azaz mitogén, pro-inflammatorikus inzulinszignalizáció). Akt, protein kináz B (PKB); eNOS, endothelial nitric oxide synthase; ERK, extracelluláris receptor kináz; IRS-1, inzulin szubsztrát receptor-1; JNK, c-Jun NH2-1 terminális kináz; MEK, mitogén-aktivált protein kináz/extracelluláris receptor kináz; p38, p38 mitogén-aktivált protein kináz; PD (PD98059) és UO126, extracelluláris receptor kináz 1/2 inhibitorok; PI3-kináz, foszfatidil-inozitol(PI)3-kináz; wortmannin, PI3-kináz inhibitor.

Az inzulin fontos szerepet játszik az érhomeosztázis fenntartásában az endotheliumból származó NO aktiválásán keresztül. Az inzulin a NOS-III (endothelialis NOS) aktiválásával gyors poszttranszlációs mechanizmusok révén növeli az endothelialis NO-termelést, amelyet a PI3K/Akt jelátviteli útvonal közvetít.23 Inzulinrezisztencia állapotokban a PI3K/Akt útvonal szelektíven gátolt, és ez endothelialis diszfunkcióhoz vezet, aminek következtében megnő az érrendszeri tónus és a hipertónia, fokozódik az endothelsejtek és a leukociták közötti interakció, és prothrombotikus állapot alakul ki. Ezt a “szelektív” inzulinrezisztenciát kimutatták elhízott emberek és 2-es típusú cukorbetegek vázizomzatában,24 valamint elhízott Zucker-patkányok érrendszerében és szívizomzatában. Itt az inzulin normális fiziológiás anti-atherogén hatásai, amelyek nagyrészt az NO-termelés fokozására való képességének köszönhetőek, pro-atherogén hatássá alakulnak át.25

Ördögi kör a hyperinsulinaemia és az inzulinrezisztencia között

Az inzulinrezisztencia állapotában az inzulin magas plazmakoncentrációja is kiválthat egy olyan ördögi kört, amely a PI3K/AKT/NO tengely által közvetített hatások elnyomása révén tovább növeli az inzulinrezisztenciát26 , ami a MAPK aktivációval kapcsolatos hatások nettó elősegítése révén kibillentheti a rendszer egyensúlyát. Mivel az inzulin egy sor biológiai hatást vált ki receptorának (IR) kötődésén és aktiválásán keresztül, amelyet tirozin-kináz aktivitással ruháznak fel a specifikus szubsztrátokon, beleértve az IRS -1 és -2-t,27 az IRS-1 és IRS-2 gének célzott deléciójával rendelkező egerek inzulinrezisztencia fenotípust mutatnak28.

A hiperinsulinémiás állatmodellek, mint például az ob/ob egerek és az elhízott Zucker patkányok, alacsony IRS-1 és IRS-2 fehérjeszintet mutatnak a májban.29, 30 Ezeket a modelleket inzulinrezisztencia és az IR/IRS-1/PI3K/AKT tengely csökkent működése jellemzi a májban és a vázizomzatban. Kimutatták, hogy a myoblastok rövid in vitro inkubációja magas inzulinkoncentrációval az IRS-1 fehérje expressziójának PI3K által közvetített csökkenését és az inzulin jelátviteli mechanizmusok deszenzitizációját határozza meg.9 Végül, a tenyésztett myoblastok magas inzulinkoncentrációnak való hosszan tartó expozíciója az IR/IRS-1/PI3K/AKT tengely aktivitásának csökkenésével jár.31 Kimutattuk, hogy a humán köldökvéna endotélsejtek magas inzulinszintnek való tartós expozíciója a PI3K(AKT/eNOS tengely downregulációját idézi elő, ami párhuzamosan a vaszkuláris sejtadhéziós molekula 1 (VCAM-1) fokozott expressziójával jár.32 Azonban még mindig nagyrészt ismeretlenek azok a molekuláris mechanizmusok, amelyeken keresztül a hiperinzulinémia inzulinrezisztenciát szül vagy súlyosbít.

Hiperinzulinémia és érbetegségek: Evidence from the bench

Az állatkísérletek33, 34 és számos in vitro vizsgálat bizonyítékot szolgáltatott annak a hipotézisnek a biológiai plauzibilitására, amely szerint a magas inzulinkoncentrációk pro-atherogén hatásúak. A koszorúér-betegség és a magas inzulinkoncentráció közötti kapcsolatot először az 1960-as évek végén javasolták10 , majd később megerősítették (áttekintésért lásd Reddy és munkatársai35). In vitro kimutatták, hogy az inzulin szövetkultúra-készítményekben21 serkenti az artériás simaizomsejtek proliferációját és migrációját, és az endotélsejtek VCAM-1 expressziójának növelésével monocita adhéziót indukál.22, 36, 37 A VCAM-1 valószínűleg az ateroszklerózis kialakulása szempontjából legfontosabb adhéziós molekula.38 Az ilyen fokozott expresszió inzulin jelenlétében olyan rendszerben történik, ahol az inzulin még mindig növelheti az NO biológiai hozzáférhetőségét, ami normális esetben gátolná az endothel aktivációt és az aterogenezist.39 Ezek az eredmények tehát azt jelentik, hogy a magas inzulinkoncentrációknak az endothelsejtekre gyakorolt nettó hatása többnyire pro-inflammatorikus fenotípus. Azt is kimutattuk, hogy ezeket a hatásokat a PI-3-kináz gátló wortmannin,22 ami arra enged következtetni, hogy ezek a hatások tovább erősödhetnek a wortmanninnal utánzott inzulinrezisztencia körülményei között. Mivel az inzulin endotél-aktivációt indukáló képessége (amelynek a VCAM-1 expressziója egyszerre marker és mediátor) plauzibilis magyarázata a hyperinsulinémiás állapotokat kísérő makrovaszkuláris betegségeknek, megvizsgáltuk az endotél-aktiváció e specifikus mintázatában szerepet játszó lehetséges molekuláris mechanizmusokat. Humán köldökvénás endotélsejteket inkubáltunk inzulinnal (0-24 óra) ± a potenciálisan érintett jelátviteli útvonalak gátlóival. Az endotélsejtek ERK1/2 gátlókkal történő inkubálása nem befolyásolta az inzulin indukálta VCAM-1 expressziót. Ezzel szemben a p38 MAPK gátló SB203580 és SB202190, a protein kináz C (PKC)-β izoforma gátló LY379196 és – részben – a c-Jun NH2-terminális kináz gátló SP600127, mindegyiket a szubsztrát foszforilációjának gátlására szolgáló IC50 körüli koncentrációban tesztelve, csökkentették az inzulin VCAM-1-re gyakorolt hatását. A p38 MAPK géncsendesítése kis interferáló RNS-ekkel, amelyek elnyomták a p38 MAPK expresszióját, elnyomta az inzulin által stimulált VCAM-1 expressziót.22, 36, 37 Az inzulinnal való kezelés az NF-κB aktiválódásához is vezetett.22, 36

Az állatokban a hosszú távú inzulinkezelésről kimutatták, hogy lipidekben gazdag artériás elváltozásokat idéz elő, és stimulálja a fal megvastagodását.10 Az ezen elváltozásokért felelős mechanizmusok a következők: fokozott koleszterinszintézis a zsírszövetben, az alacsony sűrűségű lipoproteinek és a nagy sűrűségű lipoproteinek receptorai közötti egyensúlyhiányos arány (az előbbiek növekedésével és az utóbbiak csökkenésével), valamint az alacsony sűrűségű lipoproteinek fokozott kötődése az artériás simaizomsejtekhez.10 Az inzulin növekedési faktor is, amely képes elősegíteni az angiogenezist és a simaizomsejtek proliferációját azáltal, hogy ugyanazokat az útvonalakat aktiválja, amelyeket az IGF-ek.40 Úgy tűnik, hogy ezek az inzulinhatások részt vesznek a retina neovaszkularizációjában, ezért kulcsszerepet játszanak a diabéteszes mikroangiopátia és – potenciálisan – az ateroszklerotikus plakkok destabilizációjának patofiziológiájában41, 42, 43

Az egyéb lehetséges mechanizmusok közül, amelyek révén a magas inzulinszintek kedveznek az ateroszklerózisnak, valószínűleg az endotheldiszfunkció,44 és a makrofág apoptózis gátlása is releváns.45 Az endotheldiszfunkció megelőzi és előre jelzi a makrovaszkuláris eseményeket. Egészséges humán alanyokban az inzulin infúziója, a patofiziológiailag releváns inzulinkoncentrációk (>120pmol/L) elérésével, súlyos endotheldiszfunkciót idézhet elő a nagy artériákban.44 A felelős mechanizmusok valószínűleg a fokozott intracelluláris oxidatív stresszel kapcsolatosak.46 In vitro vizsgálatok kimutatták, hogy az inzulin serkenti az endotelin termelődését, a szimpatikus rendszer aktivitását és a nátriumretenciót.47 Továbbá az inzulin elősegíti a simaizomsejtek migrációját és proliferációját, növeli az extracelluláris mátrix termelését, és prokoaguláns állapotot indukál,48 így valószínűleg szintén hozzájárul a posztangioplasztikai restenózishoz, amely gyakrabban figyelhető meg cukorbetegeknél, mint nem cukorbetegeknél.49

Hyperinsulinaemia és kardiovaszkuláris betegségek:

Annak ellenére, hogy az inzulinrezisztenciához másodlagosan társuló hyperinsulinaemia proatherogén hatásainak erős patofiziológiai és kísérleti bizonyítékai vannak, a 2-es típusú diabeteses betegeknél nagyon gyakran alkalmaznak inzulint a hyperglykaemia, a szabad zsírsavszintek és a glikált hemoglobin normalizálása érdekében. Ez a kezelés gyakran nagyon nagy dózisú (akár 100 vagy akár 625 U/nap) inzulin adását jelenti,50 ami olyan nemkívánatos hatások megjelenését okozza, mint a testsúlynövekedés, a maradék endogén inzulinszekréció gátlása,51 és a MAPK-útvonal túlterjedése.19 Az inzulin vércukorszintre gyakorolt kedvező hatásai és a magas glükóz által közvetített, az érműködést károsító hatások miatt azonban nem lehet egyértelműen bizonyítani a nagy dózisú inzulin nettó káros hatásait cukorbetegségben. A DAI (Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health) tanulmány,52 egy multicentrikus kohorszvizsgálat a kardiovaszkuláris események (szívinfarktus, agyi tromboembólia, és perifériás amputációk) a 2-es típusú cukorbetegek körében, kimutatta, hogy az orális antidiabetikus kezeléssel (például a metforminnal, amely nem jár fokozott inzulinelválasztással) összehasonlítva az inzulinkezelés a 2-es típusú cukorbetegségben szenvedő férfiak és nők körében nagyobb számú kardiovaszkuláris eseménnyel járt együtt. A 2-es típusú cukorbetegségben szenvedő betegeknél az inzulinkezelésről kimutatták, hogy önállóan növeli a lábszárfekélyek,53 a magas vérnyomás,54 és a magas ADP-függő vérlemezke-aggregáció kockázatát.55 A Framingham Heart Study-ban az inzulinnal kezelt cukorbetegeknél volt a legmagasabb a szív- és érrendszeri betegségek megbetegedési és halálozási gyakorisága56 . Az első Nemzeti Egészség- és Táplálkozásvizsgálati Felmérés során a 7381 megfigyelt beteg közül az inzulinnal kezelt cukorbetegeknél az összes okból bekövetkező halálozás és a szív- és érrendszeri betegségnek tulajdonítható halálozás kockázata megnőtt.57 A Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes (Veteránügyi Együttműködési Tanulmány a II. típusú cukorbetegség glikémiás kontrolljáról és szövődményeiről) során az intenzív inzulinkezelés alatt álló betegeknél a szív- és érrendszeri események előfordulása 32% volt, szemben a standard inzulinkezelés alatt álló betegek 21%-ával.58 Az Atherosclerotic Risk in Communities tanulmányban a szulfonilureával kezelt betegeknél (ami szintén megnövekedett inzulinkoncentrációhoz vezet) a szív- és érrendszeri betegségek relatív kockázata 1,82 volt, míg az inzulinterápiában részesülő betegeknél 2,64.59 A Kumamoto tanulmány, amelyben az inzulinkezelésben részesülő betegeknél nem mutatkozott a makrovaszkuláris betegségek megnövekedett kockázata, nem járult hozzá jelentősen e kérdés megválaszolásához, mivel a betegek hipoinsulinémiásak és nem voltak elhízottak.60 Egy nemrégiben végzett vizsgálat kimutatta, hogy a folyamatos glükózmonitorozás adataiból származó glikémiás kitérések átlagos amplitúdója pozitívan és egymástól függetlenül korrelált a vizelet 8-izo-prosztaglandin F2α-kiválasztással, az oxidatív stressz markerével, az orális hipoglikémiás szereket szedő, rosszul kontrollált cukorbetegeknél.61 A szerzők nem találtak ilyen összefüggést az inzulinnal kezelt 1-es és 2-es típusú cukorbetegeknél, ami arra utal, hogy az inzulinkezelés maga gátolja az oxidatív stresszt ezeknél a betegeknél. Ugyanakkor a sejtek homeosztázisára gyakorolt inzulinhatás az inzulin koncentrációjától is függhet, mivel kimutatták, hogy az inzulin fiziológián felüli dózisai in vitro reaktív oxigénfajok keletkezését indukálják.62 Összességében az exogén inzulin kedvező (a hyperglykaemia csökkentése) és kedvezőtlen (az atherogenesis elősegítése) hatásokat vált ki.63 Ez figyelmeztetés az inzulin kevésbé széles körű alkalmazására a 2-es típusú diabetesben. A>300mg/dl vércukorszintű betegeknél a kezdeti inzulinadagolás csökkentheti a glükotoxicitást50, 64, 65: ezt követően az inzulinrezisztencia csökkentése testsúlycsökkentéssel, a testmozgás fokozásával és inzulinérzékenyítők, például metformin vagy a glitazonok alkalmazásával valószínűleg racionálisabb választás lenne a kardiovaszkuláris szövődmények megelőzésére a 2-es típusú cukorbetegeknél. Megjegyzendő, hogy a 2-es típusú cukorbetegségben az intenzív glükózszabályozás és a standard terápia 5 nagy randomizált vizsgálata nem mutatta ki a teljes vagy kardiovaszkuláris mortalitás csökkenését58, 66, 67, 68, 69; ezzel szemben az EDIC tanulmányban70 ilyen csökkenést találtak az 1-es típusú cukorbetegségben, ahol az inzulinrezisztencia nem az elsődleges probléma, és az inzulinkezelés a hasnyálmirigy béta-sejtjeinek elsődleges inzulintermelési elégtelenségét helyettesíti.

Következtetések

A patofiziológiás inzulinkoncentráció növeli az endotelin, a proinflammatorikus citokinek, az endotél leukocita adhéziós molekulák és a PAI-1 termelését, általános vaszkuláris pro-inflammatorikus hatást gyakorolva. Az in vitro és in vivo vizsgálatok eredményei arra utalnak, hogy a patofiziológiai és farmakológiai inzulinkoncentrációk patogén szerepet játszanak az érbetegségekben. További kutatások indokoltak a MAPK és PKC útvonalak specifikus gátlóinak, mint a pro-atherogén inzulin jelátvitelt kezelő új farmakológiai szereknek az alkalmazásával kapcsolatban.

Összeférhetetlenség

Nincs bejelentve.

Finanszírozás

A szerzők itt közölt eredeti munkáját az Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari Raffaele De Caterinának nyújtott támogatással támogatta.

Elkészült 2011. november 4-én
Elfogadva 2011. november 11-én

.