Aterogenesi e diabete, focus su insulino-resistenza e iperinsulinemia | Revista Española de Cardiología

Insulino-resistenza, iperinsulinemia e malattia vascolare: definire il problema

Le complicanze macro e microvascolari sono entrambe cause principali di morbilità e mortalità nel diabete di tipo 1 e di tipo 2,1 ma le complicanze macrovascolari hanno una maggiore incidenza anche prima della comparsa del diabete di tipo 2.2 Mentre l’alta glicemia3 e le modifiche proteiche e lipidiche indotte dal glucosio – gli endprodotti di glicazione avanzati4 – possono essere fattori scatenanti della malattia macro e microvascolare una volta che il diabete (sia di tipo 1 che di tipo 2) si è verificato, i fattori che causano la malattia macrovascolare nell’impostazione della sindrome metabolica e del prediabete sono stati a lungo dibattuti. Certamente nel diabete, e probabilmente anche nell’impostazione della sindrome metabolica,5, 6, 7, 8 aterosclerotica vascolare e malattia coronarica si verificano oltre il clustering di altri fattori di rischio di accompagnamento, come ipertrigliceridemia, bassi livelli di lipoproteine ad alta densità e ipertensione. L’insulino-resistenza prima dell’insorgenza del diabete è, per definizione, caratterizzata da iperinsulinemia, e questo è stato a lungo speculato per essere causalmente collegato alla malattia vascolare.9, 10, 11, 12 In questa breve rassegna affronteremo la plausibilità biologica e le prove che l’iperinsulinemia sia un meccanismo causale nello sviluppo dell’aterosclerosi prima e dopo l’insorgenza del diabete di tipo 2.

L’insulino-resistenza selettiva e l’iperinsulinemia compensatoria: fisiopatologia

Originariamente, Reaven et al. hanno definito la sindrome da insulino-resistenza come un gruppo di fattori di rischio cardiovascolare, tra cui l’intolleranza al glucosio, la dislipidemia e l’ipertensione, associati a una maggiore malattia cardiovascolare.13 Hanno descritto la sindrome metabolica come una condizione clinica caratterizzata da insulino-resistenza, alterata glicemia a digiuno, obesità, dislipidemia e ipertensione.13 In seguito, sono state proposte due definizioni della sindrome metabolica, una dal National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 e l’altra dall’Organizzazione Mondiale della Sanità.15 Qui, l’insulino-resistenza – come misurata dal metodo di riferimento del clamp euglicemico iperinsulinemico o da metodi surrogati, come il test di tolleranza al glucosio per via endovenosa, il test di soppressione dell’insulina o l’indice HOMA – può essere dimostrato fino al 76% dei soggetti,16 ed è accompagnato da iperinsulinemia compensatoria.16 Sebbene i meccanismi molecolari dell’insulino-resistenza siano ancora incompleti, sono state descritte anomalie nella segnalazione dell’insulina.17 Nei tessuti periferici, compresi il muscolo scheletrico e il fegato, in condizioni normali l’insulina inizia la sua azione legando il suo specifico recettore di superficie cellulare, cioè il recettore dell’insulina (IR), che è una proteina eterotetramerica composta da 2 subunità α extracellulari e 2 subunità β transmembrana collegate da ponti disolfuro. Il legame dell’insulina alla subunità α extracellulare induce cambiamenti conformazionali dell’IR, che a sua volta causa la dimerizzazione dei recettori adiacenti e l’attivazione del dominio tirosin-chinasico della parte intracellulare della subunità β. Una volta avviata l’attività tirosin-chinasica dell’IR, essa promuove l’autofosforilazione della stessa β-subunità e la rapida fosforilazione delle cosiddette “proteine di aggancio”, come i substrati IR (IRS)-1, -2, -3, e -4, e diverse altre proteine, tra cui le proteine di omologia del collagene (shc) e l’omologia 2 di src (SH2), che a loro volta attivano molteplici intermedi di segnalazione intracellulari (Figura 1). Pertanto, le proteine IRS, shc e SH2 svolgono importanti ruoli di regolazione nella cascata di segnalazione dell’insulina. Nella loro forma fosforilata, queste proteine diventano punti di ancoraggio per proteine intracellulari contenenti domini SH2 complementari. In particolare, l’interazione tra le proteine IRS-1 e la fosfatidilinositolo (PI) 3-chinasi determina l’attivazione di Akt (nota anche come proteina chinasi B), che è fondamentale nel meccanismo di azione dell’insulina sulla traslocazione di GLUT-4, il trasporto del glucosio e l’attivazione dell’ossido nitrico (NO) sintasi (“via del segnale metabolico”). Al contrario, gli effetti non metabolici, proliferativi, mitogeni e pro-infiammatori dell’insulina sono mediati dall’attivazione di Ras (soprattutto attraverso le proteine shc e, in misura minore, IRS), Raf e le protein chinasi attivate da mitogeni (MAPK) (“via di segnalazione della crescita”).18 Negli animali insulino-resistenti e nei modelli in vitro si può dimostrare una ridotta attivazione della segnalazione dell’insulina attraverso la via delle IRS-1/PI3-chinasi, con conseguente diminuzione dell’assorbimento del glucosio, riduzione della sintesi di NO e ridotta utilizzazione del glucosio nei tessuti bersaglio dell’insulina. La stessa diminuzione del trasporto di glucosio è percepita a livello delle cellule beta pancreatiche e induce un aumento compensativo della secrezione di insulina. Allo stesso tempo, tuttavia, la via dell’insulina mediata da MAPK rimane inalterata.19 Si può facilmente comprendere che questo squilibrio selettivo delle due vie di trasduzione del segnale in tali condizioni di iperinsulinemia può portare a un eccessivo segnale proliferativo/promotore di crescita, permettendo allo stesso tempo il mantenimento del normale trasporto di glucosio e dell’omeostasi del glucosio. L’iperinsulinemia compensatoria stimola vari eventi proliferativi e pro-aterogeni nella muscolatura liscia vascolare e nelle cellule endoteliali. Tali effetti includono l’aumento della produzione dell’inibitore dell’attivatore del plasminogeno tipo-1 (PAI-1), dell’endotelina, delle citochine proinfiammatorie e l’aumento dell’espressione superficiale delle molecole di adesione.19, 20, 21, 22

Figura 1. La via di segnalazione dell’insulina e la sua compromissione nell’insulino-resistenza. Quando si lega al suo recettore tirosin-chinasico, l’insulina induce la dimerizzazione del recettore e l’attivazione di una cascata di eventi di fosforilazione, producendo due classi di effetti: a) effetti “metabolici”, che promuovono il trasporto del glucosio, la sintesi del glicogeno e delle proteine, l’inibizione della lipolisi, la protezione dall’apoptosi e il rilascio di ossido nitrico (ampiamente descritto come effetti “anti-infiammatori”), e b) effetti che promuovono la crescita e la differenziazione, che portano alla promozione dell’infiammazione e dell’aterogenesi (cioè, segnalazione insulinica mitogenica e pro-infiammatoria). Akt, proteina chinasi B (PKB); eNOS, ossido nitrico sintasi endoteliale; ERK, recettore chinasi extracellulare; IRS-1, recettore substrato dell’insulina-1; JNK, c-Jun NH2-1 chinasi terminale; MEK, protein chinasi attivata da mitogeno/recettore chinasi extracellulare; p38, proteina chinasi attivata da mitogeno p38; PD (PD98059) e UO126, inibitori della chinasi 1/2 del recettore extracellulare; PI3-chinasi, fosfatidilinositolo (PI)3-chinasi; wortmannin, inibitore della PI3-chinasi.

L’insulina ha un ruolo importante nel mantenimento dell’omeostasi dei vasi sanguigni attraverso l’attivazione dell’NO derivato dall’endotelio. L’insulina aumenta la produzione endoteliale di NO attivando la NOS-III (NOS endoteliale) attraverso rapidi meccanismi post-traslazionali, che sono mediati dalla via di segnalazione PI3K/Akt.23 Negli stati di insulino-resistenza la via PI3K/Akt è selettivamente inibita, e questo porta alla disfunzione endoteliale, con un conseguente aumento del tono vascolare e dell’ipertensione, una maggiore interazione tra cellule endoteliali e leucociti e uno stato protrombotico. Questa resistenza “selettiva” all’insulina è stata dimostrata nel muscolo scheletrico di persone obese e pazienti con diabete di tipo 2,24 e nella vasculatura e nel miocardio di ratti Zucker obesi. Qui, i normali effetti fisiologici anti-aterogeni dell’insulina, dovuti in gran parte alla sua capacità di aumentare la produzione di NO, si trasformano in effetti pro-aterogeni.25

Un circolo vizioso tra iperinsulinemia e insulino-resistenza

Alte concentrazioni plasmatiche di insulina in condizioni di insulino-resistenza possono anche innescare un circolo vizioso che aumenta ulteriormente l’insulino-resistenza26 attraverso una soppressione degli effetti mediati dall’asse PI3K/AKT/NO, che può sbilanciare il sistema attraverso la promozione netta di effetti legati all’attivazione delle MAPK. Poiché l’insulina scatena una serie di effetti biologici attraverso il legame e l’attivazione del suo recettore (IR), dotato di attività tirosin-chinasica su specifici substrati tra cui IRS -1 e -2,27 i topi con una delezione mirata dei geni IRS-1 e IRS-2 presentano un fenotipo di insulino-resistenza.28

I modelli animali di iperinsulinemia, come i topi ob/ob e i ratti obesi Zucker, hanno bassi livelli di proteine IRS-1 e IRS-2 nel fegato.29, 30 Questi modelli sono caratterizzati da insulino-resistenza e da una ridotta funzione dell’asse IR/IRS-1/PI3K/AKT nel fegato e nel muscolo scheletrico. È stato dimostrato che brevi incubazioni in vitro di mioblasti con alte concentrazioni di insulina determinano una riduzione PI3K-mediata dell’espressione della proteina IRS-1 e una desensibilizzazione dei meccanismi di trasduzione del segnale insulinico.9 Infine, una prolungata esposizione di mioblasti coltivati ad alte concentrazioni di insulina è associata a una riduzione dell’attività dell’asse IR/IRS-1/PI3K/AKT.31 Abbiamo dimostrato che l’esposizione prolungata delle cellule endoteliali della vena ombelicale umana ad alti livelli di insulina induce una downregulation dell’asse PI3K(AKT/eNOS, parallelamente all’aumento dell’espressione della molecola di adesione delle cellule vascolari 1 (VCAM-1).32 Tuttavia, i meccanismi molecolari attraverso i quali l’iperinsulinemia genera o peggiora l’insulino-resistenza sono ancora ampiamente sconosciuti.

Iperinsulinemia e malattia vascolare: Prove dal banco

Esperimenti sugli animali33, 34 e diversi studi in vitro hanno fornito prove della plausibilità biologica dell’ipotesi secondo cui alte concentrazioni di insulina sono pro-aterogene. Un legame tra malattia coronarica e alte concentrazioni di insulina è stato proposto per la prima volta alla fine degli anni ‘6010 e successivamente confermato (per una revisione, vedi Reddy et al.35). In vitro, è stato dimostrato che l’insulina stimola la proliferazione e la migrazione delle cellule muscolari lisce arteriose in preparati di colture tissutali21 e induce l’adesione dei monociti aumentando l’espressione di VCAM-1 nelle cellule endoteliali.22, 36, 37 VCAM-1 è probabilmente la molecola di adesione più rilevante per lo sviluppo dell’aterosclerosi.38 Tale aumento di espressione in presenza di insulina si verifica in un sistema in cui l’insulina può ancora aumentare la biodisponibilità di NO, che normalmente inibirebbe l’attivazione endoteliale e l’aterogenesi.39 Pertanto questi risultati significano che un effetto netto di alte concentrazioni di insulina sulle cellule endoteliali è principalmente un fenotipo pro-infiammatorio. Abbiamo anche dimostrato che questi effetti possono essere potenziati dall’inibitore della PI-3-chinasi wortmannin,22 portandoci a postulare che essi possano essere ulteriormente amplificati in condizioni di resistenza all’insulina mimata da wortmannin. Poiché la capacità dell’insulina di indurre l’attivazione endoteliale (per cui l’espressione VCAM-1 è sia un marcatore che un mediatore) è una spiegazione plausibile per la malattia macrovascolare che accompagna le condizioni iperinsulinemiche, abbiamo esaminato potenziali meccanismi molecolari coinvolti in questo specifico modello di attivazione endoteliale. Le cellule endoteliali della vena ombelicale umana sono state incubate con insulina (0-24h)±inibitori delle vie di segnalazione potenzialmente coinvolte. L’incubazione delle cellule endoteliali con inibitori di ERK1/2 non è riuscita a influenzare l’espressione di VCAM-1 indotta dall’insulina. Al contrario, gli inibitori della p38 MAPK SB203580 e SB202190, l’inibitore della proteina chinasi C (PKC)-β isoforma LY379196, e, in parte, l’inibitore della c-Jun NH2-terminal kinase SP600127, tutti testati a concentrazioni intorno al loro IC50 per l’inibizione della fosforilazione del substrato, hanno diminuito l’effetto dell’insulina su VCAM-1. Il silenziamento genico di p38 MAPK mediante piccoli RNA interferenti, che sopprimevano l’espressione di p38 MAPK, sopprimeva l’espressione di VCAM-1 stimolata dall’insulina.22, 36, 37 Il trattamento con insulina portava anche all’attivazione di NF-κB.22, 36

Negli animali, il trattamento a lungo termine con insulina ha dimostrato di indurre lesioni arteriose ricche di lipidi e di stimolare l’ispessimento della parete.10 I meccanismi responsabili di queste lesioni sono l’aumento della sintesi di colesterolo nel tessuto adiposo, un rapporto squilibrato tra i recettori per le lipoproteine a bassa densità e le lipoproteine ad alta densità (con un aumento delle prime e una riduzione delle seconde), e un aumento del legame delle lipoproteine a bassa densità con le cellule muscolari lisce delle arterie.10 L’insulina è anche un fattore di crescita in grado di promuovere l’angiogenesi e la proliferazione delle cellule muscolari lisce attivando le stesse vie che sono attivate dagli IGF.40 Questi effetti dell’insulina sembrano essere coinvolti nella neovascolarizzazione retinica, giocando quindi un ruolo chiave nella fisiopatologia della microangiopatia diabetica e – potenzialmente – nella destabilizzazione della placca arteriosa.41, 42, 43

Tra gli altri potenziali meccanismi attraverso i quali alti livelli di insulina favoriscono l’aterosclerosi, sono probabilmente rilevanti anche la disfunzione endoteliale,44 e l’inibizione dell’apoptosi dei macrofagi.45 La disfunzione endoteliale precede e predice eventi macrovascolari. In soggetti umani sani, l’infusione di insulina, raggiungendo concentrazioni di insulina patologicamente rilevanti (>120pmol/L), può indurre una grave disfunzione endoteliale nelle grandi arterie.44 I meccanismi responsabili coinvolgono probabilmente un aumento dello stress ossidativo intracellulare.46 Studi in vitro hanno dimostrato che l’insulina stimola la produzione di endotelina, l’attività del sistema simpatico e la ritenzione di sodio.47 Inoltre, l’insulina facilita la migrazione e la proliferazione delle cellule muscolari lisce, aumenta la produzione di matrice extracellulare e induce uno stato pro-coagulante,48 contribuendo così anche alla restenosi post-angioplastica, osservata più frequentemente nei pazienti diabetici rispetto a quelli non diabetici.49

Iperinsulinemia e malattie cardiovascolari: Evidence from the bedside

Nonostante la forte fisiopatologia e l’evidenza sperimentale degli effetti proaterogeni dell’iperinsulinemia secondaria all’insulino-resistenza, i pazienti con diabete di tipo 2 sono molto spesso sottoposti a somministrazione di insulina per normalizzare l’iperglicemia, i livelli di acidi grassi liberi e l’emoglobina glicata. Questo trattamento implica spesso la somministrazione di insulina a dosi molto elevate (fino a 100 o addirittura 625 U/die),50 che provoca la comparsa di effetti indesiderati, come l’aumento di peso, l’inibizione della secrezione endogena residua di insulina,51 e la sovraespressione della via MAPK.19 Tuttavia, a causa degli effetti favorevoli dell’insulina sulla glicemia e sugli effetti deleteri mediati dall’alto glucosio sulla funzione vascolare, l’evidenza degli effetti deleteri netti delle alte dosi di insulina nel diabete non può essere netta. Lo studio DAI (Diabetes and Informatics Study Group, Associazione Italiana Diabetologi e Istituto Superiore di Sanità),52 uno studio di coorte multicentrico sulla prevalenza e l’incidenza di eventi cardiovascolari (infarto miocardico, tromboembolismo cerebrale, e amputazioni periferiche) in pazienti diabetici di tipo 2, ha dimostrato che, rispetto al trattamento antidiabetico orale (come la metformina, che non comporta un aumento della secrezione di insulina), il trattamento con insulina era associato a un numero maggiore di eventi cardiovascolari negli uomini e nelle donne con diabete di tipo 2. Nei pazienti con diabete di tipo 2, è stato dimostrato che la terapia insulinica aumenta indipendentemente il rischio di ulcere ai piedi,53 ipertensione,54 ed elevata aggregazione piastrinica ADP-dipendente.55 Nel Framingham Heart Study, i pazienti diabetici trattati con insulina hanno mostrato la maggiore incidenza di morbilità e mortalità per malattie cardiovascolari.56 Nel primo National Health and Nutrition Examination Survey, su 7381 pazienti osservati, quelli con diabete trattati con insulina hanno mostrato un aumento del rischio di morte per tutte le cause e di morte attribuibile a malattia cardiovascolare.57 Nel Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes, i pazienti in terapia insulinica intensiva hanno mostrato un’incidenza del 32% di eventi cardiovascolari rispetto al 21% dei pazienti in terapia insulinica standard.58 Nello studio Atherosclerotic Risk in Communities, i pazienti in trattamento con sulfaniluree (che portano anche ad un aumento delle concentrazioni di insulina) avevano un rischio relativo di malattia cardiovascolare di 1,82, mentre i pazienti in terapia insulinica avevano un rischio relativo di 2,64.59 Lo studio Kumamoto, in cui i pazienti in trattamento con insulina non hanno mostrato un aumento del rischio di malattia macrovascolare, non ha contribuito sostanzialmente ad affrontare questa questione perché i pazienti erano ipoinsulinemici e non obesi.60 Uno studio recente ha dimostrato che l’ampiezza media delle escursioni glicemiche dai dati di monitoraggio continuo del glucosio era correlata positivamente e indipendentemente con l’escrezione urinaria di 8-iso-prostaglandina F2α, un marker di stress ossidativo, in pazienti con diabete scarsamente controllato che assumevano agenti ipoglicemizzanti orali.61 Gli autori non hanno trovato tali associazioni in pazienti diabetici di tipo 1 e 2 trattati con insulina, suggerendo che il trattamento insulinico stesso inibisce lo stress ossidativo in questi pazienti. Tuttavia, gli effetti dell’insulina sull’omeostasi cellulare potrebbero dipendere anche dalle concentrazioni di insulina, poiché è stato dimostrato che dosi di insulina superiori a quelle fisiologiche inducono la generazione di specie reattive dell’ossigeno in vitro.62 Nel complesso, l’insulina esogena produce effetti favorevoli (riduzione dell’iperglicemia) e avversi (promozione dell’aterogenesi).63 Questo è un avvertimento per un uso meno esteso dell’insulina nel diabete tipo 2. Nei pazienti con livelli di glucosio nel sangue>300mg/dL, una somministrazione iniziale di insulina può diminuire la glucotossicità50, 64, 65: in seguito, una riduzione della resistenza all’insulina attraverso la riduzione del peso, un aumento dell’esercizio fisico e l’uso di sensibilizzatori dell’insulina, come la metformina o i glitazoni, sarebbe probabilmente una scelta più razionale per prevenire le complicazioni cardiovascolari nei pazienti con diabete di tipo 2. Da notare che 5 grandi studi randomizzati sul controllo intensivo del glucosio rispetto alla terapia standard nel diabete di tipo 2 non hanno dimostrato alcuna riduzione della mortalità totale o cardiovascolare58, 66, 67, 68, 69; al contrario, tale riduzione è stata trovata nello studio EDIC70 nel diabete di tipo 1, dove l’insulino-resistenza non è il problema primario e il trattamento insulinico sostituisce un fallimento primario della produzione di insulina da parte delle cellule beta pancreatiche.

Conclusioni

Le concentrazioni fisiopatologiche di insulina aumentano la produzione di endotelina, citochine proinfiammatorie, molecole di adesione dei leucociti endoteliali e PAI-1, esercitando effetti proinfiammatori vascolari generali. I risultati degli studi in vitro e in vivo indicano un ruolo patogeno delle concentrazioni di insulina patofisiologiche e farmacologiche nella malattia vascolare. Ulteriori ricerche sull’uso di inibitori specifici delle vie MAPK e PKC, come nuovi agenti farmacologici che affrontano la segnalazione pro-aterogena dell’insulina, sono garantite.

Conflitti di interesse

Nessuno dichiarato.

Finanziamento

Il lavoro originale degli autori qui riportato è stato supportato da sovvenzioni dell’Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari a Raffaele De Caterina.

Ricevuto il 4 novembre 2011
Accettato l’11 novembre 2011