動脈硬化と糖尿病、インスリン抵抗性と高インスリン血症を中心に｜Revista Española de Cardiología

Figure 1. インスリンシグナル伝達経路とインスリン抵抗性におけるその障害。 インスリンはチロシンキナーゼ受容体に結合すると、受容体の二量体化を誘導し、リン酸化イベントのカスケードを活性化し、2つのクラスの効果を生み出す。 a) グルコース輸送、グリコーゲンおよびタンパク質合成、脂肪分解の抑制、アポトーシスからの保護、一酸化窒素の放出などを促進する「代謝」効果（広義には「抗炎症」効果）、および b) 炎症およびアテローム形成を促進する成長および分化促進効果（すなわち、分裂促進、炎症促進インスリンシグナル）である。 Akt、プロテインキナーゼB（PKB）；eNOS、内皮型一酸化窒素合成酵素；ERK、細胞外受容体キナーゼ；IRS-1、インスリン基質受容体1；JNK、c-Jun NH2-1 terminal kinase；MEK、分裂促進因子活性化タンパク質キナーゼ／細胞外受容体キナーゼ。 p38, p38 mitogen-activated protein kinase; PD (PD98059) and UO126, extracellular receptor kinase 1/2 inhibitor; PI3-Kinase, phosphatidylinositol(PI) 3-kinase; wortmannin, PI3-kinase inhibitor.

インスリンは内皮由来NOの活性化を通じて血管の恒常性維持に重要な役割を担っています。 インスリンは、PI3K/Aktシグナル伝達経路を介した迅速な翻訳後機構により、NOS-III（内皮型NOS）を活性化し、内皮型NO産生を増加させる23。インスリン抵抗性状態では、PI3K/Akt経路が選択的に抑制され、内皮機能障害が起こり、結果として血管緊張と高血圧、内皮細胞および白血球間の相互作用が増加、血栓促進状態となる。 この「選択的」インスリン抵抗性は、肥満者や2型糖尿病患者の骨格筋24や、肥満Zuckerラットの血管系や心筋で示されている。 高インスリン血症とインスリン抵抗性の悪循環 741＞インスリン抵抗性の状態でインスリンの血漿濃度が高くなると、PI3K/AKT/NO軸を介した作用が抑制され、MAPK活性化に関連した作用が正味で促進されることでシステムのバランスが崩れ、さらにインスリン抵抗性を高める悪循環26が引き起こされることもあり得る。 インスリンは、IRS-1およびIRS-2を含む特定の基質に対するチロシンキナーゼ活性を持つその受容体（IR）の結合と活性化を通じて一連の生物学的作用を引き起こすので27、IRS-1とIRS-2の遺伝子を標的として欠失したマウスは、インスリン抵抗性の表現型を持つ28。

ob/obマウスや肥満Zuckerラットなどの高インスリン血症モデル動物は、肝臓のIRS-1およびIRS-2タンパク質が少ない。29, 30これらのモデルは、肝臓と骨格筋のIR/IRS-1/PI3K/AKT軸の機能低下とインスリン抵抗性を特徴としている。 インビトロで筋芽細胞を高濃度のインスリンと短時間インキュベートすると、PI3Kを介したIRS-1タンパク質の発現低下とインスリンシグナル伝達機構の脱感作が起こることが示されている9。最後に、培養筋芽細胞を高濃度のインスリンに長期間暴露すると、IR/IRS-1/PI3K/AKT軸活性の低下と関連する31。 我々は、ヒト臍帯静脈内皮細胞を高濃度のインスリンに長時間さらすと、PI3K（AKT）/eNOS軸のダウンレギュレーションが起こり、それに伴って血管細胞接着分子1（VCAM-1）の発現が増加することを明らかにした32。 しかし、高インスリン血症がインスリン抵抗性を生じたり悪化させる分子メカニズムはまだほとんどわかっていない。 動物実験33, 34やいくつかのin vitroの研究により、高濃度のインスリンは動脈硬化を促進するという仮説が生物学的に妥当であるという証拠が得られている。 冠動脈疾患と高濃度インスリンの関連は、1960年代後半に初めて提案され10、その後確認された（レビューについては、Reddyら35を参照）。 in vitroでは、インスリンは組織培養標本において動脈平滑筋細胞の増殖と移動を刺激し21、内皮細胞におけるVCAM-1の発現を増加させることにより単球の接着を誘導することが示されている22, 36, 37 VCAM-1はおそらく動脈硬化の進展に最も関連した接着分子である38。 インスリン存在下でのこのような発現増加は、通常内皮の活性化と動脈硬化を抑制するはずのNOの生物学的利用能をインスリンがまだ増加させるかもしれない系で起こる39。したがってこれらの知見は、内皮細胞に対する高インスリン濃度の純影響は、ほとんど炎症性表現型であることを意味している。 我々はまた、これらの効果がPI-3キナーゼ阻害剤であるwortmanninによって増強されることを示した22。このことから、wortmanninによって模倣されたインスリン抵抗性の条件下では、これらの効果がさらに増幅されるのではないかと推測している。 VCAM-1発現はマーカーでありメディエーターでもある）内皮活性化を誘導するインスリンの能力は、高インスリン血症に伴う大血管障害のもっともな説明となるため、この内皮活性化の特異的パターンに関わる潜在的分子機構について検討した。 ヒト臍帯静脈内皮細胞をインスリンとインキュベートし（0-24時間）±関与する可能性のあるシグナル伝達経路の阻害剤を投与した。 内皮細胞をERK1/2の阻害剤とインキュベートしても、インスリン誘導性のVCAM-1発現に影響を与えることはできなかった。 逆に、p38 MAPK阻害剤SB203580とSB202190、プロテインキナーゼC（PKC）-βアイソフォーム阻害剤LY379196、および部分的にc-Jun NH2-terminal kinase阻害剤SP600127はいずれも基質のリン酸化を阻害するIC50前後の濃度で試験したところ、インスリン作用がVCAM-1に影響を及ぼしにくくなった。 22, 36, 37 インスリン投与はNF-κBの活性化にもつながった。22, 36

動物において、インスリンの長期投与は脂質に富む動脈病変を誘発し、壁の肥厚を促すことが示されている10。 これらの病変のメカニズムは、脂肪組織でのコレステロール合成の増加、低密度リポ蛋白と高密度リポ蛋白の受容体の比率のアンバランス（前者が増加し後者が減少）、低密度リポ蛋白の動脈平滑筋細胞への結合の増加である10. インスリンはまた、IGFによって活性化されるのと同じ経路を活性化することによって、血管新生と平滑筋細胞増殖を促進することができる成長因子である。40 これらのインスリン効果は、網膜新生に関与していると考えられ、したがって、糖尿病細動脈症および潜在的には動脈硬化性プラークの不安定化の病態に重要な役割を果たす41.5。 42, 43

高レベルのインスリンが動脈硬化を促進する他の潜在的なメカニズムのうち、内皮機能障害44およびマクロファージのアポトーシスの阻害もおそらく関連している45。 健常人において、病態生理学的に適切なインスリン濃度（>120pmol/L）に達するインスリンの注入は、大動脈において重度の内皮機能障害を誘発することがある44。 さらに、インスリンは平滑筋細胞の移動と増殖を促進し、細胞外マトリックスの産生を増加させ、凝固促進状態を誘発する48。したがって、糖尿病患者において非糖尿病患者と比較してより頻繁に観察される血管形成術後の再狭窄にもおそらく貢献する49

高インスリン血症と心臓血管疾患。 インスリン抵抗性に起因する高インスリン血症が動脈硬化を促進するという強い病態生理と実験的証拠にもかかわらず、2型糖尿病患者は高血糖、遊離脂肪酸レベル、糖化ヘモグロビンを正常化するためにインスリン投与を受けることが非常に多くなっている。 この治療では、しばしば非常に高用量（100あるいは625U/dayまで）のインスリン投与が必要とされ50、体重増加、残存する内因性インスリン分泌の抑制51、MAPK経路の過剰発現などの弊害が現れる。19 しかし、インスリンの血糖に対する好ましい効果や高血糖が媒介する血管機能に対する有害な効果から、糖尿病の多量のインスリンの純悪性作用を明確に立証することはできない。 DAI（Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health）研究52 は、心血管イベント（心筋梗塞、脳血栓塞栓症）の有病率と発生率を調べた多施設コホート研究である。 2型糖尿病患者において、メトホルミンなどの経口糖尿病治療（インスリン分泌の増加を伴わない）と比較して、インスリン治療は2型糖尿病の男女でより多くの心血管イベントと関連することが示されました。 2型糖尿病患者において、インスリン治療は、足潰瘍53、高血圧54、ADP依存性の高い血小板凝集55のリスクを独立して高めることが示されている。フラミンガム心臓研究において、インスリン治療を受けた糖尿病患者は、心血管疾患による罹患率と死亡率が最も高いことが示されている56。 第一回国民健康・栄養調査（National Health and Nutrition Examination Survey）では、観察された7381人の患者のうち、インスリン治療を受けた糖尿病患者は、全死因死亡と心血管疾患に起因する死亡のリスクが高かった57。Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetesでは、集中インスリン治療を受けた患者は、標準インスリン治療の患者の21％と比較して、32％心血管イベントの発生を示した58。 Atherosclerotic Risk in Communities試験では、スルホニルウレア剤（これもインスリン濃度の上昇につながる）治療を受けている患者の心血管疾患の相対リスクは1.82であり、インスリン治療を受けている患者の相対リスクは2.64だった59。熊本試験では、インスリン治療を受けた患者は大血管疾患のリスク上昇を示していないが、患者が低インスリン血症と非肥満だったためにこの問題の解決に大きく貢献することはなかった60。 最近の研究では、経口血糖降下薬を服用しているコントロール不良の糖尿病患者において、持続血糖モニタリングデータによる血糖値変動の平均振幅が、酸化ストレスのマーカーである尿中8-イソプロスタグランジンF2α排泄物と正相関かつ独立に相関することが示された61。著者らはインスリン治療を行う1型および2型の糖尿病患者ではこのような相関を認めず、インスリン治療自体がこれらの患者の酸化ストレスの抑制につながることが示唆されるとしている。 しかし、生理量を超えたインスリンはin vitroで活性酸素の発生を誘導することが示されているので、細胞のホメオスタシスに対するインスリンの効果もインスリン濃度に依存する可能性がある62。全体として、外因性インスリンは好ましい効果（高血糖の軽減）と有害効果（動脈硬化の促進）をもたらす63。これは、2型糖尿病においてインスリンをあまり使用しないことへの警告である。 血糖値>300mg/dLの患者では、最初のインスリン投与により糖毒性を低下させることができる50, 64, 65：その後、減量によるインスリン抵抗性の低下、運動の増加、メトホルミンやグリタゾンなどのインスリン増感剤の使用は、おそらく2型糖尿病患者の心血管合併症を予防するより合理的な選択であろうと思われる。 一方、インスリン抵抗性が主要な問題ではなく、膵臓のβ細胞によるインスリン産生の主要な障害をインスリン治療が代替している1型糖尿病では、EDIC Study70において、そのような減少が認められている。結論

病態生理学的なインスリン濃度は、エンドセリン、炎症性サイトカイン、内皮白血球接着分子、PAI-1の産生を増加させ、全体的に血管の炎症促進作用を発揮させる。 in vitroおよびin vivoの研究結果は、病態生理学的および薬理学的なインスリン濃度が、血管疾患において病原的な役割を果たすことを指摘している。 今後、MAPKおよびPKC経路の特異的阻害剤を用いて、動脈硬化を促進するインスリンシグナルに対処する新たな薬理学的薬剤の研究が必要である。

資金提供

今回報告した著者らの原著作は、Istituto Nazionale per le Ricerche CardiovascolariからRaffaele De Caterinaへの助成金によって支援された。