Atherogenesis and Diabetes, Focus on Insulin Resistance and Hyperinsulinemia | Revista Española de Cardiología
Insulineresistentie, hyperinsulinemie en vaatziekten: defining the problem
Macro- en microvasculaire complicaties zijn beide belangrijke oorzaken van morbiditeit en mortaliteit bij type 1- en type 2-diabetes,1 maar macrovasculaire complicaties komen vaker voor zelfs voordat type 2-diabetes optreedt.2 Hoewel hoge bloedglucose3 en door glucose veroorzaakte eiwit- en lipidemodificaties – de advanced glycation endproducts4 – aanleiding kunnen geven tot zowel macro- als microvasculaire ziekten wanneer eenmaal diabetes (zowel type 1 als type 2) is opgetreden, wordt al geruime tijd gediscussieerd over factoren die macrovasculaire ziekten veroorzaken in het kader van het metabool syndroom en prediabetes. Zeker bij diabetes, en waarschijnlijk ook in de setting van het metabool syndroom,5, 6, 7, 8 komen atherosclerotische vaatziekten en coronaire hartziekten voor boven op de clustering van andere begeleidende risicofactoren, zoals hypertriglyceridemie, lage niveaus van high-density lipoproteïnen en hypertensie. Insulineresistentie vóór het ontstaan van diabetes wordt per definitie gekenmerkt door hyperinsulinemie, en er wordt al lang gespeculeerd dat dit een oorzakelijk verband heeft met vaatziekten.9, 10, 11, 12 In dit korte overzicht zullen we de biologische plausibiliteit en het bewijs voor hyperinsulinemie als oorzakelijk mechanisme in de ontwikkeling van atherosclerose voorafgaand aan en volgend op het begin van type 2 diabetes bespreken.
Selectieve insulineresistentie en compensatoire hyperinsulinemie: pathofysiologie
Orspronkelijk definieerden Reaven et al. het insulineresistentiesyndroom als een cluster van cardiovasculaire risicofactoren, waaronder glucose-intolerantie, dyslipidemie en hypertensie, geassocieerd met versterkte cardiovasculaire ziekte.13 Zij beschreven het metabool syndroom als een klinische aandoening die wordt gekenmerkt door insulineresistentie, verminderde nuchtere plasmaglucose, obesitas, dyslipidemie en hypertensie.13 Later zijn twee definities van het metabool syndroom voorgesteld, de ene door het National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 en de andere door de Wereldgezondheidsorganisatie.15 Hierbij kan insulineresistentie – zoals gemeten met de referentiemethode van de hyperinsulinemische euglykemische clamp of met surrogaatmethoden, zoals de frequent bemonsterde intraveneuze glucosetolerantietest, insulinesuppressietest of HOMA-index – bij maximaal 76% van de proefpersonen worden aangetoond,16 en gepaard gaan met compensatoire hyperinsulinemie.16 Hoewel de moleculaire mechanismen van insulineresistentie nog onvolledig begrepen zijn, zijn er afwijkingen in de insulinesignalering beschreven.17 In perifere weefsels, waaronder de skeletspier en de lever, initieert insuline onder normale omstandigheden zijn werking door zijn specifieke celoppervlaktereceptor te binden, d.w.z. de insulinereceptor (IR), een heterotetrameer eiwit bestaande uit 2 extracellulaire α-subeenheden en 2 transmembrane β-subeenheden die door disulfidebruggen met elkaar verbonden zijn. Binding van insuline aan de extracellulaire α-subeenheid induceert conformatieveranderingen van het IR, die op hun beurt leiden tot dimerisatie van aangrenzende receptoren en activering van het tyrosinekinasedomein van het intracellulaire deel van de β-subeenheid. Zodra de tyrosinekinaseactiviteit van het IR op gang is gebracht, bevordert het de autofosforylering van de β-subeenheid zelf en de snelle fosforylering van zogenaamde “docking proteins”, zoals IR-substraten (IRS)-1, -2, -3, en -4, en verscheidene andere eiwitten, waaronder collageenhomologie-eiwitten (shc) en src-homologie 2 (SH2), die op hun beurt verscheidene intracellulaire signaalintermediairs activeren (figuur 1). Daarom spelen IRS, shc, en SH2 eiwitten belangrijke regulerende rollen in de insuline signaleringscascade. In hun gefosforyleerde vorm worden deze eiwitten ankerpunten voor intracellulaire eiwitten die complementaire SH2 domeinen bevatten. Met name de interactie tussen IRS-1-eiwitten en fosfatidylinositol (PI) 3-kinase bepaalt de activering van Akt (ook bekend als proteïnekinase B), die van cruciaal belang is in het mechanisme van insulinewerking op GLUT-4 translocatie, glucosetransport en de activering van stikstofmonoxide (NO) synthase (“metabole signaalroute”). De niet-metabole, proliferatieve, mitogene, pro-inflammatoire effecten van insuline worden daarentegen gemedieerd door de activering van Ras (voornamelijk via shc en in mindere mate IRS-eiwitten), Raf en mitogeen-geactiveerde eiwitkinases (MAPK) (“groeisignaalroute”).18 In insulineresistente dieren en in vitro-modellen kan een verminderde activering van insulinesignalering via de IRS-1/PI3-kinasepathway worden aangetoond, wat leidt tot een verminderde glucose-opname, verminderde NO-synthese en een verminderd glucosegebruik in insulinedoelweefsels. Dezelfde daling van het glucosetransport wordt waargenomen op het niveau van de pancreas-bètacellen, en leidt tot een compenserende stijging van de insulinesecretie. Tegelijkertijd blijft de MAPK-gemedieerde insulineleiding echter onaangetast.19 Men kan gemakkelijk begrijpen dat deze selectieve onevenwichtigheid van de twee signaaltransductieroutes in dergelijke omstandigheden van hyperinsulinemie kan leiden tot een overmatig proliferatief/groeibevorderend signaal, terwijl tegelijkertijd het normale glucosetransport en de glucosehomeostase in stand kunnen worden gehouden. Compensatoire hyperinsulinemie stimuleert diverse proliferatieve en pro-atherogene gebeurtenissen in vasculaire gladde spier- en endotheelcellen. Dergelijke effecten omvatten de verhoogde productie van plasminogeen activator inhibitor type-1 (PAI-1), endotheline, pro-inflammatoire cytokines en de verhoogde oppervlakte-expressie van adhesiemoleculen.19, 20, 21, 22
Figuur 1. De insulinesignaleringsroute en de aantasting ervan bij insulineresistentie. Bij binding aan de tyrosinekinase-receptor induceert insuline receptordimering en activering van een cascade van fosforyleringsevenementen, waarbij twee soorten effecten optreden: a) “metabole” effecten, die het glucosetransport, de glycogeen- en eiwitsynthese, de remming van lipolyse, de bescherming tegen apoptose en het vrijkomen van stikstofmonoxide bevorderen (algemeen omschreven als “anti-inflammatoire” effecten), en b) groei- en differentiatiebevorderende effecten, die leiden tot de bevordering van ontsteking en atherogenese (d.w.z. mitogene, pro-inflammatoire insulinesignalering). Akt, proteïnekinase B (PKB); eNOS, endotheliaal stikstofoxidesynthase; ERK, extracellulair receptorkinase; IRS-1, insulinesubstraatreceptor-1; JNK, c-Jun NH2-1-eindkinase; MEK, mitogeen-geactiveerd proteïnekinase/extracellulair receptorkinase; p38, p38 gemitogen-activeerd proteïnekinase; PD (PD98059) en UO126, extracellulaire receptor kinase 1/2-remmers; PI3-Kinase, fosfatidylinositol(PI)3-kinase; wortmannine, PI3-kinaseremmer.
Insuline speelt een belangrijke rol bij het handhaven van de homeostase van de bloedvaten door de activering van endotheel-afgeleid NO. Insuline verhoogt de endotheliale NO-productie door activering van NOS-III (endotheliale NOS) via snelle posttranslationele mechanismen, die worden gemedieerd door de PI3K/Akt-signaalroute.23 Bij insulineresistentie wordt de PI3K/Akt-route selectief geremd, en dit leidt tot endotheliale disfunctie, met als gevolg een toename van de vasculaire tonus en hypertensie, een verhoogde interactie tussen endotheliale cellen en leukocyten, en een prothrombotische toestand. Deze “selectieve” insulineresistentie is aangetoond in de skeletspieren van zwaarlijvige mensen en patiënten met diabetes type 2,24 en in de bloedvaten en het myocard van zwaarlijvige Zucker-ratten. Hier worden de normale fysiologische anti-atherogene effecten van insuline, grotendeels te wijten aan zijn vermogen om de NO-productie te verhogen, omgezet in pro-atherogene effecten.25
Een vicieuze cirkel tussen hyperinsulinemie en insulineresistentie
Hoge plasmaconcentraties van insuline in omstandigheden van insulineresistentie kunnen ook een vicieuze cirkel op gang brengen die de insulineresistentie verder verhoogt26 door een onderdrukking van de door de PI3K/AKT/NO-as gemedieerde effecten, die het systeem uit zijn evenwicht kan brengen door de netto bevordering van effecten die verband houden met de activering van MAPK. Aangezien insuline een reeks biologische effecten teweegbrengt door de binding en activering van zijn receptor (IR), begiftigd met tyrosinekinaseactiviteit op specifieke substraten, waaronder IRS -1 en -2,27 hebben muizen met een gerichte deletie van IRS-1- en IRS-2-genen een fenotype van insulineresistentie.28
Diermodellen van hyperinsulinemie, zoals de ob/ob muizen en de obese Zucker ratten, hebben lage niveaus van IRS-1 en IRS-2 eiwitten in de lever.29, 30 Deze modellen worden gekenmerkt door insulineresistentie en een verminderde functie van de IR/IRS-1/PI3K/AKT as in de lever en de skeletspier. Het is aangetoond dat korte in vitro incubaties van myoblasten met hoge concentraties insuline een PI3K-gemedieerde reductie van IRS-1 eiwitexpressie en een desensitisatie van insuline signaaltransductiemechanismen bepalen.9 Tenslotte is een langdurige blootstelling van gekweekte myoblasten aan hoge concentraties insuline geassocieerd met een reductie van de IR/IRS-1/PI3K/AKT-as activiteit.31 Wij hebben aangetoond dat langdurige blootstelling van humane navelstreng endotheelcellen aan hoge insulineniveaus een downregulatie van de PI3K(AKT)-ENOS-as induceert, die gepaard gaat met een verhoogde expressie van vasculair celadhesiemolecuul 1 (VCAM-1).32 De moleculaire mechanismen waardoor hyperinsulinemie insulineresistentie teweegbrengt of verergert, zijn echter nog grotendeels onbekend.
Hyperinsulinemie en vasculaire ziekten: Evidence from the bench
Dierproeven33, 34 en verschillende in vitro studies leverden bewijs voor de biologische plausibiliteit van de hypothese volgens welke hoge insulineconcentraties pro-atherogeen zijn. Een verband tussen coronaire hartziekten en hoge insulineconcentraties werd voor het eerst voorgesteld aan het eind van de jaren 196010 en vervolgens bevestigd (voor een overzicht, zie Reddy et al.35). In vitro is aangetoond dat insuline de proliferatie en migratie van arteriële gladde spiercellen in weefselkweekpreparaten stimuleert21 en de adhesie van monocyten induceert door de expressie van VCAM-1 in endotheelcellen te verhogen.22, 36, 37 VCAM-1 is waarschijnlijk het adhesiemolecuul dat het meest relevant is voor de ontwikkeling van atherosclerose.38 Een dergelijke verhoogde expressie in aanwezigheid van insuline doet zich voor in een systeem waarin insuline de biologische beschikbaarheid van NO nog kan verhogen, wat normaliter endotheelactivering en atherogenese zou remmen.39 Deze bevindingen betekenen dan ook dat een netto-effect van hoge insulineconcentraties op endotheelcellen meestal een pro-inflammatoir fenotype is. We hebben ook aangetoond dat deze effecten kunnen worden versterkt door de PI-3-kinase remmer wortmannin,22 wat ons ertoe brengt te veronderstellen dat ze verder kunnen worden versterkt in omstandigheden van insulineresistentie die door wortmannin worden nagebootst. Omdat het vermogen van insuline om endotheelactivatie te induceren (waarvoor VCAM-1 expressie zowel een marker als een mediator is) een plausibele verklaring is voor macrovasculaire ziekte die gepaard gaat met hyperinsulinemische condities, onderzochten we mogelijke moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij dit specifieke patroon van endotheelactivatie. Menselijke navelstreng endotheelcellen werden geïncubeerd met insuline (0-24u) en remmers van signaalwegen die mogelijk betrokken zijn. Incubatie van endotheelcellen met remmers van ERK1/2 had geen effect op de door insuline geïnduceerde VCAM-1 expressie. Daarentegen verminderden de p38 MAPK remmers SB203580 en SB202190, de proteïne kinase C (PKC)-β isovorm remmer LY379196, en gedeeltelijk de c-Jun NH2-terminal kinase remmer SP600127, alle getest bij concentraties rond hun IC50 voor remming van substraatfosforylatie, het insuline-effect op VCAM-1. Het uitschakelen van p38 MAPK door kleine interfererende RNA’s, die de expressie van p38 MAPK onderdrukten, onderdrukten de door insuline gestimuleerde expressie van VCAM-1.22, 36, 37 Behandeling met insuline leidde ook tot activering van NF-κB.22, 36
In dieren is aangetoond dat langdurige behandeling met insuline arteriële laesies induceert die rijk zijn aan lipiden en verdikking van de wand stimuleert.10 De mechanismen die verantwoordelijk zijn voor deze laesies zijn een verhoogde cholesterolsynthese in het vetweefsel, een onevenwichtige verhouding tussen receptoren voor lagedichtheid-lipoproteïnen en lagedichtheid-lipoproteïnen (met een toename van de eerste en een afname van de tweede), en een verhoogde binding van lagedichtheid-lipoproteïnen aan de gladde spiercellen van de slagaders.10 Insuline is ook een groeifactor die in staat is de angiogenese en de proliferatie van gladde spiercellen te bevorderen door dezelfde routes te activeren die door IGF’s worden geactiveerd.40 Deze insuline-effecten lijken betrokken te zijn bij de neovascularisatie van het netvlies, en spelen daarom een sleutelrol in de pathofysiologie van diabetische microangiopathie en – potentieel – destabilisatie van atherosclerotische plaques.41, 42, 43
Tot de andere potentiële mechanismen waardoor hoge insulineniveaus atherosclerose bevorderen, behoren waarschijnlijk ook endotheeldisfunctie,44 en remming van macrofaagapoptose.45 Endotheeldisfunctie gaat vooraf aan en voorspelt macrovasculaire gebeurtenissen. Bij gezonde mensen kan infusie van insuline, waarbij pathofysiologisch relevante insulineconcentraties (>120 pmol/L) worden bereikt, ernstige endotheeldisfunctie in grote slagaders veroorzaken.44 De verantwoordelijke mechanismen zijn waarschijnlijk een verhoogde intracellulaire oxidatieve stress.46 In vitro studies hebben aangetoond dat insuline de productie van endotheline, de activiteit van het sympathische systeem en de natriumretentie stimuleert.47 Bovendien vergemakkelijkt insuline de migratie en proliferatie van gladde spiercellen, verhoogt het de productie van extracellulaire matrix, en induceert het een pro-stollingsstatus,48 waardoor het mogelijk ook bijdraagt tot postangioplastische restenose, die vaker wordt waargenomen bij diabetische dan bij niet-diabetische patiënten.49
Hyperinsulinemie en hart- en vaatziekten: Evidence from the bedside
Ondanks de sterke pathofysiologie en het experimentele bewijs voor proatherogene effecten van hyperinsulinemie secundair aan insulineresistentie, ondergaan patiënten met type 2 diabetes zeer vaak insulinetoediening om hyperglykemie, vrije vetzuurspiegels en geglyceerd hemoglobine te normaliseren. Deze behandeling impliceert vaak insulinetoediening in zeer hoge doses (tot 100 of zelfs 625 U/dag),50 hetgeen leidt tot het optreden van ongewenste effecten, zoals gewichtstoename, remming van residuele endogene insulinesecretie,51 en de overexpressie van de MAPK-route.19 Vanwege de gunstige effecten van insuline op de bloedglucose en op de door hoge glucose gemedieerde schadelijke effecten op de vasculaire functie, kan het bewijs voor netto schadelijke effecten van hoge doses insuline bij diabetes echter niet eenduidig worden geleverd. De DAI-studie (Diabetes and Informatics Study Group, Italiaanse vereniging van diabetologen en Italiaans nationaal instituut voor de volksgezondheid)52 , een multicenter cohortstudie naar de prevalentie en incidentie van cardiovasculaire voorvallen (myocardinfarct, cerebrale trombo-embolie, en perifere amputaties) bij patiënten met diabetes type 2, bleek dat in vergelijking met een orale antidiabetische behandeling (zoals metformine, die geen verhoogde insulinesecretie met zich meebrengt), een behandeling met insuline geassocieerd was met een hoger aantal cardiovasculaire voorvallen bij mannen en vrouwen met diabetes type 2. Bij patiënten met diabetes type 2 is aangetoond dat insulinetherapie onafhankelijk het risico op voetulcera,53 hypertensie,54 en hoge ADP-afhankelijke aggregatie van bloedplaatjes verhoogt.55 In de Framingham Heart Study vertoonden met insuline behandelde diabetespatiënten de hoogste incidentie van morbiditeit en mortaliteit voor hart- en vaatziekten.56 In de First National Health and Nutrition Examination Survey vertoonden de met insuline behandelde diabetespatiënten onder de 7381 geobserveerde patiënten een verhoogd risico op overlijden door alle oorzaken en overlijden ten gevolge van hart- en vaatziekten.57 In de Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes vertoonden patiënten met een intensieve insulinetherapie een incidentie van 32% cardiovasculaire voorvallen, vergeleken met 21% bij patiënten met een standaardinsulinetherapie.58 In de Atherosclerotic Risk in Communities-studie hadden patiënten die werden behandeld met sulfonylureumderivaten (die ook leiden tot verhoogde insulineconcentraties) een relatief risico op hart- en vaatziekten van 1,82, terwijl patiënten met insulinetherapie een relatief risico hadden van 2,64.59 De Kumamoto-studie, waarbij patiënten met insulinetherapie geen verhoogd risico op macrovasculaire ziekten lieten zien, heeft niet wezenlijk bijgedragen aan de beantwoording van deze vraag omdat de patiënten hypoinsulinemisch waren en geen obesitas hadden.60 Een recente studie heeft aangetoond dat de gemiddelde amplitude van glykemische excursies uit continue glucosecontrolegegevens positief en onafhankelijk correleerde met de uitscheiding van 8-iso-prostaglandine F2α in de urine, een marker van oxidatieve stress, bij patiënten met slecht gecontroleerde diabetes die orale hypoglykemische middelen gebruikten.61 De auteurs vonden dergelijke associaties niet bij met insuline behandelde type 1- en type 2-diabetespatiënten, wat suggereert dat insulinebehandeling zelf oxidatieve stress bij deze patiënten remt. Toch zouden de effecten van insuline op de cellulaire homeostase ook afhankelijk kunnen zijn van de insulineconcentraties, aangezien is aangetoond dat suprafysiologische doses insuline in vitro de productie van reactieve zuurstofspecies induceren.62 Over het geheel genomen heeft exogene insuline gunstige (vermindering van hyperglykemie) en ongunstige (bevordering van atherogenese) effecten.63 Dit is een waarschuwing voor een minder uitgebreid gebruik van insuline bij type 2-diabetes. Bij patiënten met bloedglucosespiegels>300mg/dL kan een initiële toediening van insuline de glucotoxiciteit verminderen50, 64, 65: daarna zou een vermindering van de insulineresistentie door gewichtsvermindering, meer lichaamsbeweging en het gebruik van insulinesensibilisatoren, zoals metformine of de glitazonen, waarschijnlijk een rationelere keuze zijn om cardiovasculaire complicaties bij patiënten met type 2-diabetes te voorkomen. Er zij op gewezen dat 5 grote gerandomiseerde onderzoeken naar intensieve glucosecontrole versus standaardtherapie bij type 2-diabetes geen vermindering van de totale of cardiovasculaire mortaliteit hebben aangetoond58, 66, 67, 68, 69; daarentegen is een dergelijke vermindering wel gevonden in de EDIC-studie70 bij type 1-diabetes, waar insulineresistentie niet het primaire probleem is en insulinebehandeling een primair falen van de insulineproductie door de pancreasbètacellen vervangt.
Conclusies
Pathofysiologische insulineconcentraties verhogen de productie van endotheline, proinflammatoire cytokinen, endotheliale leukocytaire adhesiemoleculen, en PAI-1, waardoor algemene vasculaire pro-inflammatoire effecten worden uitgeoefend. Resultaten van in vitro en in vivo studies wijzen op een pathogene rol van pathofysiologische en farmacologische insulineconcentraties bij vaatziekten. Verder onderzoek naar het gebruik van specifieke remmers van de MAPK en PKC pathways, als nieuwe farmacologische middelen die de pro-atherogene insulinesignalering aanpakken, is gerechtvaardigd.
Belangenconflicten
Niet verklaard.
Financiering
Het oorspronkelijke werk van de auteurs hier gemeld werd ondersteund door subsidies van het Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari aan Raffaele De Caterina.
Ontvangen 4 november 2011
Accepted 11 november 2011