Atherogenesis and Diabetes, Focus on Insulin Resistance and Hyperinsulinemia | Revista Española de Cardiología
Insulinooporność, hiperinsulinemia i choroby naczyniowe: definiowanie problemu
Powikłania makro- i mikronaczyniowe są główną przyczyną chorobowości i śmiertelności w cukrzycy typu 1 i typu 2,1 ale powikłania makronaczyniowe występują częściej jeszcze przed wystąpieniem cukrzycy typu 2.2 Podczas gdy wysokie stężenie glukozy we krwi3 oraz wywołane glukozą modyfikacje białek i lipidów – zaawansowane produkty końcowe glikacji4 – mogą być czynnikami wyzwalającymi zarówno choroby makro-, jak i mikronaczyniowe po wystąpieniu cukrzycy (zarówno typu 1, jak i typu 2), czynniki wywołujące choroby makronaczyniowe w zespole metabolicznym i prediabetes są od dawna przedmiotem dyskusji. Z pewnością w cukrzycy, a prawdopodobnie także w zespole metabolicznym,5, 6, 7, 8 miażdżycowe uszkodzenie naczyń i choroba wieńcowa występują poza kumulacją innych towarzyszących czynników ryzyka, takich jak hipertriglicerydemia, małe stężenie lipoprotein o dużej gęstości i nadciśnienie tętnicze. Insulinooporność przed wystąpieniem cukrzycy z definicji charakteryzuje się hiperinsulinemią, a od dawna spekuluje się, że jest ona przyczynowo związana z chorobą naczyniową.9, 10, 11, 12 W tym krótkim przeglądzie zajmiemy się biologiczną wiarygodnością i dowodami na to, że hiperinsulinemia jest mechanizmem przyczynowym w rozwoju miażdżycy poprzedzającej wystąpienie cukrzycy typu 2 i następującej po niej.
Selektywna insulinooporność i kompensacyjna hiperinsulinemia: patofizjologia
Początkowo Reaven i wsp. zdefiniowali zespół insulinooporności jako zespół czynników ryzyka sercowo-naczyniowego, w tym nietolerancji glukozy, dyslipidemii i nadciśnienia tętniczego, związanych z nasileniem chorób układu sercowo-naczyniowego.13 Opisali oni zespół metaboliczny jako stan kliniczny charakteryzujący się insulinoopornością, upośledzonym stężeniem glukozy w osoczu na czczo, otyłością, dyslipidemią i nadciśnieniem tętniczym.13 W późniejszym okresie zaproponowano dwie definicje zespołu metabolicznego, jedną opracowaną przez National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 , a drugą przez Światową Organizację Zdrowia.15 W tym przypadku insulinooporność – mierzona metodą referencyjną hiperinsulinemicznej klamry euglikemicznej lub metodami zastępczymi, takimi jak często wykonywany dożylny test tolerancji glukozy, test supresji insuliny lub wskaźnik HOMA – może występować nawet u 76% badanych,16 a towarzyszy jej kompensacyjna hiperinsulinemia.16. W tkankach obwodowych, w tym w mięśniach szkieletowych i wątrobie, w warunkach prawidłowych insulina inicjuje swoje działanie poprzez wiązanie się ze swoistym receptorem na powierzchni komórki, tj. receptorem insulinowym (IR), który jest heterotetramerycznym białkiem składającym się z 2 zewnątrzkomórkowych podjednostek α i 2 transmembranowych podjednostek β połączonych mostkami disiarczkowymi. Wiązanie insuliny do zewnątrzkomórkowej podjednostki α indukuje zmiany konformacyjne IR, co z kolei powoduje dimeryzację sąsiednich receptorów i aktywację domeny kinazy tyrozynowej wewnątrzkomórkowej części podjednostki β. Po zainicjowaniu aktywności kinazy tyrozynowej IR, promuje ona autofosforylację samej podjednostki β oraz szybką fosforylację tak zwanych „białek dokowania”, takich jak substraty IR (IRS)-1, -2, -3, i -4, oraz kilku innych białek, w tym białek homologii kolagenu (shc) i homologii src 2 (SH2), które z kolei aktywują wiele wewnątrzkomórkowych intermediatów sygnałowych (Rycina 1). Dlatego też białka IRS, shc i SH2 odgrywają ważne role regulacyjne w kaskadzie sygnałowej insuliny. W formie ufosforylowanej białka te stają się punktami zakotwiczenia dla białek wewnątrzkomórkowych zawierających komplementarne domeny SH2. W szczególności interakcja pomiędzy białkami IRS-1 a 3-kinazą fosfatydyloinozytolu (PI) warunkuje aktywację Akt (znanej również jako kinaza białkowa B), która jest krytyczna w mechanizmie działania insuliny na translokację GLUT-4, transport glukozy oraz aktywację syntazy tlenku azotu (NO) („metaboliczny szlak sygnałowy”). Z kolei niemetaboliczne, proliferacyjne, mitogenne i prozapalne efekty insuliny są mediowane przez aktywację Ras (głównie poprzez shc i w mniejszym stopniu białka IRS), Raf oraz kinaz białkowych aktywowanych mitogenami (MAPK) („szlak sygnałowy wzrostu”).18 U zwierząt insulinoopornych i w modelach in vitro można wykazać zmniejszoną aktywację sygnalizacji insulinowej poprzez szlak kinazy IRS-1/PI3, co skutkuje zmniejszonym wychwytem glukozy, zmniejszoną syntezą NO i zmniejszoną utylizacją glukozy w tkankach docelowych insuliny. To samo zmniejszenie transportu glukozy jest odczuwane na poziomie komórek beta trzustki i wywołuje kompensacyjny wzrost wydzielania insuliny. Jednocześnie jednak szlak insulinowy oparty na MAPK pozostaje nienaruszony.19 Łatwo zrozumieć, że to wybiórcze zaburzenie równowagi między dwoma szlakami transdukcji sygnału w takich warunkach hiperinsulinemii może prowadzić do nadmiernego sygnału proliferacyjnego/promującego wzrost, umożliwiając jednocześnie utrzymanie prawidłowego transportu glukozy i homeostazy glukozy. Kompensacyjna hiperinsulinemia stymuluje różne proliferacyjne i proaterogenne zdarzenia w mięśniach gładkich naczyń i komórkach śródbłonka. Takie efekty obejmują zwiększoną produkcję inhibitora aktywatora plazminogenu typu-1 (PAI-1), endoteliny, cytokin prozapalnych oraz zwiększoną ekspresję powierzchniową cząsteczek adhezyjnych.19, 20, 21, 22
Rycina 1. Szlak sygnałowy insuliny i jego upośledzenie w insulinooporności. Po związaniu się ze swoim receptorem tyrozyno-kinazowym insulina indukuje dimeryzację receptora i aktywację kaskady zdarzeń fosforylacyjnych, wywołując dwie klasy efektów: a) efekty „metaboliczne”, promujące transport glukozy, syntezę glikogenu i białek, hamowanie lipolizy, ochronę przed apoptozą i uwalnianie tlenku azotu (szeroko opisywane jako efekty „przeciwzapalne”), oraz b) efekty promujące wzrost i różnicowanie, które prowadzą do promocji stanu zapalnego i aterogenezy (tj. mitogenna, prozapalna sygnalizacja insulinowa). Akt, kinaza białkowa B (PKB); eNOS, śródbłonkowa syntaza tlenku azotu; ERK, kinaza receptora zewnątrzkomórkowego; IRS-1, receptor substratowy insuliny-1; JNK, kinaza terminalna c-Jun NH2-1; MEK, kinaza białkowa aktywowana mitogenem/kinaza receptora zewnątrzkomórkowego; p38, kinaza białkowa aktywowana mitogenem p38; PD (PD98059) i UO126, inhibitory kinazy 1/2 receptora zewnątrzkomórkowego; PI3-kinaza, fosfatydyloinozytol(PI)3-kinaza; wortmanina, inhibitor PI3-kinazy.
Insulina odgrywa ważną rolę w utrzymaniu homeostazy naczyń krwionośnych poprzez aktywację NO pochodzącego ze śródbłonka. Insulina zwiększa śródbłonkową produkcję NO poprzez aktywację NOS-III (endothelial NOS) za pomocą szybkich mechanizmów potranslacyjnych, w których pośredniczy szlak sygnałowy PI3K/Akt.23 W stanach insulinooporności szlak PI3K/Akt jest selektywnie hamowany, a to prowadzi do dysfunkcji śródbłonka, z następczym wzrostem napięcia naczyniowego i nadciśnienia, zwiększeniem interakcji między komórkami śródbłonka i leukocytami oraz stanem prozakrzepowym. Tę „selektywną” insulinooporność wykazano w mięśniach szkieletowych osób otyłych i chorych na cukrzycę typu 2,24 a także w naczyniach i mięśniu sercowym otyłych szczurów Zucker. W tym przypadku normalne fizjologiczne przeciwmiażdżycowe działanie insuliny, wynikające w dużej mierze z jej zdolności do zwiększania wytwarzania NO, przekształca się w działanie proaterogenne.25
Błędne koło między hiperinsulinemią a insulinoopornością
Wysokie stężenia insuliny w osoczu w warunkach insulinooporności również mogą uruchamiać błędne koło, które jeszcze bardziej zwiększa insulinooporność26 poprzez tłumienie efektów pośredniczonych przez oś PI3K/AKT/NO, co może zaburzać równowagę układu poprzez promocję netto efektów związanych z aktywacją MAPK. Ponieważ insulina wyzwala szereg efektów biologicznych poprzez wiązanie i aktywację swojego receptora (IR), obdarzonego aktywnością kinazy tyrozynowej na specyficznych substratach, w tym IRS -1 i -2,27 u myszy z ukierunkowaną delecją genów IRS-1 i IRS-2 występuje fenotyp insulinooporności.28
Zwierzęce modele hiperinsulinemii, takie jak myszy ob/ob i otyłe szczury Zucker, mają niskie poziomy białek IRS-1 i IRS-2 w wątrobie.29, 30 Modele te charakteryzują się insulinoopornością i zmniejszoną funkcją osi IR/IRS-1/PI3K/AKT w wątrobie i mięśniach szkieletowych. Wykazano, że krótkotrwała inkubacja mioblastów in vitro z wysokimi stężeniami insuliny determinuje indukowane przez PI3K zmniejszenie ekspresji białka IRS-1 i desensytyzację mechanizmów transdukcji sygnału insulinowego.9 Wreszcie, przedłużona ekspozycja hodowanych mioblastów na wysokie stężenia insuliny wiąże się ze zmniejszeniem aktywności osi IR/IRS-1/PI3K/AKT.31 Wykazaliśmy, że przedłużona ekspozycja komórek śródbłonka ludzkiej żyły pępowinowej na wysokie stężenie insuliny indukuje wyciszenie osi PI3K(AKT/eNOS, czemu towarzyszy zwiększona ekspresja cząsteczki adhezyjnej komórek naczyniowych 1 (VCAM-1).32 Jednak mechanizmy molekularne, poprzez które hiperinsulinemia rodzi lub pogarsza insulinooporność, są nadal w dużej mierze nieznane.
Hiperinsulinemia i choroby naczyniowe: Evidence from the bench
Doświadczenia na zwierzętach33, 34 i kilka badań in vitro dostarczyły dowodów na biologiczną wiarygodność hipotezy, zgodnie z którą wysokie stężenia insuliny są proaterogenne. Związek między chorobą wieńcową a dużymi stężeniami insuliny zaproponowano po raz pierwszy pod koniec lat 60. ubiegłego wieku10 , a następnie potwierdzono (przegląd: Reddy i wsp.35). Wykazano, że insulina in vitro stymuluje proliferację i migrację komórek mięśni gładkich tętnic w preparatach hodowli tkankowej21 oraz indukuje adhezję monocytów poprzez zwiększenie ekspresji VCAM-1 w komórkach śródbłonka.22, 36, 37 VCAM-1 jest prawdopodobnie cząsteczką adhezyjną najistotniejszą dla rozwoju miażdżycy.38 Taka zwiększona ekspresja w obecności insuliny występuje w układzie, w którym insulina może nadal zwiększać biodostępność NO, co normalnie hamowałoby aktywację śródbłonka i aterogenezę.39 Dlatego te odkrycia oznaczają, że efektem netto wysokich stężeń insuliny na komórki śródbłonka jest głównie fenotyp prozapalny. Wykazaliśmy również, że efekty te mogą być nasilone przez inhibitor PI-3-kinazy wortmanninę,22 co prowadzi nas do postulatu, że mogą one być jeszcze bardziej wzmocnione w warunkach insulinooporności naśladowanej przez wortmanninę. Ponieważ zdolność insuliny do indukowania aktywacji śródbłonka (dla której ekspresja VCAM-1 jest zarówno markerem, jak i mediatorem) jest prawdopodobnym wyjaśnieniem choroby makronaczyniowej towarzyszącej stanom hiperinsulinemicznym, zbadaliśmy potencjalne mechanizmy molekularne zaangażowane w ten szczególny wzór aktywacji śródbłonka. Komórki śródbłonka ludzkiej żyły pępowinowej inkubowano z insuliną (0-24h) ± inhibitory szlaków sygnałowych potencjalnie zaangażowanych w ten proces. Inkubacja komórek śródbłonka z inhibitorami ERK1/2 nie wpłynęła na indukowaną insuliną ekspresję VCAM-1. Natomiast inhibitory p38 MAPK SB203580 i SB202190, inhibitor izoformy beta kinazy białkowej C (PKC)-β LY379196 oraz częściowo inhibitor kinazy c-Jun NH2-końcowej SP600127, wszystkie badane w stężeniach zbliżonych do ich IC50 dla hamowania fosforylacji substratu, zmniejszały wpływ insuliny na VCAM-1. Wyciszanie genu p38 MAPK za pomocą małych interferujących RNA, które tłumiły ekspresję p38 MAPK, hamowało stymulowaną insuliną ekspresję VCAM-1.22, 36, 37 Leczenie insuliną prowadziło również do aktywacji NF-κB.22, 36
Na zwierzętach wykazano, że długotrwałe leczenie insuliną indukuje zmiany tętnicze bogate w lipidy i stymuluje pogrubienie ściany.10. Mechanizmy odpowiedzialne za te zmiany to zwiększona synteza cholesterolu w tkance tłuszczowej, zaburzona proporcja między receptorami dla lipoprotein o małej i dużej gęstości (ze wzrostem tych pierwszych i zmniejszeniem tych drugich) oraz zwiększone wiązanie się lipoprotein o małej gęstości z komórkami mięśni gładkich tętnic.10. Insulina jest również czynnikiem wzrostu zdolnym do promowania angiogenezy i proliferacji komórek mięśni gładkich poprzez aktywację tych samych szlaków, które są aktywowane przez IGF.40 Te efekty działania insuliny wydają się być zaangażowane w neowaskularyzację siatkówki, odgrywając tym samym kluczową rolę w patofizjologii mikroangiopatii cukrzycowej i – potencjalnie – destabilizacji blaszki miażdżycowej.41, 42, 43
Wśród innych potencjalnych mechanizmów, przez które duże stężenie insuliny sprzyja miażdżycy, prawdopodobnie istotne są również zaburzenia czynności śródbłonka,44 i hamowanie apoptozy makrofagów.45 Zaburzenia czynności śródbłonka poprzedzają i zapowiadają zdarzenia makronaczyniowe. U zdrowych ludzi wlew insuliny, osiągając patofizjologicznie istotne stężenia insuliny (>120pmol/l), może wywołać ciężką dysfunkcję śródbłonka w dużych tętnicach.44 Mechanizmy odpowiedzialne za to prawdopodobnie wiążą się ze zwiększonym wewnątrzkomórkowym stresem oksydacyjnym.46 W badaniach in vitro wykazano, że insulina stymuluje wytwarzanie endoteliny, aktywność układu współczulnego i retencję sodu.47 Ponadto insulina ułatwia mięśniom gładkim wytwarzanie endoteliny, aktywność układu współczulnego i retencję sodu. Ponadto insulina ułatwia migrację i proliferację komórek mięśni gładkich, zwiększa wytwarzanie macierzy pozakomórkowej i indukuje stan prokoagulacyjny,48 przez co prawdopodobnie przyczynia się również do restenozy po angioplastyce, częściej obserwowanej u chorych na cukrzycę w porównaniu z chorymi bez cukrzycy.49
Hiperinsulinemia a choroby układu sercowo-naczyniowego: Evidence from the bedside
Mimo silnej patofizjologii i dowodów doświadczalnych na proaterogenne działanie hiperinsulinemii wtórnej do insulinooporności, u chorych na cukrzycę typu 2 bardzo często stosuje się podawanie insuliny w celu normalizacji hiperglikemii, stężenia wolnych kwasów tłuszczowych i hemoglobiny glikowanej. Leczenie to często wiąże się z podawaniem insuliny w bardzo dużych dawkach (do 100, a nawet 625 U/dobę),50 co powoduje wystąpienie niepożądanych efektów, takich jak zwiększenie masy ciała, zahamowanie resztkowego wydzielania endogennej insuliny,51 oraz nadekspresja szlaku MAPK.19 Jednak ze względu na korzystny wpływ insuliny na stężenie glukozy we krwi oraz na szkodliwy wpływ dużych dawek glukozy na czynność naczyń, dowody na szkodliwy wpływ netto dużych dawek insuliny w cukrzycy nie mogą być jednoznaczne. i amputacji obwodowych) u chorych na cukrzycę typu 2, wykazano, że w porównaniu z doustnym leczeniem przeciwcukrzycowym (takim jak metformina, nie powodującym zwiększonego wydzielania insuliny) leczenie insuliną wiązało się z większą liczbą zdarzeń sercowo-naczyniowych u mężczyzn i kobiet z cukrzycą typu 2. Wykazano, że u chorych na cukrzycę typu 2 insulinoterapia niezależnie zwiększa ryzyko owrzodzeń stóp,53 nadciśnienia tętniczego,54 oraz dużej agregacji płytek krwi zależnej od ADP.55 W badaniu Framingham Heart Study u chorych na cukrzycę leczonych insuliną stwierdzono największą zachorowalność i umieralność z powodu chorób układu sercowo-naczyniowego.56 W pierwszym badaniu National Health and Nutrition Examination Survey, wśród 7381 obserwowanych pacjentów, u chorych na cukrzycę leczonych insuliną stwierdzono zwiększone ryzyko zgonu z wszystkich przyczyn oraz zgonu spowodowanego chorobą układu sercowo-naczyniowego.57 W badaniu Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes u pacjentów poddanych intensywnej insulinoterapii stwierdzono 32% częstość występowania zdarzeń sercowo-naczyniowych w porównaniu z 21% u pacjentów poddanych standardowej insulinoterapii.58 W badaniu Atherosclerotic Risk in Communities u pacjentów leczonych sulfonylomocznikiem (co również prowadzi do zwiększenia stężenia insuliny) względne ryzyko chorób układu sercowo-naczyniowego wynosiło 1,82, natomiast u pacjentów leczonych insuliną – 2,64.59 Badanie Kumamoto, w którym u pacjentów leczonych insuliną nie stwierdzono zwiększonego ryzyka chorób makronaczyniowych, nie przyczyniło się w istotny sposób do rozstrzygnięcia tej kwestii, ponieważ pacjenci byli hipoinsulinemikami i nie byli otyli.60 W niedawno przeprowadzonym badaniu wykazano, że średnia amplituda skoków glikemii z danych ciągłego monitorowania glikemii korelowała dodatnio i niezależnie z wydalaniem 8-izo-prostaglandyny F2α z moczem, markera stresu oksydacyjnego, u chorych ze źle kontrolowaną cukrzycą przyjmujących doustne leki hipoglikemizujące.61 Autorzy nie stwierdzili takich związków u leczonych insuliną chorych na cukrzycę typu 1 i typu 2, co sugeruje, że samo leczenie insuliną hamuje u tych chorych stres oksydacyjny. Wpływ insuliny na homeostazę komórkową może jednak zależeć również od stężenia insuliny, ponieważ wykazano, że ponadfizjologiczne dawki insuliny indukują wytwarzanie reaktywnych form tlenu w warunkach in vitro.62 Ogólnie rzecz biorąc, egzogenna insulina wywołuje zarówno korzystne (zmniejszenie hiperglikemii), jak i niekorzystne (promowanie aterogenezy) efekty.63 Jest to ostrzeżenie przed mniejszym stosowaniem insuliny w cukrzycy typu 2. U chorych ze stężeniem glukozy we krwi>300mg/dl początkowe podanie insuliny może zmniejszyć glukotoksyczność50, 64, 65: następnie zmniejszenie insulinooporności przez redukcję masy ciała, zwiększenie wysiłku fizycznego oraz stosowanie leków uwrażliwiających na insulinę, takich jak metformina lub glitazony, byłoby prawdopodobnie bardziej racjonalnym wyborem w celu zapobiegania powikłaniom sercowo-naczyniowym u chorych na cukrzycę typu 2. Na uwagę zasługuje fakt, że w 5 dużych randomizowanych badaniach dotyczących intensywnej kontroli glikemii w porównaniu ze standardowym leczeniem w cukrzycy typu 2 nie wykazano zmniejszenia śmiertelności całkowitej lub z przyczyn sercowo-naczyniowych58, 66, 67, 68, 69; dla kontrastu takie zmniejszenie stwierdzono w badaniu EDIC70 w cukrzycy typu 1, w którym insulinooporność nie jest problemem pierwotnym, a leczenie insuliną zastępuje pierwotną niewydolność wytwarzania insuliny przez komórki beta trzustki.
Wnioski
Patofizjologiczne stężenia insuliny zwiększają produkcję endoteliny, cytokin prozapalnych, cząsteczek adhezyjnych leukocytów śródbłonka oraz PAI-1, wywierając ogólne naczyniowe działanie prozapalne. Wyniki badań in vitro i in vivo wskazują na patogenną rolę patofizjologicznych i farmakologicznych stężeń insuliny w chorobach naczyń. Uzasadnione są dalsze badania nad zastosowaniem specyficznych inhibitorów szlaków MAPK i PKC, jako nowych środków farmakologicznych adresujących proaterogenną sygnalizację insulinową.
Konflikty interesów
None declared.
Finansowanie
Oryginalna praca autorów tutaj zgłoszonych była wspierana przez granty z Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari do Raffaele De Caterina.
Received 4 November 2011
Accepted 11 November 2011
.