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

Insulin resistance, hyperinsulinemia and vascular disease: defining the problem

Macro- and microvascular complications are both main causes of morbidity and mortality in type 1 and type 2 diabetes,1 but macrovascular complications have an increased incidence even before the onset of type 2 diabetes.2 Enquanto a glicemia3 e as modificações lipídicas e proteicas induzidas pelo glicose-induzidas pelo glicose-os-produtos finais avançados da glicação4- podem ser desencadeadores tanto de doenças macro e microvasculares uma vez que o diabetes (tanto tipo 1 quanto tipo 2) tenha ocorrido, fatores causadores de doenças macrovasculares no cenário da síndrome metabólica e do pré-diabetes têm sido debatidos há muito tempo. Certamente no diabetes, e provavelmente também no cenário da síndrome metabólica,5, 6, 7, 8 doenças vasculares ateroscleróticas e coronárias ocorrem além da agregação de outros fatores de risco associados, como hipertrigliceridemia, baixos níveis de lipoproteínas de alta densidade e hipertensão arterial. A resistência à insulina antes do início da diabetes é, por definição, caracterizada pela hiperinsulinemia, e há muito se especula que esta esteja ligada causalmente à doença vascular.9, 10, 11, 12 Nesta breve revisão vamos abordar a plausibilidade biológica e a evidência de que a hiperinsulinemia é um mecanismo causal no desenvolvimento de aterosclerose antes e depois do início da diabetes tipo 2.

Resistência seletiva à insulina e hiperinsulinemia compensatória: fisiopatologia

Originalmente, Reaven et al. definiram a síndrome de resistência à insulina como um conjunto de fatores de risco cardiovascular, incluindo a intolerância à glicose, dislipidemia e hipertensão arterial, associadas ao aumento da doença cardiovascular.13 Eles descreveram a síndrome metabólica como uma condição clínica caracterizada pela resistência à insulina, glicose plasmática em jejum, obesidade, dislipidemia e hipertensão arterial.13 Posteriormente, duas definições da síndrome metabólica foram propostas, uma pelo National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 e outra pela Organização Mundial de Saúde.15 Aqui, a resistência à insulina – medida pelo método de referência da pinça hiperinsulinêmica euglicêmica ou por métodos substitutos, como o teste de tolerância à glicose endovenosa, o teste de supressão de insulina ou o índice HOMA – pode ser demonstrada em até 76% dos sujeitos,16 e é acompanhada por hiperinsulinemia compensatória.16 Embora os mecanismos moleculares de resistência à insulina ainda sejam incompletamente compreendidos, foram descritas anormalidades na sinalização da insulina.17 Nos tecidos periféricos, incluindo o músculo esquelético e o fígado, em condições normais a insulina inicia sua ação ligando seu receptor de superfície celular específico, ou seja, o receptor de insulina (RI), que é uma proteína heterotetramericana composta por 2 subunidades extracelulares α e 2 subunidades transmembranas β conectadas por pontes de dissulfeto. A ligação da insulina ao extracelular α-subunidade induz alterações conformacionais da IV, que por sua vez provoca a dimerização dos receptores adjacentes e a ativação do domínio da tirosina quinase da parte intracelular da subunidade β-subunidade. Uma vez iniciada a atividade da tirosina quinase da IR, ela promove a autofosforilação da própria subunidade β e a rápida fosforilação das chamadas “proteínas de acoplamento”, tais como substratos de IR (IRS)-1, -2, -3, e -4, e várias outras proteínas, incluindo as proteínas de homologia de colágeno (shc) e src homologia 2 (SH2), que por sua vez ativam múltiplos intermediários de sinalização intracelular (Figura 1). Portanto, as proteínas IRS, shc e SH2 desempenham importantes papéis regulatórios na cascata de sinalização de insulina. Na sua forma fosforilada, estas proteínas tornam-se pontos de ancoragem para as proteínas intracelulares que contêm domínios SH2 complementares. Em particular, a interação entre as proteínas IRS-1 e o fosfatidilinositol (PI) 3-quinase determina a ativação do Akt (também conhecido como proteína quinase B), que é fundamental no mecanismo de ação da insulina na translocação do GLUT-4, no transporte da glicose e na ativação do óxido nítrico (NO) sintetase (“caminho do sinal metabólico”). Em contraste, os efeitos nãometabólicos, proliferativos, mitogênicos, pró-inflamatórios da insulina são mediados pela ativação de Ras (principalmente através do shc e, em menor grau, das proteínas IRS), Raf, e das proteínas mitogênicas ativadas por kinases (MAPK) (“caminho de sinalização de crescimento”).Em animais resistentes à insulina e modelos in vitro pode ser demonstrada uma ativação reduzida da sinalização de insulina através da via IRS-1/PI3-kinase, resultando em diminuição da absorção de glicose, redução da síntese de NO e redução da utilização de glicose nos tecidos alvo da insulina. A mesma diminuição no transporte da glicose é sentida ao nível das células beta pancreáticas, e induz um aumento compensatório na secreção de insulina. Ao mesmo tempo, entretanto, a via de insulina mediada por MAPK permanece inalterada.19 Pode-se facilmente entender que este desequilíbrio seletivo das duas vias de transdução de sinal em tais condições de hiperinsulinemia pode levar a um sinal proliferativo/promotor de crescimento excessivo, ao mesmo tempo em que permite a manutenção do transporte normal de glicose e a homeostase da glicose. A hiperinsulinemia compensatória estimula vários eventos proliferativos e pró-aterogênicos na musculatura lisa vascular e nas células endoteliais. Tais efeitos incluem o aumento da produção do ativador plasminogênico inibidor tipo 1 (PAI-1), endotelina, citocinas pró-inflamatórias e o aumento da expressão superficial das moléculas de adesão.19, 20, 21, 22

Figure 1. A via de sinalização da insulina e a sua diminuição na resistência à insulina. Ao ligar-se ao seu receptor de tirosina-quinase, a insulina induz a dimerização do receptor e a ativação de uma cascata de eventos de fosforilação, produzindo duas classes de efeitos: a) efeitos “metabólicos”, promovendo o transporte de glicose, glicogênio e síntese de proteínas, inibição de lipólise, proteção contra apoptose e liberação de óxido nítrico (amplamente descritos como efeitos “antiinflamatórios”), e b) efeitos promotores de crescimento e diferenciação, que levam à promoção de inflamação e aterogênese (ou seja, sinalização mitogênica, pró-inflamatória da insulina). Akt, proteína quinase B (PKB); eNOS, óxido nítrico sintetase endotelial; ERK, receptor extracelular quinase; IRS-1, substrato de insulina receptor-1; JNK, c-Jun NH2-1 quinase terminal; MEK, proteína quinase ativada mitogênica/extracelular receptor quinase; p38, p38 mitogen-activated protein kinase; PD (PD98059) e UO126, extracellular receptor quinase 1/2 inibidores; PI3-Kinase, phosphatidylinositol(PI)3-quinase; wortmannin, inibidor da PI3-quinase.

Insulina tem um papel importante na manutenção da homeostase dos vasos sanguíneos através da ativação do NO derivado do endotélio. A insulina aumenta a produção de NO endotelial pela ativação da NOS-III (NOS endotelial) por mecanismos pós-tradlacionais rápidos, que são mediados pela via de sinalização PI3K/Akt.23 Nos estados de resistência à insulina, a via PI3K/Akt é seletivamente inibida, o que leva à disfunção endotelial, com conseqüente aumento do tônus vascular e hipertensão, aumento da interação entre células endoteliais e leucócitos, e um estado protrombótico. Essa resistência “seletiva” à insulina tem sido demonstrada no músculo esquelético de pessoas obesas e pacientes com diabetes tipo 2,24 e na vasculatura e no miocárdio de ratos Zucker obesos. Aqui, os efeitos fisiológicos normais anti-aterogênicos da insulina, devido em grande parte à sua capacidade de aumentar a produção de NO, são transformados em efeitos pró-aterogênicos.25

Um círculo vicioso entre hiperinsulinemia e resistência à insulina

Altas concentrações plasmáticas de insulina em condições de resistência à insulina também podem desencadear um círculo vicioso que aumenta ainda mais a resistência à insulina26 através da supressão dos efeitos mediados pelo eixo PI3K/AKT/NO, o que pode desequilibrar o sistema através da promoção líquida dos efeitos relacionados à ativação MAPK. Como a insulina desencadeia uma série de efeitos biológicos através da ligação e ativação de seu receptor (RI), dotado de atividade tirosina-quinase em substratos específicos incluindo os genes IRS -1 e -2,27 com uma deleção dirigida dos genes IRS-1 e IRS-2 têm um fenótipo de resistência à insulina.28

Modelos anímicos de hiperinsulinemia, como os ratos ob/ob e os ratos Zucker obesos, têm baixos níveis de proteínas IRS-1 e IRS-2 no fígado.29, 30 Estes modelos são caracterizados pela resistência à insulina e uma função reduzida do eixo IR/IRS-1/PI3K/AKT no fígado e no músculo esquelético. Foi demonstrado que breves incubações in vitro de miooblastos com altas concentrações de insulina determinam uma redução mediada por PI3K da expressão da proteína IRS-1 e uma dessensibilização dos mecanismos de transdução do sinal de insulina.9 Finalmente, uma exposição prolongada de miooblastos cultivados a altas concentrações de insulina está associada a uma redução da atividade do eixo IR/IRS-1/PI3K/AKT.31 Temos demonstrado que a exposição prolongada das células endoteliais das veias umbilicais humanas a altos níveis de insulina induz uma desregulação do PI3K(AKT/eNOS eixo, paralela ao aumento da expressão da molécula de adesão celular vascular 1 (VCAM-1).32 Entretanto, os mecanismos moleculares através dos quais a hiperinsulinemia inicia ou piora a resistência à insulina ainda são largamente desconhecidos.

Hiperinsulinemia e doença vascular: Evidências da bancada

Experiências anímicas33, 34 e vários estudos in vitro forneceram evidências para a plausibilidade biológica da hipótese segundo a qual altas concentrações de insulina são pró-aterogênicas. Uma ligação entre doença arterial coronária e altas concentrações de insulina foi inicialmente proposta no final da década de 196010 e posteriormente confirmada (para uma revisão, ver Reddy et al.35). In vitro, a insulina demonstrou estimular a proliferação e migração de células musculares lisas arteriais em preparações de cultura de tecidos21 e induzir a adesão de monócitos, aumentando a expressão do VCAM-1 nas células endoteliais.22, 36, 37 O VCAM-1 é provavelmente a molécula de adesão mais relevante para o desenvolvimento da aterosclerose.38 Tal aumento da expressão na presença de insulina ocorre em um sistema onde a insulina ainda pode aumentar a biodisponibilidade de NO, o que normalmente inibiria a ativação endotelial e a aterogênese.39 Portanto, esses achados significam que um efeito líquido de altas concentrações de insulina sobre as células endoteliais é, em sua maioria, um fenótipo pró-inflamatório. Também demonstramos que esses efeitos podem ser potencializados pelo inibidor de PI-3-quinase wortmannin22 , o que nos leva a postular que eles podem ser ainda mais amplificados em condições de resistência à insulina imitadas pelo wortmannin. Como a capacidade da insulina de induzir ativação endotelial (para a qual a expressão do VCAM-1 é tanto um marcador quanto um mediador) é uma explicação plausível para a doença macrovascular que acompanha as condições hiperinsulinêmicas, examinamos mecanismos moleculares potenciais envolvidos nesse padrão específico de ativação endotelial. As células endoteliais da veia umbilical humana foram incubadas com insulina (0-24h)±inibidores das vias de sinalização potencialmente envolvidas. A incubação de células endoteliais com inibidores de ERK1/2 falhou em afetar a expressão do VCAM-1 induzido pela insulina. Por outro lado, os inibidores p38 MAPK SB203580 e SB202190, a proteína quinase C (PKC)-β isoform inibidor LY379196, e em parte o inibidor c-Jun NH2 quinase terminal SP600127, todos testados em concentrações ao redor de sua IC50 para inibição da fosforilação do substrato, diminuíram o efeito da insulina sobre o VCAM-1. O silenciamento genético do p38 MAPK por pequenos RNAs interferentes, que suprimiram a expressão do p38 MAPK, suprimiram a expressão do VCAM-1 estimulado por insulina.22, 36, 37 O tratamento com insulina também levou à ativação da NF-κB.22, 36

Em animais, o tratamento a longo prazo com insulina mostrou induzir lesões arteriais ricas em lipídios e estimular o espessamento das paredes.10 Os mecanismos responsáveis por essas lesões são o aumento da síntese de colesterol no tecido adiposo, uma relação desequilibrada entre os receptores de lipoproteínas de baixa densidade e de lipoproteínas de alta densidade (com um aumento das primeiras e uma redução das últimas), e o aumento das lipoproteínas de baixa densidade que se ligam às células musculares lisas arteriais.10 A insulina também é um fator de crescimento capaz de promover angiogênese e proliferação de células musculares lisas, ativando as mesmas vias que são ativadas pelos IGFs.40 Estes efeitos da insulina parecem estar envolvidos na neovascularização da retina, desempenhando, portanto, um papel fundamental na fisiopatologia da microangiopatia diabética e na desestabilização da placa artero-clerótica.41, 42, 43

entre os outros mecanismos potenciais pelos quais altos níveis de insulina favorecem a aterosclerose, disfunção endotelial,44 e inibição da apoptose macrofágica são provavelmente também relevantes.45 A disfunção endotelial precede e prediz eventos macrovasculares. Em indivíduos humanos saudáveis, a infusão de insulina, atingindo concentrações fisiopatológicas relevantes de insulina (>120pmol/L), pode induzir disfunção endotelial grave em grandes artérias.44 Os mecanismos responsáveis provavelmente envolvem aumento do estresse oxidativo intracelular.46 Estudos in vitro mostraram que a insulina estimula a produção de endotelina, a atividade do sistema simpático e a retenção de sódio.47 Além disso, a insulina facilita a migração e proliferação de células musculares lisas, aumenta a produção de matriz extracelular e induz a um status pró-coagulante,48 podendo também contribuir para a reestenose pós-angioplastia, mais freqüentemente observada em pacientes diabéticos em comparação com pacientes não diabéticos.49

Hiperinsulinemia e doença cardiovascular: Evidências à beira do leito

Apesar da forte fisiopatologia e evidências experimentais de efeitos pró-aterogênicos da hiperinsulinemia secundária à resistência à insulina, pacientes com diabetes tipo 2 freqüentemente são submetidos à administração de insulina para normalizar a hiperglicemia, níveis de ácidos graxos livres e hemoglobina glicosilada. Esse tratamento freqüentemente implica na administração de insulina em doses muito altas (até 100 ou mesmo 625 U/dia),50 o que causa o aparecimento de efeitos adversos, como aumento de peso, inibição da secreção endógena residual de insulina51 e a superexpressão da via MAPK.19 Entretanto, devido aos efeitos favoráveis da insulina sobre a glicemia e sobre os efeitos deletérios da função vascular mediados por glucose-alto, as evidências dos efeitos deletérios líquidos de altas doses de insulina no diabetes não podem ser claramente definidas. Estudo do DAI (Grupo de Estudos de Diabetes e Informática, Associação Italiana de Diabetologistas e Instituto Nacional de Saúde),52 um estudo de coorte multicêntrico sobre a prevalência e incidência de eventos cardiovasculares (infarto do miocárdio, tromboembolismo cerebral, e amputações periféricas) em pacientes diabéticos tipo 2, mostrou que, em comparação com o tratamento antidiabético oral (como a metformina, que não implica aumento da secreção de insulina), o tratamento com insulina estava associado a um maior número de eventos cardiovasculares em homens e mulheres com diabetes tipo 2. Em pacientes com diabetes tipo 2, a insulinoterapia demonstrou aumentar independentemente o risco de úlceras do pé,53 hipertensão arterial,54 e alta agregação plaquetária dependente de ADP.55 No Framingham Heart Study, pacientes diabéticos tratados com insulina apresentaram a maior incidência de morbidade e mortalidade por doença cardiovascular.56 No First National Health and Nutrition Examination Survey, entre 7381 pacientes observados, aqueles com diabetes tratados com insulina apresentaram risco aumentado de morte por todas as causas e morte atribuível a doença cardiovascular.57 No Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes, pacientes sob terapia intensiva com insulina mostraram uma incidência de 32% de eventos cardiovasculares em comparação com 21% em pacientes sob terapia com insulina padrão.58 No estudo Atherosclerotic Risk in Communities, pacientes em tratamento com sulfonilureias (que também leva ao aumento das concentrações de insulina) tiveram um risco relativo de doença cardiovascular de 1,82, enquanto pacientes em insulinoterapia tiveram um risco relativo de 2,64.59 O estudo Kumamoto, onde pacientes em tratamento com insulina não mostraram um risco aumentado de doença macrovascular, não contribuiu substancialmente para abordar esta questão porque os pacientes eram hipoinsulinêmicos e nãoobesos.60 Um estudo recente mostrou que a amplitude média das excursões glicêmicas a partir de dados de monitoramento contínuo da glicemia correlacionou-se positiva e independentemente com a excreção urinária 8-iso-prostaglandina F2α, um marcador de estresse oxidativo, em pacientes com diabetes mal controlado em hipoglicemiantes orais.61 Os autores não encontraram tais associações em pacientes diabéticos tipo 1 e tipo 2 tratados com insulina, sugerindo que o próprio tratamento com insulina inibe o estresse oxidativo nesses pacientes. No entanto, os efeitos da insulina na homeostase celular também podem depender das concentrações de insulina, uma vez que doses supra-fisiológicas de insulina têm demonstrado induzir a geração de espécies reativas de oxigênio in vitro.62 Em geral, a insulina exógena produz efeitos favoráveis (redução da hiperglicemia) e adversos (promoção da aterogênese).63 Isto é um alerta para um uso menos extenso de insulina no diabetes tipo 2. Em pacientes com níveis de glicemia>300mg/dL, uma administração inicial de insulina pode diminuir a glucotoxicidade50, 64, 65: depois disso, uma redução da resistência à insulina pela redução do peso, um aumento do exercício físico e o uso de sensibilizadores de insulina, como a metformina ou as glitazonas, seria provavelmente uma escolha mais racional para prevenir complicações cardiovasculares em pacientes com diabetes tipo 2. De notar que 5 grandes ensaios randomizados de controlo intensivo da glicose vs terapia padrão na diabetes tipo 2 não demonstraram qualquer redução na mortalidade total ou cardiovascular58, 66, 67, 68, 69; em contraste, tal redução foi encontrada no EDIC Study70 na diabetes tipo 1, onde a resistência à insulina não é o problema primário e o tratamento da insulina substitui uma falha primária na produção de insulina pelas células beta pancreáticas.

Conclusões

As concentrações patofisiológicas de insulina aumentam a produção de endotelina, citocinas pró-inflamatórias, moléculas de adesão leucocitária endotelial e PAI-1, exercendo efeitos pró-inflamatórios vasculares globais. Resultados de estudos in vitro e in vivo apontam para um papel patogênico das concentrações fisiopatológicas e farmacológicas de insulina na doença vascular. Mais pesquisas sobre o uso de inibidores específicos das vias MAPK e PKC, como novos agentes farmacológicos abordando a sinalização pró-aterogênica da insulina, são justificadas.

Conflitos de interesse

Nenhum declarado.

Financiamento

O trabalho original dos autores aqui relatado foi apoiado por doações do Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari a Raffaele De Caterina.

Recebido 4 de Novembro de 2011
Aceito 11 de Novembro de 2011