Aterogenes och diabetes, fokus på insulinresistens och hyperinsulinemi | Revista Española de Cardiología
Insulinresistens, hyperinsulinemi och kärlsjukdomar: att definiera problemet
Makro- och mikrovaskulära komplikationer är de två huvudorsakerna till sjuklighet och dödlighet vid typ 1- och typ 2-diabetes,1 men makrovaskulära komplikationer har en ökad incidens redan innan typ 2-diabetes uppstår.2 Högt blodglukos3 och glukosinducerade protein- och lipidförändringar – avancerade glykningsändprodukter4 – kan vara utlösande faktorer för både makro- och mikrovaskulära sjukdomar när diabetes (både typ 1- och typ 2-diabetes) väl har uppstått, men faktorer som orsakar makrovaskulära sjukdomar i samband med det metabola syndromet och prediabetes har länge varit omdebatterade. Vid diabetes, och troligen även vid det metabola syndromet,5, 6, 7, 8 uppstår aterosklerotisk kärlsjukdom och kranskärlssjukdom utöver kluster av andra medföljande riskfaktorer, t.ex. hypertriglyceridemi, låga nivåer av lipoproteiner med hög densitet och högt blodtryck. Insulinresistens före insjuknande i diabetes kännetecknas per definition av hyperinsulinemi, och detta har länge spekulerats ha ett orsakssamband med kärlsjukdom9 , 10, 11, 12 I denna korta genomgång kommer vi att ta upp den biologiska rimligheten och bevisen för att hyperinsulinemi är en kausal mekanism i utvecklingen av ateroskleros före och efter insjuknandet i typ 2-diabetes.
Selektiv insulinresistens och kompensatorisk hyperinsulinemi: patofysiologi
Ursprungligen definierade Reaven et al. insulinresistenssyndromet som ett kluster av kardiovaskulära riskfaktorer, inklusive glukosintolerans, dyslipidemi och hypertoni, som är förknippade med ökad kardiovaskulär sjukdom13 . De beskrev det metabola syndromet som ett kliniskt tillstånd som kännetecknas av insulinresistens, försämrat fastande plasmaglukos, fetma, dyslipidemi och högt blodtryck13. Senare har två definitioner av det metabola syndromet föreslagits, en av National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III14 och den andra av Världshälsoorganisationen.15 Här kan insulinresistens – mätt med referensmetoden hyperinsulinemisk euglykemisk klämma eller med surrogatmetoder, t.ex. det frekventa intravenösa glukostoleranstestet, insulinsuppressionstestet eller HOMA-indexet – påvisas hos upp till 76 % av personerna,16 och åtföljs av kompensatorisk hyperinsulinemi.16 Även om de molekylära mekanismerna för insulinresistens fortfarande är ofullständigt förstådda har avvikelser i insulinsignalering beskrivits.17 I perifera vävnader, inklusive skelettmuskulaturen och levern, inleder insulin under normala förhållanden sin verkan genom att binda sin specifika cellytereceptor, dvs. insulinreceptorn (IR), som är ett heterotetrameriskt protein som består av 2 extracellulära α-underenheter och 2 transmembran β-underenheter som är sammankopplade genom disulfidbroar. Insulinbindning till den extracellulära α-subenheten inducerar konformationsförändringar hos IR, vilket i sin tur orsakar dimerisering av intilliggande receptorer och aktivering av tyrosinkinasdomänen i den intracellulära delen av β-subenheten. När tyrosinkinasaktiviteten hos IR väl har initierats främjar den autofosforyleringen av själva β-underenheten och den snabba fosforyleringen av s.k. ”dockningsproteiner”, t.ex. IR-substrat (IRS)-1, -2, -3 och -4, och flera andra proteiner, bl.a. kollagenhomologiproteiner (shc) och src-homologiproteiner 2 (SH2), som i sin tur aktiverar flera intracellulära signalintermediärer (figur 1). IRS-, shc- och SH2-proteinerna spelar därför viktiga reglerande roller i insulinsignalkaskaden. I sin fosforylerade form blir dessa proteiner förankringspunkter för intracellulära proteiner som innehåller komplementära SH2-domäner. Särskilt interaktionen mellan IRS-1-proteiner och fosfatidylinositol (PI) 3-kinas bestämmer aktiveringen av Akt (även känd som proteinkinas B), som är avgörande för insulinets verkningsmekanism på GLUT-4-translokation, glukostransport och aktivering av kväveoxidsyntas (NO) (”metabolisk signalväg”). Insulinets icke-metabola, proliferativa, mitogena och proinflammatoriska effekter förmedlas däremot genom aktivering av Ras (främst genom shc och, i mindre utsträckning, IRS-proteiner), Raf och mitogenaktiverade proteinkinaser (MAPK) (”tillväxtsignalväg”).18 I insulinresistenta djur och in vitro-modeller kan en minskad aktivering av insulinsignalering via IRS-1/PI3-kinasvägen påvisas, vilket resulterar i minskat glukosupptag, minskad NO-syntes och minskat glukosutnyttjande i insulinmålvävnader. Samma minskning av glukostransporten uppfattas av betacellerna i bukspottkörteln och leder till en kompensatorisk ökning av insulinutsöndringen. Samtidigt förblir dock den MAPK-medierade insulinvägen opåverkad.19 Man kan lätt förstå att denna selektiva obalans mellan de två signaltransduktionsvägarna under sådana förhållanden med hyperinsulinemi kan leda till en överdriven proliferativ/tillväxtfrämjande signal, samtidigt som den gör det möjligt att upprätthålla normal glukostransport och glukoshomeostas. Kompensatorisk hyperinsulinemi stimulerar olika proliferativa och pro-atherogena händelser i vaskulära glatta muskel- och endotelceller. Sådana effekter inkluderar ökad produktion av plasminogenaktivatorinhibitor typ-1 (PAI-1), endotelin, proinflammatoriska cytokiner och ökat ytexpression av adhesionsmolekyler.19, 20, 21, 22
Figur 1. Insulinsignalvägen och dess försämring vid insulinresistens. Vid bindning till sin tyrosinkinasreceptor inducerar insulin receptorns dimerisering och aktivering av en kaskad av fosforyleringshändelser, vilket ger två klasser av effekter: a) ”metaboliska” effekter som främjar glukostransport, glykogen- och proteinsyntes, hämning av lipolys, skydd mot apoptos och frisättning av kväveoxid (allmänt beskrivet som ”antiinflammatoriska” effekter) och b) tillväxt- och differentieringsfrämjande effekter som leder till främjande av inflammation och aterogenes (dvs. mitogen, proinflammatorisk insulinsignalering). Akt, proteinkinas B (PKB), eNOS, endotelial kväveoxidsyntas, ERK, extracellulärt receptorkinas, IRS-1, insulinsubstratreceptor-1, JNK, c-Jun NH2-1 terminalkinas, MEK, mitogenaktiverat proteinkinas/extracellulärt receptorkinas; p38, p38 mitogenaktiverat proteinkinas; PD (PD98059) och UO126, hämmare av extracellulärt receptorkinas 1/2; PI3-kinas, fosfatidylinositol(PI)3-kinas; wortmannin, PI3-kinashämmare.
Insulin har en viktig roll i upprätthållandet av blodkärlens homeostas genom aktivering av endotelrelaterat NO. Insulin ökar endotelets NO-produktion genom att aktivera NOS-III (endotelial NOS) genom snabba posttranslationella mekanismer, som medieras av PI3K/Akt-signalvägen.23 I insulinresistenstillstånd hämmas PI3K/Akt-signalvägen selektivt, och detta leder till endotelisk dysfunktion, med en därav följande ökning av vaskulär tonus och hypertoni, ökad interaktion mellan endotelceller och leukocyter och ett protrombotiskt tillstånd. Denna ”selektiva” insulinresistens har visats i skelettmuskulatur från överviktiga personer och patienter med typ 2-diabetes24 samt i kärlsystemet och myokardiet hos överviktiga Zuckerråttor. Här omvandlas insulinets normala fysiologiska anti-aterogena effekter, som till stor del beror på dess förmåga att öka NO-produktionen, till pro-aterogena effekter.25
En ond cirkel mellan hyperinsulinemi och insulinresistens
Höga plasmakoncentrationer av insulin vid förhållanden med insulinresistens kan också utlösa en ond cirkel som ytterligare ökar insulinresistensen26 genom ett undertryckande av de effekter som medieras av PI3K/AKT/NO-axeln, vilket kan rubba balansen i systemet genom nettoförmånen för effekter som rör MAPK-aktivering. Eftersom insulin utlöser en rad biologiska effekter genom bindning och aktivering av dess receptor (IR), som är utrustad med tyrosinkinasaktivitet på specifika substrat, inklusive IRS -1 och -227 , har möss med en riktad deletion av IRS-1- och IRS-2-generna en fenotyp av insulinresistens28 .
Djurmodeller av hyperinsulinemi, t.ex. ob/ob-möss och överviktiga Zuckerråttor, har låga nivåer av IRS-1- och IRS-2-proteiner i levern.29, 30 Dessa modeller kännetecknas av insulinresistens och en nedsatt funktion av IR/IRS-1/PI3K/AKT-axeln i levern och skelettmuskulaturen. Det har visats att korta in vitro-inkuberingar av myoblaster med höga koncentrationer av insulin bestämmer en PI3K-medierad minskning av IRS-1-proteinuttrycket och en desensibilisering av insulinsignaltransduktionsmekanismerna.9 Slutligen är en långvarig exponering av odlade myoblaster för höga koncentrationer av insulin förknippad med en minskad aktivitet av IR/IRS-1/PI3K/AKT-axeln.31 Vi har visat att långvarig exponering av endotelceller från humana navelsträngar för höga insulinnivåer inducerar en nedreglering av PI3K(AKT/eNOS-axeln, parallellt med ett ökat uttryck av vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1).32 De molekylära mekanismer genom vilka hyperinsulinemi framkallar eller förvärrar insulinresistens är dock fortfarande till stor del okända.
Hyperinsulinemi och kärlsjukdom: Bevis från laboratoriet
Djurförsök33, 34 och flera in vitro-studier har gett bevis för den biologiska rimligheten i hypotesen att höga insulinkoncentrationer är pro-atherogena. Ett samband mellan kranskärlssjukdom och höga insulinkoncentrationer föreslogs för första gången i slutet av 1960-talet10 och bekräftades senare (för en översikt, se Reddy et al.35). In vitro har insulin visat sig stimulera proliferation och migration av arteriella glatta muskelceller i vävnadskulturpreparat21 och inducera monocytadhesion genom att öka uttrycket av VCAM-1 i endotelceller.22, 36, 37 VCAM-1 är troligen den adhesionsmolekyl som är mest relevant för utvecklingen av ateroskleros.38 Ett sådant ökat uttryck i närvaro av insulin sker i ett system där insulin fortfarande kan öka biotillgängligheten av NO, vilket normalt skulle hämma endotelaktivering och aterogenes.39 Därför innebär dessa resultat att en nettoeffekt av höga insulinkoncentrationer på endotelceller oftast är en proinflammatorisk fenotyp. Vi har också visat att dessa effekter kan förstärkas av PI-3-kinashämmaren wortmannin,22 vilket får oss att postulera att de kan förstärkas ytterligare under förhållanden med insulinresistens som efterliknas av wortmannin. Eftersom insulinets förmåga att inducera endotelaktivering (för vilken VCAM-1-uttrycket är både en markör och en mediator) är en rimlig förklaring till makrovaskulär sjukdom som åtföljer hyperinsulinemiska tillstånd, undersökte vi potentiella molekylära mekanismer som är involverade i detta specifika mönster av endotelaktivering. Endotelceller från humana navelsträngar inkuberades med insulin (0-24 timmar) ± hämmare av signalvägar som kan vara involverade. Inkubation av endotelceller med hämmare av ERK1/2 påverkade inte det insulininducerade VCAM-1-uttrycket. Omvänt minskade p38 MAPK-hämmarna SB203580 och SB202190, isoformhämmaren LY379196 för proteinkinas C (PKC)-β-isoformen och – delvis – c-Jun NH2-terminal kinashämmaren SP600127, som alla testades i koncentrationer kring deras IC50 för hämning av substratfosforylering, insulineffekten på VCAM-1. Gen-stympning av p38 MAPK med små interfererande RNA, som undertryckte uttrycket av p38 MAPK, undertryckte det insulinstimulerade VCAM-1-uttrycket.22, 36, 37 Behandling med insulin ledde också till aktivering av NF-κB.22, 36
I djur har långtidsbehandling med insulin visat sig framkalla arteriella lesioner som är rika på lipider och stimulera förtjockning av väggen.10 De mekanismer som är ansvariga för dessa lesioner är ökad kolesterolsyntes i fettvävnad, ett obalanserat förhållande mellan receptorer för lipoproteiner med låg densitet och lipoproteiner med hög densitet (med en ökning av de förstnämnda och en minskning av de sistnämnda) och ökad bindning av lipoproteiner med låg densitet till arteriella glatta muskelceller10. Insulin är också en tillväxtfaktor som kan främja angiogenes och proliferation av glatta muskelceller genom att aktivera samma vägar som aktiveras av IGF.40 Dessa insulineffekter tycks vara involverade i den retinala neovaskulariseringen och spelar därför en nyckelroll i patofysiologin för diabetisk mikroangiopati och – potentiellt – för destabilisering av aterosklerotiska plack.41, 42, 43
Av de andra potentiella mekanismer genom vilka höga insulinnivåer gynnar ateroskleros är sannolikt även endotel dysfunktion,44 och hämning av makrofagapoptos relevanta.45 Endotel dysfunktion föregår och förutsäger makrovaskulära händelser. Hos friska människor kan infusion av insulin, som uppnår patofysiologiskt relevanta insulinkoncentrationer (>120pmol/L), inducera allvarlig endotelisk dysfunktion i stora artärer.44 De ansvariga mekanismerna involverar troligen ökad intracellulär oxidativ stress.46 In vitro-studier har visat att insulin stimulerar produktionen av endotelin, aktiviteten hos det sympatiska systemet och natriumretention.47 Vidare underlättar insulin migration och proliferation av glatta muskelceller, ökar produktionen av extracellulärt matris och inducerar en prokoagulerande status,48 och kan därmed också möjligen bidra till restenos efter angioplastik, som oftare observeras hos diabetiker jämfört med icke-diabetiska patienter.49
Hyperinsulinemi och hjärt-kärlsjukdom: Trots den starka patofysiologin och de experimentella bevisen för proatherogena effekter av hyperinsulinemi sekundärt till insulinresistens genomgår patienter med typ 2-diabetes mycket ofta insulinadministration för att normalisera hyperglykemi, nivåer av fria fettsyror och glykerat hemoglobin. Denna behandling innebär ofta insulinadministrering i mycket höga doser (upp till 100 eller till och med 625 U/dag)50 , vilket leder till att oönskade effekter uppträder, t.ex. viktuppgång, hämning av den kvarvarande endogena insulinsekretionen51 och överexpression av MAPK-vägen.19 På grund av insulinets gynnsamma effekter på blodsockret och på de högglukosmedierade skadliga effekterna på kärlfunktionen kan bevisen för skadliga nettoeffekter av höga doser av insulin vid diabetes dock inte vara entydiga. DAI-studien (Diabetes and Informatics Study Group, Italian Association of Diabetologists and Italian National Institute of Health)52 , en multicenterkohortstudie om prevalens och incidens av kardiovaskulära händelser (hjärtinfarkt, cerebral tromboembolism, och perifera amputationer) hos patienter med typ 2-diabetes, visade att jämfört med oral antidiabetisk behandling (t.ex. metformin, som inte medför ökad insulinsekretion) var insulinbehandling förknippad med ett högre antal kardiovaskulära händelser hos män och kvinnor med typ 2-diabetes. Hos patienter med typ 2-diabetes har insulinbehandling visat sig öka risken för fotsår,53 hypertoni,54 och hög ADP-beroende trombocytaggregation.55 I Framingham Heart Study uppvisade diabetespatienter som behandlades med insulin den högsta incidensen av morbiditet och mortalitet i fråga om kardiovaskulära sjukdomar.56 I den första National Health and Nutrition Examination Survey, bland 7381 observerade patienter, uppvisade de diabetiker som behandlades med insulin en ökad risk för dödsfall av samtliga orsaker och dödsfall till följd av hjärt-kärlsjukdom.57 I Veterans Affairs Cooperative Study on Glycemic Control and Complications in Type II Diabetes uppvisade patienter som behandlades med intensiv insulinbehandling en 32-procentig incidens av kardiovaskulära händelser, jämfört med 21-procentig incidens hos patienter som behandlades med standardinsulinbehandling.58 I studien Atherosclerotic Risk in Communities hade patienter som behandlades med sulfonureider (vilket också leder till ökade insulinkoncentrationer) en relativ risk för hjärt-kärlsjukdom på 1,82, medan patienter som behandlades med insulin hade en relativ risk på 2,64.59 Kumamoto-studien, där patienter som behandlades med insulin inte uppvisade någon ökad risk för makrovaskulära sjukdomar, bidrog inte i någon större utsträckning till att lösa denna fråga, eftersom patienterna var hypoinsulinemiska och ickeobese.60 En nyligen genomförd studie har visat att medelamplituden av glykemiska exkursioner från data från kontinuerlig glukosmätning korrelerade positivt och oberoende med utsöndringen av 8-iso-prostaglandin F2α i urinen, en markör för oxidativ stress, hos patienter med dåligt kontrollerad diabetes som fick orala hypoglykemiska medel.61 Författarna hittade inte några sådana associationer hos insulinbehandlade patienter med typ 1-diabetes och typ 2-diabetes, vilket tyder på att insulinbehandlingen i sig själv hämmar den oxidativa stressen hos dessa patienter. Men insulinets effekter på den cellulära homeostasen kan också bero på insulinkoncentrationerna, eftersom suprafysiologiska doser av insulin har visat sig inducera generering av reaktiva syrearter in vitro.62 Sammantaget ger exogent insulin gynnsamma (minskning av hyperglykemi) och ogynnsamma (främjande av aterogenes) effekter.63 Detta är en varning för en mindre omfattande användning av insulin vid typ 2-diabetes. Hos patienter med blodglukosnivåer>300mg/dL kan en inledande insulinadministrering minska glukotoxiciteten50, 64, 65: därefter skulle en minskning av insulinresistensen genom viktreduktion, ökad fysisk träning och användning av insulinkänslighetsmedel, såsom metformin eller glitazonerna, troligen vara ett mer rationellt val för att förebygga kardiovaskulära komplikationer hos patienter med typ 2-diabetes. Noterbart är att fem stora randomiserade studier av intensiv glukoskontroll jämfört med standardbehandling vid typ 2-diabetes inte har visat någon minskning av den totala eller kardiovaskulära dödligheten58, 66, 67, 68, 69. Däremot har en sådan minskning konstaterats i EDIC-studien70 vid typ 1-diabetes, där insulinresistens inte är det primära problemet och där insulinbehandling ersätter ett primärt misslyckande med insulinproduktionen från betacellerna i bukspottkörteln. Slutsatser
Patofysiologiska insulinkoncentrationer ökar produktionen av endotelin, proinflammatoriska cytokiner, endoteliella leukocytadhesionmolekyler och PAI-1 och utövar övergripande kärlproinflammatoriska effekter. Resultaten av in vitro- och in viv-studier pekar på en patogen roll för patofysiologiska och farmakologiska insulinkoncentrationer vid kärlsjukdomar. Ytterligare forskning om användningen av specifika hämmare av MAPK- och PKC-vägarna, som nya farmakologiska medel för att hantera den pro-atherogena insulinsignaleringen, är motiverad.
Intressekonflikter
Inte deklarerat.
Finansiering
Författarnas ursprungliga arbete som redovisas här stöddes av bidrag från Istituto Nazionale per le Ricerche Cardiovascolari till Raffaele De Caterina.
Recommenderat 4 november 2011
Accepterat 11 november 2011