|
|
|
In cadrul acestor mecanisme se vor discuta remodelarea masei beta celulare (cresterea si reducerea masei beta celulare) si modificarea curbei doza-raspuns a secretiei de insulinei.
Odata cu descoperirea dozarii radioimunologice a insulinei in anul 1960, Yalow si Berson (169) au remarcat ca pacientii cu diabet zaharat "de maturitate" (actualmente clasificati ca diabet zaharat tip 2), comparativ cu indivizii cu toleranta normala la glucoza, au niveluri ale insulinei circulante egale sau chiar mai mari in cursul testului de toleranta la glucoza oral.
Hiperinsulinemia in cursul incarcarii orale sau i.v. cu glucoza, reflectand o stare de sensibilitate redusa la insulina, a fost ulterior raportata si de alti autori (6, 60, 92).
Subiectii obezi, insulinorezistenti (69) prezinta un nivel al secretiei de insulina de 3-4 ori mai mare decat subiectii normoponderali cu un grad echivalent de toleranta la glucoza.
Jones si colab (65) au studiat raspunsul celulei beta pancreatice la glucoza (realizand o crestere gradata a glicemiei prin administrarea i.v. de ser glucozat) la subiecti insulinosensibili si insulinorezistenti cu toleranta normala la glucoza. Subiectii insulinorezistenti au prezentat nivele semnificativ crescute atat ale concentratiei insulinei in plasma cat si ale ratei de secretie a insulinei (la nivele similare ale glicemiei) comparativ cu subiectii insulinosensibili.
Toate aceste date atesta ca celulele beta pancreatice detecteaza si raspund la insulinorezistenta prin cresterea secretiei de insulina.
Cresterea secretiei de insulina este realizata prin doua mecanisme: remodelarea masei beta celulare si cresterea cantitatii de insulina secretata per celula prin modificarea curbei doza-raspuns a secretiei de insulina.
1. Remodelarea masei beta celulare
Studii anatomo-patologice la om au sugerat ca masa betacelulara sufera un proces de remodelare in cursul vietii.
In 1985 Klöppel si colab. (73) au publicat un studiu necroptic pe 25 subiecti: 14 subiecti cu diabet zaharat tip 2 si 11 subiecti nediabetici.
In cadrul aceleiasi categorii de toleranta la glucoza (comparand subiectii diabetici intre ei si respectiv subiectii nediabetici intre ei), masa beta celulara a fost crescuta cu 40% la subiectii obezi in comparatie cu subiectii neobezi. Pe de alta parte, subiectii cu diabet zaharat au avut o masa beta celulara redusa cu 50% fata de subiectii nediabetici cu un index al masei corporale similar. Aceste date sugereaza ca exista o crestere a masei beta celulare in conditiile rezistentei la insulina, dar aceasta crestere este limitata la subiectii diabetici comparativ cu subiectii nediabetici cu un index similar al masei corporale.
Masa beta celulara este factorul major de care depinde cantitatea de insulina ce poate fi secretata.
Studii necroptice (21) au evidentiat prezenta unui numar mai mare de celule ductale cu imunoreactivitate pentru insulina in tesutul pancreatic obtinut postmortem de la subiecti cu diabet tip 2 comparativ cu tesutul pancreatic obtinut de la subiecti nediabetici.
Numeroase date experimentale au evidentiat ca masa beta celulara este dinamica (11) putand sa creasca sau sa scada, sub influenta unor mecanisme de adaptare la variatia nevoilor de insulina in scopul mentinerii euglicemiei.
Intre primate, maimuta rhesus, hranita ad libitum in conditii de captivitate, dezvolta spontan o forma de diabet similara cu diabetul tip 2, caracterizat prin obezitate si rezistenta la insulina. In cadrul unui studiu longitudinal (55) a fost urmarita relatia intre masa beta celulara si secretia de insulina in cursul fazelor preliminare ale bolii pana la dezvoltarea diabetului clinic manifest. In faza initiala, cand toleranta la glucoza este inca normala, animalele cresc in greutate, devin obeze au rezistenta la insulina si prezinta o crestere a raspunsului insulinosecretor concomitent cu cresterea masei beta celulare. Instalarea fazei clinic manifesta a diabetului zaharat este insotita de scaderea secretiei de insulina si diminuarea masei beta celulare.
Studii experimentale pe sobolani:
- La sobolani adulti infuzati cu o cantitate mare de glucoza timp de 96 ore, s-a constatat o crestere cu 50% a masei beta celulare. Aceasta crestere s-a produs predominant prin cresterea replicarii (de 4 -5 ori) si prin hipertrofierea (8) celulelor beta pancreatice.
- La sobolanul obez nediabetic Zucker Fatty, masa beta celulara creste de 4 ori intre a 6-a si a 12-a saptamana de viata ca raspuns la rezistenta la insulina (115).
- Date morfometrice au evidentiat la soarece o corelatie stransa intre masa beta celulara si greutatea corporala (11).
- La sobolanul gestant masa beta celulara este aproape dubla la sfarsitul sarcinii si scade progresiv dupa nastere ajungand la valori normale 10 zile postpartum (133).
Aceste studii evidentiaza existenta unei corelatii stranse intre masa beta celulara si nevoia de insulina care variaza in functie de greutatea corporala, gradul de obezitate si rezistenta la insulina. Modificarile masei beta celulare, intr-un sens sau altul, ilustreaza plasticitatea pancreasului endocrin.
Atat carenta cat si excesul de insulina, neadecvate nevoilor, ar putea constitui situatii critice pentru supravietuirea organismelor.
Probabil ca aceasta a determinat, in perspectiva evolutiei, diferentierea unor structuri care au facut ca celula beta pancreatica sa poata raspunde atat la semnale care-i stimuleaza replicarea cat si la semnale care induc moartea celulara.
Aceste semnale, coordonate in cadrul unui mecanism extrem de precis, permit reglarea dinamica a masei beta celulara.
Aceasta poate sa creasca sau sa scada in functie de nevoi.
Procesele implicate in reglarea dinamica a masei beta celulare sunt : cresterea masei beta celulare (prin replicare, neogeneza si modificarile volumului celulelor) pe de o parte si scaderea masei beta celulare (prin predominanta mortii celulare) pe de alta parte.
Modificari ale proceselor implicate pot antrena modificari importante ale masei beta celulare.
2. Cresterea masei beta celulare
Masa beta celulara poate creste prin hipertrofia celulelor beta sau prin cresterea (hiperplazie) lor numerica.
Hipertrofia celulelor beta este un mecanism de adaptare rapid la nevoile crescute pentru insulina. Date experimentale obtinute pe sobolani ZDF (Zucker Diabetic Fatty) sugereaza ca celulele hipertrofiate sunt mai vulnerabile la apoptoza deoarece hipertrofia celulara implica oprirea celulelor in faza G1 a ciclului celular (11).
Hiperplazia beta-celulara poate fi indusa prin doua mecanisme: neogeneza si diviziunea celulara.
a. Neogeneza celulelor beta pancreatice.
Survine din epiteliul ductal pancreatic in cursul dezvoltarii embrionare, dar este observata si la adult atat la om cat si experimental la sobolani cu pancreatectomie partiala.
In mod normal, in pancreasul adult normal, celulele epiteliale ductale sunt reprimate de factori tisulari locali. Intre acestea exista celule care se comporta ca adevarate celule-stem, putandu-se diferentia (in anumite conditii) in celule insulare.
Bonner-Weir si colab. au obtinut, in conditii experimentale, cultivand celule ductale de la sobolan porc si om, tesut insular diferentiat (11).
Recent, un grup de cercetatori au raportat obtinerea de tesut insular pornind de la celule stem pancreatice derivate din ductul pancreatic.
Autorii (124) au prelevat si cultivat in vitro elemente structurale ductale din pancreasul de soarece adult neobez (NOD) prediabetic (care realizeaza un model experimental similar cu diabetul de tip 1). Aceste structuri, au continut celule stem care s-au diferentiat formand insule functionale continand celule α, β si δ. Aceste insule au raspuns la stimularea cu glucoza si au produs, dupa ce au fost implantate la soarecele NOD, remisia diabetului.
b. Diviziunea celulelor beta pancreatice.
Acest proces pare a fi factorul principal de mentinere si, eventual, crestere al masei beta celulare la adult. Diviziunea celulelor beta pancreatice este observata in cursul perioadei fetale si perinatal, si de asemenea in pancreasul adult. Marimea masei beta celulare este rezultatul raportului intre neoformarea si moartea (produsa prin imbatranire, prin apoptoza sau prin necroza) celulelor beta pancreatice.
Proliferarea celulelor beta pancreatice este indusa de nutrienti, hormoni si factori de crestere.
Glucoza actioneaza ca un mitogen asupra celulelor beta pancreatice. In plus, glucoza furnizeaza o platforma permisiva pentru proliferarea indusa de factorii de crestere.
Se considera ca activarea IRS si transductia semnalului via PI3-K este esentiala pentru mitogeneza beta celulara indusa de glucoza.
Intre ceilalti factori implicati in reglarea masei beta celulare sunt mai importanti insulina, IGF-1 si IGF-2, hormonul de crestere (GH), prolactina (PRL), hormonul lactogen placentar (PL), leptina, glucagon-like peptide-1 (GLP-1).
Insulina stimuleaza diviziunea celulara a insulelor si celulelor ductale pancreatice. Efectul de stimulare al multiplicarii celulelor betapancreatice este dependent de nivele crescute ale glicemiei. Hiperinsulinemia asociata la hipoglicemie nu stimuleaza ci, dimpotriva, suprima replicarea celulelor beta pancreatice (75).
La soareci lipsa receptorului insulinei sau a proteinelor IRS-1 sau IRS-2 (defecte induse experimental prin tehnici de inginerie genetica) s-a insotit de rezistenta la insulina. In cazul lipsei IRS-1, rezistenta la insulina a putut fi compensata prin cresterea masei beta celulare. Lipsa IRS-2 a fost insa insotita de reducerea importanta a masei beta celulare si instalarea diabetului zaharat.
IRS-2 este o proteina intracelulara care, la nivelul celulei beta pancreatice, functioneaza ca un "nod" comun pe calea transmiterii semnalului de activare a mitogenezei celulelor beta atat de la nivelul receptorului insulinei cat si al receptorului IGF-1. Este posibil astfel ca efectele de proliferare beta celulara produse prin intermediul activarii IRS-2 sa fie datorate IGF-1 si nu insulinei. Oricum efectul de stimulare a replicarii celulelor beta, realizat prin stimularea receptorilor insulinei sau IGF-1 necesita functionarea normala a IRS-2 (79, 168).
GH, PRL si PL sunt cei mai puternici factori de crestere, identificati pana in prezent, pentru celulele beta pancreatice (108, 150).
Ei stimuleaza pe de o parte mitogeneza celulelor beta pancreatice iar pe de alta parte stimuleaza productia insulinei in celulele beta pancreatice (25) prin activarea transcriptiei PDX-1 (sau IPF 1: Insulin Promoter Factor -1).
Aceste efecte sunt mediate prin receptorii GH (GHr), PRL (PRLr) exprimati la nivelul celulelor beta pancreatice.
GHr si PRLr au capacitatea de a activa proteinele STAT (Signal Transducers and Activators of Transcription) care sunt factori de transcriptie. Dupa activare (prin fosforilare) proteinele STAT sunt translocate la nucleu unde, prin legarea de secvente specifice ale ADN, activeaza transcriptia.
Din familia proteinelor STAT, activarea STAT-5 s-a dovedit a fi esentiala pentru efectul mitogen al GH si PRL asupra celulelor producatoare de insulina. Intre altele, STAT-5 este implicata in moartea si supravietuirea celulara. Deficienta STAT-5 creste susceptibilitatea celulelor pentru apoptoza (108).
In cursul sarcinii nivelul sanguin al GH, PRL, creste considerabil. Pe de alta parte, expresia mRNA al receptorului GH si PRL este de asemenea marcat crescuta la nivelul insulelor pancreatice ale sobolanilor gestanti (103).
In acest fel efectul de crestere al rezistentei la insulina este insotit de efectul mitogen asupra celulelor beta pancreatice care permite adaptarea (remodelarea) masei beta celulare in raport cu nevoile crescute de insulina.
Efectul GH si al PRL asupra insulelor umane adulte este mult mai putin evident decat asupra insulelor de sobolan, probabil datorita expresiei reduse a receptorilor GH si PRL la nivelul insulelor umane.
Aceasta observatie reflecta importanta efectului acestor hormoni asupra reglarii adaptative a masei beta celulare. Efectul diabetogen al GH este diferit in functie de specie si varsta: GH nu este diabetogen la sobolani, dar este diabetogen, probabil datorita nivelului scazut al expresiei receptorului sau la nivelul insulelor, la cainele adult si la om (25).
O explicatie posibila ar fi aceea ca expresia redusa a receptorilor pentru GH determina un efect mitogenic redus al GH la nivelul celulelor beta pancreatice si implicit o diminuare a capacitatii de adaptare a secretiei de insulina la rezistenta la insulina indusa prin efectul "periferic" al GH.
IGF-1 exercita un important efect de inducere a mitogenezei celulelor betapancreatice. Acest efect este glucozo-dependent, manifestandu-se in conditiile unui nivel al glicemiei intre 108 si 324 mg/dl.
La concentratii ale glucozei peste 325 mg/dl, proliferarea beta celulara indusa de glucoza cat si cea dependenta de glucoza, indusa de IGF-1 si de GH, este diminuata.
Efectul IGF-1 si cel al GH se exercita pe cai diferite ale semnalizarii celulare astfel ca asocierea IGF-1 cu GH este sinergica producand o crestere marcata a proliferarii celulelor beta.
Leptina, prin intermediul receptorilor sai, exprimati la nivelul celulelor beta pancreatice, inhiba eliberarea insulinei. Pe de alta parte, leptina inhiba apoptoza celulelor beta pancreatice indusa de acizii grasi liberi (156).
GLP-1 stimuleaza diferentierea celulelor stem insulare in celule endocrine si proliferarea celulelor beta pancreatice (15).
Infuzii prelungite de GLP-1 sau ale analogului sau cu actiune prelungita, Exendin-4, la sobolani cu pancreatectomie partiala au stimulat diferentierea si replicarea celulelor insulare (nu s-a observat hipertrofia celulelor beta) ceea ce a produs o ameliorare dramatica a tolerantei la glucoza (112).
Sobolanii hiperglicemici dupa tratament cu streptozotocin prezinta o crestere a expresiei PC1 si PC2 (PC de la prohormone converting enzyme: produc conversia proinsulinei la insulina si a proglucagonului la glucagon si glucagon-like peptide 1) in celulele α-insulare ceea ce duce la cresterea productiei de glucagon-like (GLP-1) peptide 1 care stimuleaza replicarea celulelor beta pancreatice restante (36).
Descoperiri recente (31) implica semnalizarea celulara prin intermediul receptorilor FGF (fibroblast growth factor) in controlul diferentierii si functiei celulelor beta pancreatice.
Acest sistem de semnalizare implica interactiunea intre liganzi solubili din familia factorilor de crestere ai fibroblastilor si domeniul extracelular al unor receptori specifici - Receptorii factorilor de crestere ai fibroblastilor.
Acesti receptori apartin familiei de receptori tirozin kinazici (la aceeasi familie apartin si receptorii insulinei, IGF, GH) si sunt exprimati la suprafata celulelor beta pancreatice.
Soarecii transgenici, la care s-a indus prin manipulare genetica un blocaj pe calea semnalizarii prin receptorul FGF, au dezvoltat diabet incepand cu a 15-a saptamana de viata. La producerea diabetului au contribuit urmatoarele defecte, induse prin blocarea semnalizarii receptorului FGF:
- defectul de expresie a GLUT 2 la nivelul celulei beta (soarecele mutant lipsit de GLUT 2 prezinta deteriorarea primei faze a raspunsului insulinosecretor si dezvolta diabet).
- reducerea expresiei protein convertazelor 1 si 3 ceea ce perturba procesarea proinsulinei la insulina si duce la acumularea proinsulinei in celula beta.
- reducerea numarului de celule beta. Aceasta sugereaza ca semnalizarea pe calea receptorului FGF este necesara pentru raspunsul de proliferare a celulelor beta in conditiile hiperglicemiei.
In concluzie semnalizarea receptorului FGF este necesara pentru detectia variatiilor glicemiei, procesarea proinsulinei si expansiunea beta-celulara ca raspuns la hiperglicemie.
Studiile ulterioare vor arata in ce masura aceste date experimentale pot fi extrapolate la om.
Insulele pancreatice normale transplantate sub capsula renala a soarecilor insulino-rezistenti normoglicemici prezinta o crestere a activitatii mitotice si a masei insulare similara si paralela cu cea a pancreasului endogen (37).
Pornind de la aceste date, Flier si colab. sugereaza prezenta in circulatie, in starile de rezistenta la insulina, a unui factor de crestere a insulelor pancreatice.
Prezenta hiperplaziei insulare a fost semnalata, in cazul unor modele de diabet experimental la rozatoare, inainte ca hiperglicemia sa poata fi detectata, atat la animale obeze cat si neobeze, sugerand ca factorul (ipotetic) circulant de crestere al insulelor pancreatice ar putea actiona independent de hiperglicemie si obezitate.
La soarecii la care s-a creat o stare de rezistenta la insulina cu specificitate tisulara prin inactivarea expresiei genei pentru receptorul insulinei exclusiv in anumite tesuturi sau organe, efectul acesteia asupra insulelor pancreatice este diferit in functie de sediul rezistentei la insulina.
Astfel, soarecele lipsit de receptori ai insulinei exclusiv la nivelul ficatului (LIRKO: liver insulin receptor knockout) prezinta rezistenta hepatica la insulina insotita de hiperplazie insulara pe cand la soarecele lipsit de receptori ai insulinei la nivelul tesutului muscular (MIRKO: muscle insulin receptor knockout) rezistenta musculara la insulina nu este insotita de hiperplazie insulara.
Soarecii deficienti in receptori ai insulinei exclusiv la nivelul celulelor beta pancreatice (BIRKO: beta cell insulin receptor knockout) sau cu deficienta a IRS-2 nu prezinta hiperplazie insulara in conditiile rezistentei la insulina.
Datele de mai sus sugereaza o posibila origine hepatica a factorului circulant de crestere a celulelor beta pancreatice si/sau medierea efectului pe calea semnalizarii receptorului insulinei, sau posibilitatea ca insulina insasi sa fie acest factor circulant de crestere a celulelor beta pancreatice (37).
3. Scaderea masei beta celulare
Moartea beta celulara poate surveni pe doua cai distincte:
-necroza: se instaleaza in urma expunerii la agenti toxici sau stress sever. Este caracterizata prin depletia ATP celular, cresterea volumului celular si ruperea membranei celulare cu scurgerea in exterior a continutului celular.
-apoptoza (sau moartea celulara programata) este caracterizata prin ratatinare celulara, fragmentarea DNA si formarea corpilor apoptotici. Apoptoza constituie un mijloc pentru indepartarea si inlocuirea celulelor lezate reprezentand un mecanism fiziologic in cadrul remodelarii celulare. Apoptoza excesiva a celulelor beta pancreatice (96) a fost asociata cu diabetul zaharat tip 1 si tip 2.
Apoptoza poate fi declansata de numerosi stimuli intra si extra celulari.
Intre stimulii intracelulari ai apoptozei sunt enumerati :
-deteriorarea DNA
-acumularea de ceramid
-stress-ul oxidativ, radicalii liberi
-NO (celulele beta sunt vulnerabile la NO si radicalii liberi datorita faptului ca sunt sarace in enzime-scavenger cum ar fi catalaza, superoxid dismutaza, glutation peroxidaza)
-cresterea concentratiei calciului intracelular.
Intre stimulii extracelulari sunt citati:
- agenti care induc activarea «receptorilor mortii»: receptorii Fas si TNF
-supresia factorilor de crestere
-citokine
-unii hormoni.
Acesti stimuli duc la activarea unor cai efectorii comune in care sunt implicate caspazele. Acestea sunt cistein- proteaze (peste 100 cunoscute pana in prezent) care produc clivarea unor proteine celulare si activeaza endonucleaze care cliveaza ADN nuclear in fragmente mici.
Activarea caspazelor este un proces in cascada care in final determina apoptoza celulara.
Cresterea [Ca2+] intracelular poate activa calea caspazelor (10) si sa conduca la apoptoza celulara pe una din 3 cai:
- determina depolarizarea membranei mitocondriale si o face permeabila pentru citocromul c care paraseste mitocondria si, patrunzand in citozol, se leaga de Apaf-1 (Apoptose activating factor 1) cu care formeaza un complex denumit apoptozom care declanseaza activarea cascadei caspazelor.
- activeaza calcineurina, o protein fosfataza care actioneaza la nivelul membranei mitocondriale si determina eliberarea citocromului c in citozol.
- activarea calpainelor, proteaze dependente de calciu care, ca si caspazele, pot induce apoptoza.
Stimularea intensa si prelungita a secretiei de insulina (de exemplu prin hiperglicemie prelungita, rezistenta la insulina) ar putea, prin releul cresterii concentratiei calciului in citozolul celulei beta pancreatice, sa se insoteasca de inductia apoptozei celulare.
4. Modificarea curbei doza-raspuns a secretiei de insulina
Cresterea secretiei de insulina in conditiile rezistentei la insulina nu este decat partial explicata prin cresterea masei beta celulare.
In experimente utilizand pancreas izolat perfuzat de sobolan s-a constatat ca, la nivele «substimulatoare» ale glucozei (intre 76 si 101 mg/dl) in lichidul de perfuzie, secretia de insulina a pancreasului provenind de la animale obeze cu rezistenta la insulina a fost de 10 ori mai mare decat a pancreasului provenind de la animale de control slabe. In acelasi timp volumul masei beta celulare a fost crescut numai de 4 ori iar continutul DNA per insula de numai 3,5 ori fapt care a sugerat ca expansiunea masei beta celulare nu poate explica decat in parte cresterea secretiei de insulina.
In aceste conditii (nivel al glucozei in lichidul de perfuzie intre 76 si 101 mg/dl) oxidarea glucozei a fost de 12 ori mai mare la nivelul insulelor provenite de la animalele insulinorezistente ducand la concluzia ca hipersecretia insulinei de catre insulele sobolanilor obezi este asociata cu cresterea metabolismului glucozei la un Km scazut (102).
La sobolani insulinorezistenti hiperinsulinemici, comparativ cu sobolani slabi de control, a fost evidentiata o crestere a activitatii de fosforilare a glucozei si o crestere semnificativa a activitatii hexokinazei (dar nu si a glucokinazei) in extractele obtinute din insule pancreatice (26).
Curba doza-raspuns a secretiei de insulina stimulata prin glucoza este determinata de Km enzimei care fosforileaza glucoza. Hexokinaza are un Km mult mai mic decat glucokinaza.
Din acest motiv, cresterea activitatii hexokinazei la nivelul celulelor beta pancreatice permite fosforilarea unei cantitati mai mari din glucoza (si implicit un nivel crescut al stimularii secretiei de insulina) transportata in celula beta pancreatica in conditiile unor nivele scazute ale glicemiei. In consecinta, inductia enzimatica si cresterea selectiva a expresiei hexokinazei in celulele beta pancreatice creste utilizarea glucozei la nivele joase ale glicemiei si determina o crestere a secretiei de insulina la nivele bazale sau usor crescute ale glicemiei.
Mecanismele de compensare a rezistentei la insulina sunt influentate de factori genetici si de factori de mediu
1. Factorii genetici
Obezitatea este cea mai frecventa cauza de rezistenta la insulina. Din acest motiv, obezitatea este un factor de risc important pentru diabetul zaharat tip 2.
Intr-un studiu recent (9), efectuat pe durata a 5 ani pe 50.000 subiecti, riscul de diabet a crescut exponential cu cresterea index-ului masei corporale (IMC) peste 24. La cei cu IMC peste 35, comparativ cu cei cu IMC sub 23, riscul pentru diabet zaharat tip 2 a fost de peste 40 ori mai mare.
Rezistenta la insulina singura nu este insa suficienta pentru dezvoltarea diabetului zaharat. Numeroase studii au evidentiat ca dintre toti indivizii cu rezistenta la insulina, numai aproximativ 20% dezvolta, cu timpul, diabet zaharat.
Intre subiectii obezi frecventa diabetului zaharat este de 10 ori mai mare (2) la cei care au un parinte cu diabet zaharat tip 2.
Rezistenta la insulina indusa farmacologic poate evidentia indivizii la risc pentru diabet zaharat.
Conn si Fajans au imaginat testul (cunoscut ca testul Fajans-Conn) care se bazeaza pe testarea tolerantei la glucoza (TTGO) in conditiile inducerii rezistentei la insulina prin administrarea concomitenta a unei mici cantitati de cortizon acetat.
Acesti autori au raportat, in 1954, o frecventa de cel putin 8 ori mai mare a cazurilor de deteriorare temporara a tolerantei la glucoza in cursul testului (34) la cei care aveau un istoric familial pozitiv pentru diabet zaharat. Dupa 7 ani de urmarire prospectiva a acestor subiecti dezvoltarea ulterioara a unei stari de intoleranta la glucoza a fost de 17 ori mai frecventa la cei care au avut raspunsuri anormale in cursul testului (34).
Cu alte cuvinte, deteriorarea pasagera (in cursul testului) a tolerantei la glucoza, pe fondul rezistentei la insulina indusa farmacologic si ulterior, in cursul urmaririi prospective, a aparut mult mai frecvent la rudele de gradul intai ale unei persoane cu diabet zaharat.
Ulterior si alti autori confirma observatia ca, pe fondul unui anumit factor mezologic de risc, diabetul zaharat de tip 2 apare mult mai frecvent la cei cu istoric familial pozitiv pentru diabet zaharat tip 2.
Aceasta implica existenta unei predispozitii genetice care determina o incapacitate de compensare a rezistentei la insulina.
Intr-un studiu relativ recent (59), Henriksen si col. evidentiaza ca rezistenta la insulina indusa prin administrare de dexametazon (4 mg/zi timp de 5 zile consecutiv) induce intoleranta la glucoza la rudele de gradul 1, normoglicemice, ale unor pacienti cu diabet tip 2. Deteriorarea tolerantei la glucoza s-a manifestat doar la cei care prezentau deja o diminuare (anterioara administrarii dexametazonei) a functiei beta celulare. Autorii conchid ca subiectii respectivi nu au avut capacitatea de a creste suficient raspunsul beta celular astfel incat sa compenseze rezistenta la insulina indusa prin administrarea dexametazonului.
Pana in prezent nu au fost identificate modificarile genice posibil implicate in afectarea raspunsului de compensare a rezistentei la insulina.
2. Factori de mediu
Intre acestia, mai frecvent implicati sunt:
-Acizii grasi liberi (AGL) care, prin acumulare excesiva in tesuturile ne-adipoase, pot exercita un efect "toxic" local definit ca "efect lipotoxic".
-Nivele crescute ale glicemiei care pot exercita efecte «toxice» la nivelul celulelor beta pancreatice pe de o parte si la nivelul tesuturilor-tinta pentru actiunea insulinei pe de alta parte.
a. Lipotoxicitatea
Termenul de lipotoxicitate a fost lansat de Unger (155) in cadrul unei teorii menite sa explice geneza ambelor defecte implicate in etiopatogenia diabetului tip 2 cu obezitate, rezistenta la insulina si incapacitatea beta-celulara de a o compensa, printr-o anomalie reprezentata de cresterea aportului AGL la tesuturi.
In conceptia lui Unger, lipotoxicitatea se refera la "boala tisulara ce poate surveni cand depunerea excesiva de AGL, depasind nevoile oxidative ale acelor tesuturi, creste fluxul metabolic in caile distructive ale metabolismului neoxidativ al AG".
In sprijinul acestei teorii exista numeroase dovezi experimentale, dar deocamdata nu se cunoaste in ce masura acestea pot fi extrapolate la om.
Sobolanul ZDF (Zucker diabetic fatty) prezinta un defect, determinat genetic al receptorului leptinei. Acesti sobolani prezinta obezitate excesiva si dezvolta diabet zaharat pe parcursul vietii (dupa 9-11 saptamani de viata). Ei constituie un model animal pentru diabetul de tip 2 si au fost intens studiati.
Din punct de vedere metabolic, in viata sobolanilor ZDF se pot distinge (157) trei faze:
- Faza preobeza (pana in a 5-a saptamana de viata), in care aspectul insulelor pancreatice este normal.
- Faza obeza prediabetica (intre 6 si 10 saptamani de viata) in care sobolanii prezinta hiperinsulinemie compensatorie iar la nivelul insulelor se constata o crestere (de cca 4 ori) a masei beta-celulare si un continut progresiv crescut in trigliceride.
- Faza diabetica (incepand cu a 11-a saptamana de viata). Masa beta-celulara este redusa revenind la marimea celei din faza preobeza, celulele beta incep sa dispara si apar separate de un tesut fibros abundent, prezinta modificari de tip apoptotic iar continutul de trigliceride este exagerat crescut (este de 50 de ori peste nivelul normal).
In faza prediabetica (inainte de saptamana a 10-a de viata) sobolanii ZDF prezinta (asemanator cu subiectii umani obezi) hiperinsulinemie bazala, raspuns insulinosecretor crescut si nivel crescut al AGL.
Studii (89, 102) care implica expunerea pe termen lung a insulelor normale de sobolan (in general 7 zile) la concentratii crescute de AGL (2 mmol/l) au evidentiat un mod de raspuns similar:
-cresterea raspunsului insulinosecretor la nivele joase ale glicemiei, dar scaderea capacitatii celulelor beta de a raspunde corespunzator la nivele crescute ale glicemiei (raspuns asemanator cu cel al pacientilor cu diabet zaharat tip 2 obezi)
-utilizarea glucozei in insule cultivate la concentratii joase ale glucozei (intre 50 si 100 mg/dl) creste cu cresterea, de la 1 mmol/l la 2 mmol/l, concentratiei AGL in mediu.
-cresterea incorporarii bromodeoxiuridinei (marker al stimularii replicarii ADN semnificand diviziune celulara).
Aceste efecte evoca mecanismele de compensare beta celulara ale rezistentei la insulina (hipersecretia bazala a insulinei, cresterea metabolizarii glucozei la Km scazut, hiperplazia beta celulara) si sugereaza ca modificarile observate la sobolanul ZDF ar putea fi induse de nivelul crescut al AGL.
In insulele de sobolani ZDF cultivate la un nivel al AGL in mediu de 2 mM/L, acumularea trigliceridelor este de 19 ori mai mare decat in insulele normale cultivate in aceleasi conditii.
Supraincarcarea lipidica a insulelor este atribuita alterarii expresiei factorilor de transcriptie care controleaza enzimele lipogenezei si ale lipooxidarii:
PPAR-alfa si factorii de transcriptie ai enzimelor majore ale oxidarii AG (carnitin-palmitoil transferaza 1, Acetil-CoA oxidaza) prezinta o expresie redusa, in timp ce factorii de transcriptie care controleaza expresia enzimelor lipogenice (Acetil-CoA carboxilaza, Acil gras sintaza, glicerolfosfat acil-transferaza) sunt crescuti.
Acumularea excesiva de trigliceride in tesuturile neadipocitare este un indicator al utilizarii AG pe cale neoxidativa. In mod normal in tesuturile neadipocitare este mentinut un nivel constant (redus) al cantitatii de trigliceride chiar si in situatiile cu ingestie calorica excesiva si nivel circulant crescut al AGL.
Trigliceridele sunt probabil inerte, dar hidroliza lor duce la eliberarea locala a unei cantitati crescute de AGL.
Abundenta locala a acizilor grasi cu lant lung si metabolizarea lor pe cale neoxidativa se insoteste de sinteza crescuta a ceramidului. Ceramidul stimuleaza expresia sintazei inductibile a oxidului nitric (iNOS) care determina apoptoza celulara.
Administrarea de inhibitori ai iNOS (aminoguanidina si nicotinamida) au prevenit complet consecintele steatozei in insulele pancreatice (137).
Atat cresterea nivelului ceramidului cat si apoptoza (156) sunt blocate prin adaugarea in mediul de cultura a unui inhibitor puternic al sintezei ceramidului, fumonisin-B1.
Nu este inca lamurit daca ceramidul mediaza efectul AGL asupra iNOS sau daca cresterea iNOS indusa de AGL reprezinta cai separate, independente spre apoptoza.
In momentul in care rata apoptozei celulelor beta pancreatice depaseste rata lor de inlocuire, masa beta celulara scade si nu mai este capabila sa compenseze rezistenta la insulina impusa de obezitate.
Tesutul adipos protejeaza tesuturile neadipocitare (care, neavand functia de rezervor energetic, au o capacitate redusa de a stoca trigliceridele) atat prin functia de captare a AGL si stocarea lor sub forma de trigliceride cat, mai ales, prin secretia leptinei care reduce lipogeneza si stimuleaza oxidarea AGL in tesuturile neadipocitare (156, 157).
Exprimarea unor receptori normali pentru leptina, prin folosirea tehnologiei transgenice adenovirale, in insulele sobolanilor ZDF a dus la cresterea expresiei enzimelor oxidative pentru AGL si la reducerea continutului in trigliceride, prevenind apoptoza si aparitia anomaliilor functionale si histologice.
Tesuturile neadipocitare au o capacitate foarte limitata de a stoca excesul de grasimi. In situatiile in care sunt expuse la nivele ridicate ale lipidelor plasmatice supraincarcarea lor cu lipide duce la instalarea steatozei si, in final, la apoptoza indusa de acizii grasi cu lant lung.
Supraincarcarea lipidica a celulelor beta pancreatice determina moartea celulara prin apoptoza, a tesutului muscular se insoteste de rezistenta la insulina, a ficatului duce la steatoza si in final la steatonecroza iar la nivelul miocardului se insoteste de disfunctie cardiaca (171).
In ciuda similaritatii diabetului la sobolanul ZDF si al celui uman, nu este clar inca in ce masura aceste date experimentale sunt relevante pentru om, dar in mod sigur acestea deschid perspective noi in abordarea diabetului uman.
O serie de studii clinice crossectionale (139) au evidentiat o corelatie inversa intre nivelul plasmatic al AGL à jeun si sensibilitatea la insulina.
Cresterea nivelului AGL, indusa experimental ( prin infuzie cu heparina + intralipid) a dus, dupa o latenta de 2-3 ore, la scaderea marcata a captarii (stimulata de insulina) glucozei (101, 128).
Acest efect a fost corelat cu acumularea trigliceridelor in celulele musculare.
Date recente indica asocierea rezistentei la insulina cu depozitarea excesiva de trigliceride la nivelul tesutului muscular.
Biopsii musculare efectuate la pacienti cu T2DM au evidentiat un continut crescut de trigliceride fata de subiectii sanatosi de control.
Tehnica rezonantei magnetice nucleare a permis diferentierea lipidelor depozitate intracelular de cele extracelulare.
La nivelul populatiei generale a fost descrisa (145) asocierea intre sensibilitatea la insulina si continutul intramiocelular de trigliceride la nivelul muschiului tibial anterior
Determinarea spectrului in RMN al lipidelor intramiocelulare a permis masurarea acestora la nivelul muschiului soleus si tibial anterior. Masurarea lipidelor intramiocelulare la cele doua nivele este justificata de faptul ca muschiul soleus are un continut ridicat in fibre de tip I si este sensibil la insulina, in timp ce muschiul tibial anterior are un continut ridicat in fibre de tip IIb si este mai putin sensibil la insulina.
La un grup de 13 subiecti insulinorezistenti, descendenti din parinti cu T2DM cantitatea de lipide intramiocelulare (IMCL) a fost masurata la cele doua nivele, comparativ cu un grup martor sanatosi, comparabili ca varsta, sex , BMI, raport talie/sold si grad de antrenament muscular (63).
Continutul IMCL a fost corelat invers cu sensibilitatea la insulina. Acest continut a fost cu 57% (in tibialis anterior) si cu 84% (in soleus) mai mare la subiectii insulinorezistenti. In plus, acumularea IMCL a fost de trei ori mai mare in muschiul soleus fata de tibialis anterior la subiectii insulinorezistenti.
Date similare (113) sunt comunicate aproape simultan si in alte laboratoare.
S-a gasit, la indivizi cu toleranta normala la glucoza la care s-a efectuat hyperinsulinemic clamp, ca IMCL coreleaza cu rezistenta la insulina (101) mult mai strans decat oricare din celelalte index-uri: BMI, raport talie/sold, cantitatea totala de grasime corporala.
Inducerea scaderii TG tisulare prin dieta amelioreaza sensibilitatea la insulina si chiar poate corecta diabetul la modele animale de T2DM.
Depletia selectiva a TG musculare prin administrarea de leptina (137) la animale rezistente la insulina a remis rezistenta la insulina.
Studii experimentale si umane par sa stabileasca o relatie cauzala intre nivelul esterilor AG cu lant lung si CoA (LCACoA) si sensibilitatea la insulina. La sobolani s-a gasit o corelatie stransa (33) intre continutul muscular de LCACoA si sensibilitatea la insulina.
Dupa Shulman si Kraegen (139) legatura intre acumularea intramiocelulara a LCACoA si rezistenta la insulina ar putea fi explicata prin urmatoarea ipoteza: cresterea nivelului intramiocelular al LCACoA duce la producerea crescuta de diacilglicerol (DAG) care activeaza proteinkinaza C (izoforma theta). Aceasta fosforileaza IRS-1 la nivelul rezidiilor serina/threonina si impiedica astfel activarea acestuia de catre receptorul insulinei.
In acest fel, IRS-1 fiind inactiv, este intrerupta activarea fosfatidil inozitol 3-kinazei (PI 3-kinaza) si translocarea GLUT-4.
Nu se cunoaste daca acumularea IMCL este primara si induce rezistenta la insulina sau este rezultatul rezistentei la insulina.
b. Glucotoxicitatea
Hiperglicemia are un efect negativ asupra secretiei de insulina si a actiunii insulinei (158) si poate juca un rol central in patogenia deficientei beta-celulare si a rezistentei la insulina.
Echilibrarea diabetului zaharat tip 2, indiferent de modalitatea prin care este obtinuta, (dieta, insulina sau sulfonilureice), duce la ameliorarea secretiei si a sensibilitatii la insulina (2, 77). Turner si colab (153) au demonstrat, la un grup de diabetici tip 2, ca scaderea glicemiei à jeun sub 130 mg/dl, prin infuzie de insulina, a dus la restaurarea primei faze a raspunsului insulinosecretor la glucoza i.v. cu toate ca, anterior, acesta era absent.
Vague si Moulin, in cursul unor experimente similare (160) reusesc restaurarea partiala a primei faze a raspunsului insulinosecretor la glucoza la pacienti cu diabet de tip 2 la care acest raspuns era absent.
Aceste descoperiri, confirmate larg si de alti cercetatori, au furnizat un suport clinic solid pentru ideea ca hiperglicemia exercita un efect vatamator asupra functiei beta-celulare.
Numeroase dovezi clinice si experimentale confirma ca hiperglicemia, prin suprastimularea de durata a celulelor beta pancreatice, contribuie la "epuizarea" secretiei de insulina in cursul istoriei naturale a diabetului tip 2.
Hiperglicemia de durata, indusa prin perfuzia cronica de ser glucozat la sobolani sanatosi, a realizat o scadere marcata, selectiva, a raspunsului insulinosecretor la glucoza in timp ce raspunsul insulinosecretor la stimuli neglucozici (de ex. arginina) s-a mentinut normal sau crescut.
Acest efect de "desensibilizare" la glucoza a putut fi prevenit la sobolani (132) daca simultan cu perfuzia glucozei se administreaza si diazoxid.
Diazoxidul deschide canalele de potasiu ATP- dependente (efect contrar celui exercitat de glucoza) si blocheaza astfel depolarizarea membranei celulei beta pancreatice. In aceasta situatie canalele de calciu (dependente de voltaj) raman inchise si influxul calciului in citozol nu se produce. Administrarea diazoxidului concomitent cu perfuzia de glucoza blocheaza secretia de insulina indusa de glucoza.
Tratamentul de scurta durata cu diazoxid la pacienti cu diabet zaharat tip 2 imbunatateste, in mod paradoxal, secretia de insulina (46).
Inhibitia secretiei de insulina prin administrare de somatostatina (80) sau prin supunere la post prelungit (36) imbunatateste temporar secretia de insulina la pacientii cu diabet zaharat tip 2.
"Punerea in repaus" a celulelor beta-pancreatice prin reducerea nivelului glicemiei in cursul unei terapii eficiente cu obtinerea unei bune echilibrari metabolice duce la imbunatatirea secretiei de insulina la pacienti cu diabet zaharat tip 2.
Kosaka si colab. (77) raporteaza dublarea raspunsului insulinosecretor la pacienti cu diabet zaharat tip 2 dupa ameliorarea echilibrului metabolic indiferent de modalitatea terapeutica utilizata: dieta numai, sulfonilureice sau insulina.
Au fost identificate cateva modalitati prin care hiperglicemia cronica afecteaza raspunsul insulinosecretor:
1. Stimularea prelungita a celulelor beta pancreatice prin hiperglicemie cronica se insoteste de cresterea persistenta a concentratiei calciului in citozol.
Influxul persistent de calciu in citozol poate activa proteaze intracelulare (caspaze) calciu-dependente si astfel poate declansa apoptoza celulara (47).
2. Efortul secretor de durata produce depletia continutului in insulina al celulelor beta pancreatice. Accelerarea eliberarii insulinei in circulatie scurteaza timpul de procesare intracelulara al granulelor de secretie. Se elibereaza in circulatie continutul unor granule de secretie care nu a fost procesat complet. Apare ca productia de insulina nu poate "tine pasul" cu ritmul accelerat al secretiei. Creste eliberarea in circulatie a unei cantitati crescute (in raport cu cantitatea de insulina secretata) de proinsulina. Raportul proinsulina/insulina este crescut (87) atat in celula beta pancreatica suprastimulata cat si in circulatie.
3. Hiperglicemia cronica determina scaderea sintezei de insulina prin modificarea expresiei genei insulinei.
Experimente efectuate pe linii beta celulare (HIT-T15, βTC-6) cultivate in medii cu continut crescut de glucoza (110) au dus la constatarea ca hiperglicemia scade capacitatea unor factori de transcriptie (PDX-1, RIPE-3b1-activator) de a se lega de promoter-ul genei insulinei si de a induce expresia acesteia. Nivele excesive ale glucozei cresc procesele de glicozilare, de autooxidare a glucozei si procesarea glucozei pe calea glucozaminei cu eliberarea crescuta de radicali liberi intre care radicalul hidroxil este cel mai nociv deoarece patrunde in nucleul celulei si reactioneaza cu DNA. Aceasta interfereaza cu procesarea normala a mRNA pentru PDX-1, un factor de transcriptie pentru expresia genei insulinei si a secretiei insulinei indusa de glucoza. In acest fel, scaderea sintezei si a secretiei insulinei sunt produse prin scaderea expresiei genei insulinei (127).
Glucoza transportata in celula este fosforilata si apoi convertita la Fructoza-6-fosfat care intra in glicoliza. O parte din Fructoza-6-fosfat este convertita la glucozamino-6-fosfat (GlcN-6-P) care este apoi convertit la variati produsi ai caii hexozaminei.
Marshall (97) a emis ipoteza ca aceasta cale a hexozaminei serveste ca un senzor al glucozei ce functioneaza pentru a reduce captarea glucozei pe masura ce aceasta depaseste capacitatea cailor de utilizare ale glucozei. Glucozamina este de 40 ori mai puternica decat glucoza pentru a induce rezistenta la insulina.
Mai multe studii au aratat ca infuzia de glucozamina la sobolani timp de 4-6 ore duce la rezistenta marcata la insulina (citate de Marshall, 97) si a redus fosforilarea IRS-1 indusa de insulina.
Conform teoriei "glucolipotoxicitatii" (122) cresterea izolata a glicemiei sau a AGL nu produce efecte "toxice" in aceeasi masura ca atunci cand ambele sunt crescute asa cum se intampla in diabetul zaharat.
Nivelele crescute ale glicemiei si ale insulinemiei duc la cresterea sintezei Malonil-CoA, molecula care regleaza partitia acizilor grasi (AG) intre esterificare si beta-oxidare. Malonil-CoA inhiba carnitinpalmitoiltransferaza-1 (CPT-1) impiedicand penetrarea AG in mitocondrie si utilizarea lor pe calea beta-oxidarii. Daca, in aceasta situatie, nivelul AGL este de asemenea crescut (asa cum se intampla in T2DM) acestia se vor acumula in exces in citoplasma. Conform teoriei mentionate, problemele survin cand, in conditiile rezistentei la insulina episoade prelungite de hiperglicemie insotite de nivele crescute ale AGL, ale insulinemiei si ale lipoproteinelor bogate in trigliceride favorizeaza procesul de esterificare al AGL si depunerea lor in celulele beta-pancreatice (si musculare). Initial secretia de insulina este stimulata, dar pe termen lung acest proces se insoteste de scaderea sintezei si a secretiei insulinei si de moarte celulara prin apoptoza. In plus, nivelele crescute ale glucozei induc un proces de down-regulation al PPAR-alfa si al proteinei de decuplare 2 (UCP 2) care reprezinta caile principale de detoxifiere prin promovarea oxidarii AG. In acelasi timp caile lipogenezei sunt activate prin inductia genei SREBP-1 c si prin activarea, exercitata de AG, a PPAR-gamma.
