METABOLISMUS CUKRŮ. DIABETES MELLITUS NT – 9. 3. 2017 REGULACE GLYKEMIE  hormonální  hlavní  inzulin  glukagon  modulující  glukokortikoidy  adrenalin  růstový hormon  nervová  sympatikus  parasympatikus KONTRAREGULACE INZULIN/GLUKAGON JAK SE DOSTÁVÁ GLUKÓZA DO BUŇKY ??? VZÁJEMNÉ PŘEMĚNY LÁTEK V INTERMEDIÁRNÍM METABOLIZMU GLYKOGEN G-1-fosfát játra, svaly glykogeneze, glykogenolýza GLUKÓZA G-6-fosfát pyruvát ATP laktát ATP acetyl- CoA citrátový cyklus dýchací ře t ě z e c a a e r o b n í f o s f o r y l a c e CO2 Coriho (laktátový) cyklus v játrech glykolýza LAKTÁT, GLYCEROL GLUKOGENNÍ AK glukoneogeneze játra, ledviny, střev o MASTNÉ KYSELINY -oxidace KETOLÁTKY ATP  zopakovat!!!  intermediární metabolismus, citrátový cyklus, ox. fosforylace  glukoneogeneze není prostým obrácením reakcí glykolýzy  min. glykolýza je nezbytná pro metabolismus MK (a AK)  cyklus glukózy a MK (Randlův) ve svalu  lipolýza  ketogeneze INZULIN  exocytózou z B-bb LO do portální krve  50% inzulinu (ale ne C-peptidu!!) odbouráno při prvním průchodu játry  celková denní produkce u zdravého člověka ~20-40 U  ~1/2 tvoří bazální (postabsortivní) sekrece = pulzatilní (5-15 min)  zásadní pro “vyladění” rychlosti produkce glukózy v játrech (glukoneogeneze) podle okamžité glykemie  při poruše hyperglykemie nalačno  ~1/2 stimulovaná (postprandiální) = bifazická  časná fáze (hotový inzulin v sekrečních granulech)  pozdní fáze (packing & syntéza de novo)  nutná pro normální odsun Glc do inzulindependentních tkání  stimulace sekrece  <<20% • roste celosvětově PREVALENCE (%) DIABETU (POPULACE 20-79 LET) 2010 – 4.3 BIL. (ZE 7 BIL.) LIDÍ 285 MIL. DIABETIKŮ 0.75 MIL. DIABETIKŮ V ČR 2030 – 5.6 BIL. (Z 8.5 BIL.) LIDÍ 30% VÍC 438 MIL. DIABETIKŮ 54% VÍC 1.2 MIL. DIABETIKŮ V ČR 60% VÍC [IDF Diabetes Atlas, 4th ed. International Diabetes Federation, 2009 ] KLASIFIKACE DM 1. Diabetes mellitus 1. typu (T1DM) ~5% 2. Diabetes mellitus 2. typu (T2DM) ~90% 3. Jiné specifické typy: a. genetické defekty B-bb - monogenní DM typu MODY (1 - 6) - mutace mitochondriální DNA b. genetické defekty způsobující inzulinovou rezistenci - inzulinová rezistence typu A, leprechaunismus, Rabson-Mendenhalův syndrom, lipoatrofický DM c. nemoci exokrinního pankreatu - pankreatitida, tumor pankreatu, cystická fibróza, hemochromatóza d. endokrinopatie - Cushingův syndrom, akromegalie, feochromocytom, hypertyreóza aj. e. iatrogenní DM f. jiné genetické syndromy asociované s DM - Downův, Klinefelterův, Turnerův syndrom, … 4. Gestační diabetes mellitus T1DM (DŘÍVE IDDM)  selektivní autoimunitní destrukce -bb LO u geneticky disponovaných jedinců  chrom. 6 – HLA II. třídy  DR3-DQ2 a DR4-DQ8  chrom. 11 - gen pro inzulin  délkový polymorfizmus  v obou případech je důsledkem nedostatečná delece autoreaktivních T-lymfocytů v thymu a tedy nedostatečné navození imunologické tolerance  cytotoxická autoimunita (Th1) zprostředkovaná T- lymfocyty  časné stadium – zánět (insulitis), poté kompletní destrukce - bb.  tvoří se také protilátky proti  buňkám (ICA, IAA, GAD) – jsou ale pouze markerem insulitidy (mají diagnostický význam)  častá asociace T1DM s jinými autoimunitami (celiakie, thyreopatie, Addisonův syndrom) T1DM  spouštěcí faktory autoimunity  virová infekce  nejč. zarděnky, spalničky, coxsackie B, CMV, EBV, enteroviry, retroviry  mechanizmus není jasný  cytolytické ( sekvestrace antigenů)  vytvoření neoantigenů  molekulární mimikry nebo superantigeny  zevní faktory – epidemiologická evidence – nárůst meziroční incidence 3% příliš pro genet. změny  časné expozice cizorodým proteinům, zejm. proteiny kravského mléka (bovinní inzulin)  vitamin D – důvod pro severojižní gradient?  toxiny (dieta, voda, bakterie)  gluten???  dynamika  manifestace obvykle v dětství  v naprosté většině případů autoimunita dokončena, absolutní závislost na exogenním inzulinu DYNAMIKA T1DM INZULINOVÁ REZISTENCE … T2DM • citlivost k inzulinu • = jaký efekt na glykemii vyvolá určitá dávka inzulinu • spojitá veličina s interindividuální variabilitou • mění se u celé řady stavů = inzulinová rezistence • fyziologicky v těhotenství • patologicky např. při obezitě, zánětu aj. • pokud by bylo možné rostoucí inzulinovou rezistenci nekonečně kompenzovat rostoucí sekrecí inzulinu, nikdy by nedošlo k vzestupu glykemie • ale kapacita kompenzatorně zvyšovat sekreci inzulinu bb-buňkami je zjevně omezená T2DM (DŘÍVE NIDDM) • základní patofyziologickým faktorem T2DM je nerovnováha mezi sekrecí a účinkem inzulinu • při manifestním T2DM je současně přítomná inzulinová rezistence a porucha sekrece inzulinu • co je první - “slepice” nebo “vejce” ???? • inz. rezistence • vrozená složka – soubor “nevýhodných” genetických variant zejm. v genech kódujícíc součásti signální kaskády inz. receptoru (tzv. “střádavý genotyp”) • získaná složka • kompetice glukózy a NEFA!!! (dieta) • efekt adipokinů z tukové tkáně (obezita) •  mobilizace GLUT4 při fyzické inaktivitě • down-regulace inz. receptorů • inz. sekrece • vrozená složka • menší množství B-bb. (~20-40%) • porucha první fáze sekrece inzulinu (~80% redukce) • získaná složka • – gluko- a lipotoxicita pro B-bb. T2DM (DŘÍVE NIDDM) komplexní nemoc se vším všudy • genetická dispozice • familiární agregace, neúplná penetrance, fenokopie, genetická heterogenita (lokusová i alelická), polygenní dědičnost • významný efekt faktorů zevního prostředí!!! • manifestace ve stř. a vyšším věku • 90% jedinců obézních – metabolický syndrom PATOGENEZE T2DM DYNAMIKA T2DM SEKUNDÁRNÍ SELHÁNÍ  BUNĚK  hyperglykemie indukuje  oxidativní stres  stres endoplasmatického retikula  vysoká koncentrace volných mastných kyselin (NEFA) způsobuje lipotoxicitu  krátkodobě NEFA stimulují sekreci inzulinu  dlouhodobá expozice NEFA, zejm. nasyceným (palmitát), vede k supresi sekrece inzulinu a zániku B-buněk   ceramid  apoptóza DALŠÍ TYPY DM  LADA (Latent Autoimmune Diabetes in Adults ) = slow-onset T1DM diagnóza > 30 let věku, zpravidla mylně jako T2DM zpočátku dobře kontrolovatelný dietou a PAD, nevede k diabetické ketoacidóze postupně však závislost na inzulinu (měsíce – 1 rok) positivní protilátky (autoimunita), nízký C-peptid negativní rodinná anamnéza T2DM DALŠÍ TYPY DM  MODY (Maturity-onset diabetes of the youngs) – cca 5% T2DM  skupina monogenních diabetů s familiárním výskytem a dobře definovaným mendelistickým způsobem dědičnosti (zpravidla AD), časnou manifestací (dětství, adolescenci či časná dospělost) a bez vztahu k obezitě  cca 6 typů (MODY1-6)  patofyziologie: geneticky podmíněná dysfunkce -buněk, ale dlouhodobě měřitelný C-peptid bez známek autoimunity  dvě podskupiny  MODY v důsledku mutací v glukokináze (MODY2)  glukokináza = “glukózový senzor” (vázne uvolňování a produkce inzulinu)  lehčí forma bez výrazného rizika pozdních komplikací  MODY v důsledku mutací v transkripčních faktorech (ostatních 5 typů)  těžké defekty -buněk progresivně vedoucí k diabetu se závažnými pozdními následky  postižena glukózou stimulovaná tvorba a uvolnění inzulinu a proliferace a diferenciace -buněk MODY lokus gen produkt prim. defekt závažn o s t k o m p l i k a c e 1 2 0 q HNF4A hepatocyte nuclear factor-4 pankreas vysoká časté 2 7 p GCK glukokináza pancreas/játra mírná vzácně 3 1 2 q TCF1 (HNF1A) hepatocyte nuclear factor-1 pancreas/ledviny vysoká časté 4 1 3 q IPF1 insulin promoter factor-1 pancreas vysoká ? 5 17q TCF2 (HNF4B) hepatocyte nuclear factor-1 pancreas/ledviny vysoká renální 6 2q32 NEUROD1 NEUROD1 pankreas vysoká ? SHRNUTÍ - ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY T1DM, T2DM A MODY T1DM T2DM MODY Nástup mládí (výjimečně v dospělosti LADA) dospělost mládí Gen. predispozice ano (oligogenní) ano (polygenní) ano (monogenní) Klinická manifestace často akutní pozvolná či náhodné zjištění pozvolná Autoimunitní proces ano ne ne Inzulinová rezistence ne ano ne Závislost na inzulinu ano ne ne Spojení s obezitou ne ano ne DIABETICKÝ “TRIUMVIRÁT” ??? JAKÝ EFEKT MÁ ROSTOUCÍ HLADINA GLUKÓZY V PLAZMĚ ??? OSMOLARITA = 2 Na+ + urea + glukóza 275 - 295 = 2 x 140 + 2.5 + 5 > 300 = 2 x 140 + 2.5 + 35 KLINICKÝ OBRAZ MANIFESTNÍHO DM  důsledkem vzestupu osmolarity krve, osmotické diurézy a dehydratace  klasické příznaky  polyurie (nokturie)  žízeň (polydypsie)  ztráta kožního turgoru, oschlé sliznice  únavnost a malátnost  přechodné poruchy zrakové ostrosti  poruchy až ztráta vědomí (hyperosmolární koma)  extrémní hyperglykemie (>40 mmol/l, osmolalita >350 mosmol/l)  diabetická ketoacidóza  hyperketonemie, metabolická acidóza a hyperglykemie až ketoacidotické koma (=ztráta vědomí, dech páchnocí po acetonu, hyperventilace)  hyperosmolární neketoacidotická hyperglykemie  hyperglykemie, dehydratace a prerenální uremie bez výrazné ketoacidózy  laktátová acidóza  terapii biguanidy (typ perorálních antidiabetik)  přidruženými hypoxickými stavy (sepse, šok, srdeční selhání) DIABETICKÁ KETOACIDÓZA POZDNÍ PROJEVY (KOMPLIKACE) DM  mikrovaskulární – specifické  diabetická retinopatie  diabetická nefropatie  diabetická neuropatie  senzorická, motorická, autonomní  makrovaskulární – nespecifické  akcelerace nemoci velkých tepen  ICHS, ICHDK, COM  kombinované  diabetická noha  další  parodontitida, katarakta, glaukom, makulární edém CHRONICKÁ HYPERGLYKEMIE PATOGENEZE KOMPLIKACÍ aldózareduktáza sorbitol sorbitoldehydrogenáza fruktóza POLYOLOVÁ DRÁHANAD+ NADHNADPH NADP glutathionreduktáza GFAT glukosamin-6-P UDP-GlcNAc HEXOSAMINOVÁ DRÁHA Sp1 (TGF-b, PAI-1, ...) ATP glukóza glyceraldehyd-3-P fruktóza-6-P glukóza-6-P pyruvát laktát RAGE, TNF-a, LTA, endotelin-1 … další geny PARP-1 O2- NF-kB IkB NF-kB / IkB poškození DNA GAPDH NADH NAD+ Schiffova báze fruktosamin NEENZYMATICKÁ GLYKACE methylglyoxal AGEs (1) zesíťování extracel. proteinů (2) modifikace intracel. proteinů (ubiquitin / proteasom) (3) vazba na receptory a aktivace signálních drah NAD(P)H oxidáza eNOSDHAP glycerol-P AKTIVACE PROTEIN KINÁZY C PKCDAG Poly ADP ribosyl polymeráza ) opravuje jednořetězcové zlomy DNA POKROČILÉ PRODUKTY GLYKACE (AGES)  zesíťovatění extracelulárních proteinů  modifikace intracelulárních proteinů a DNA  ubiquitin/proteasom  vazba na receptory a aktivace signálních drah KINETIKA AGES V ORGANIZMU MAILLARDOVA REAKCE – AGES V DIETĚ  AGEs jsou podobné produktům Maillardovy reakce (MRP) vznikajícím při tepelné úpravě potravin  cukr + bílkovina  Louis Camille Maillard (1878 - 1936)  popsal reakce probíhající při tepelné úpravě potravy (“browning”), která vede k tvorbě MRP (=AGEs) ovlivňují chuťové vlastnosti, vzhled, vůni, životnost  biologické vlastnosti MRP pozitivní – melanoidiny, polyfenoly negativní – akrolein (karcinogen) AKRYLAMIDY  Tvorba akrylamidu v potravinách je výsledkem reakce známé jako Maillardova reakce, což je chemická reakce mezi aminokyselinou (stavebním kamenem bílkovin) a sacharidem jako je glukosa, fruktosa nebo laktosa.  Vysoká teplota je nutná pro zahájení reakcí, které vyvolávají celou kaskádu chemických změn, jejichž výsledkem je „hnědnutí“ potraviny a tvorba různých chuťových a vonných složek. Souhrn těchto reakcí zajišťuje charakteristický vzhled a chuť tepelně upravených potravin. Jedním z nejznámějších příkladů Maillardovy reakce je zahřívání plátků bílého chleba při přípravě hnědé topinky. TYPY EPIGENETICKÝCH PROCESŮ  Modifikace histonů  Nukleosom je základní jednotka chromatinu skládající se z 146 bp DNA obtočené kolem oktameru proteinů, který se skládá ze dvou podjednotek všech 4 histonů : H2A, H2B, H3 a H4.  2 typy modifikací: acetylace a metylace Role DNA metylace a histonové modifikace v regulaci genů. A. Metylace cytosinu v CpG párech povolává proteiny obsahující methylCpG-binding domain (MBD), jako jsou MeCP2. Pokud se MBD naváže, vytváří komplex s histon deacetylázami (HDAC) nebo přímo blokuje vazbu transkripčních faktorů B. MBD se nemohou vázat na hypometylovanou DNA. C. Acetylace pozitivně nabitých lysinových amino skupin v histonech histonovými acetyltransferázami (HAT) neutralizuje náboj a uvolňuje vazbu negativně nabitých fosfátů v DNA. Takto“relaxovaná“ DNA podporuje vazbu a aktivní transkripci. Metabolická paměť a epigenetické mechanismy u komplikací diabetu DM, hyperglykémie a AGEs aktivují mnohé cesty signální transdukce včetně těch, které ovlivńují oxidativní stres, který reguluje transkripční faktory (TFs) a epigenetické faktory, jako jsou Histon metyl transferázy (HMTs), Histon acetyl transferázy (HATs) a DNA methyl transferázy (DNMTs). Ty jsou schopny modulovat posttranslační modifikace histonů (Histone PTMs) a metylaci DNA (DNA-me) v promotorech prozánětlivých genů a genů extracelulární matrix (ECM) (geny jako MCP-1, IL-6, TGF-beta, PAI-1 a kolagen), což vede ke změnám jejich exprese. Perzistence těchto epigenetických značek v oblasti cílových genů může být potom hlavním mechanismem pro metabolickou paměť, která je patrně zodpovědná za rozvoj diabetických komplikací i ve chvíli, kdy glykémie je pod kontrolou. Clin Exp Pharmacol Physiol. Jul 2011; 38(7): 401–409. DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST