1 Diabetes mellitus 2 World diabetes day 3 Definice DM • DM je skupina metabolických onemocnění charakterizovaných hyperglykemií v důsledku nedostatečného účinku inzulinu • porucha sekrece inzulinu (absolutní nebo relativní) • porucha citlivosti k inzulinu • extrémně vysoká hladina glykemie může akutně ohrozit člověka na životě • hyperosmolarita, dehydratace, porucha pH • chronická hyperglykemie vede ke vzniku pozdních projevů (= diab. komplikací) • sítnice • ledviny • nervy • velké cévy 4 Fasting state 5 Absorptive state 6 Regulace glykemie • hormonální • hlavní • inzulin • glukagon • modulující • glukokortikoidy • adrenalin • růstový hormon • nervová • sympatikus • parasympatikus 7 Co se děje u zdravého člověka po jídle = inzulin organizuje alokaci a utilizaci makronutrient • játra • stimulace tvorby glykogenu (do cca 5% váhy jater) •  hexokináza, fosfofruktokináza, glykogensyntáza •  G-6-P-kináza • útlum glukoneogeneze •  PEPCK • tvorba tuku •  syntéza MK (z acetyl-Co-A) a tvorba VLDL • proteosyntéza •  transport AK • inhibice ketogeneze • sval • tvorba glykogenu • proteosyntéza •  transport AK • tuková tkáň • Glc  glycerol • stimulace adipogeneze •  aktivity LPL • hydrolýza VLDL a resyntéza TAG •  hormon-senzitivní lipáza • mozek • inzulin zapojen v signalizaci kontroly apetitu/sytosti 8 Kontraregulace inzulin/glukagon 9 Diagnostika DM, PGT a HGN • pro diabetes svědčí • (1) klasické symptomy diabetu + náhodná glykemie 11.1 mmol/l (vše žilní plazma) • náhodná = kdykoliv během dne bez ohledu na poslední jídlo • symptomy zejm. polyurie a polydipsie • (2) FPG (fasting plasma glucose) 7.0 mmol/l • nalačno = min. 8 h od posledního jídla • (3) 2-h PPG (postprandial glucose) 11.1 mmol/l během oGTT • oGTT: odběr FPG, pak vypití 75g glukózy rozpuštěné ve vodě, stanovení glykemie za 60 a 120 minut • porušená glukózová tolerance (PGT, angl. IGT) • vyloučení <7.8 mmol/l • 2-h PPG 7.8 - <11.1 mmol/l během oGTT • porušená (hraniční) glykemie nalačno (HGN, angl. IFG) • diabetes vyloučen při FPG 5.6 mmol/l • FPG 5.6 – <7 mmol/l 10 Interpretace glykemie 11,1 11,1 7,0 5,6 7,8 7,8 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 FPG 60 min 120 min glycemia(mmol/L) diabetes IGT IFG normal 11 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 12 Jak se dostává glukóza do buňky ??? 13 Inzulin • exocytózou z B-bb LO do portální krve • 50% inzulinu (ale ne Cpeptidu!!) 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 norální odsun Glc do inzulin-dependentních tkání 14 Syntéza inzulinu endoplazmatické retikulum Golgiho orgán mikrovezikuly PREPROINZULIN (11.5 kDa) PROINZULIN (9 kDa) sekreční granula 11 INZULIN + C-PEPTID prohormon-konvertáza 3prohormon-konvertáza 2 karboxypeptidáza PROINZULIN INZULIN + C-PEPTID 15 C peptid • aktivita • určité benefiční vaskulární efekty (oxid dusnatý) • zejm. diagnostické využití • ekvimolární insulinu • na rozdíl od insulinu C-peptid není degradován z portální krve játry • systémová koncentrace reflektuje endogenní produkci insulinu 16 Stimulace sekrece inzulinu • stimulátory sekrece • makronutrienty • <<> po i.v. Glc • při hypoglykemii – pokud je pacient ještě při vědomí – podat Glc per os • “dopředný” regulační mechanizmus – anticipace vzestupu Glc • 2 hl. inkretinové hormony produkované endokr. bb. tenk. střeva • GIP (glucose-dependent insulinotropic peptide či gastric inhibitory peptide) • GLP-1 (glucagon-like peptide-1) • léčba inkretinovými analogy u T2DM (kvůli opožděnému efektu Glc na stimulaci sekrece Inz) • GLP-1 analog - exenatid (GLP-receptor agonista) • DPP-4 inhibitory (dipeptyl peptidáza 4 proteolytická degradace inkretinů) - gliptiny • zlepšení Glc-stimulované sekrece inzulinu po jídle • suprese postprandiálního uvolnění glukagonu • zpomalení vyprazdňování žaludku • protekce β-bb. před apoptózou 20 Shrnutí – „glukostat“ • B-bb. LO • GLUT2 • propouští při jakkoliv malém konc. gradientu na rozdíl od GLUT1 • glukokináza • allostericky neinhibovatelná na rozdíl od hexokinázy • ATP-dependentní K+ kanál • napěťově řízený Ca2+ kanál 21 Stimulovaná sekrece inzulinu • bifazičnost sekrece inzulinu není zřejmě in vivo tak jednoznačná, záleží hlavně na rychlosti a absolutní velikosti vzestupu glykemie • 1. fáze – Glc/KATP-dependentní • 2. fáze – ostatní sekretagoga 22 23 Inzulinový receptor - detail 24 Inzulinový receptor - simple • inzulinový receptor je Tyr-kináza • signální transdukce spočívá v sérii fosforylací intracelulárních proteinů, aktivaci dalších kináz a konečně fosforylaci (tj. aktivaci či inhibici) přísl. enzymů • hlavní efekty v i-dependentních tkáních • (1)  “uptake” glukózy = translokace GLUT4 (ve svalových a tukových buňkách) • (2) metabolický: IRS  PI-3-K  PDK  PKB (=Akt) •  GSK (glykogen-syntáza-kináza)   glykogensyntéza •  cAMP fosfodiestráza  inhibice lipolýzy •  glukoneogeneze • (3)  gen. exprese (mitogenní) • MAPK  transkripční faktory 25 Z hlediska působení inzulinu rozeznáváme tkáně: • inzulin-insenzitivní • všechny tkáně (vč. svalů, tuku a jater) • vychytávání glukózy je realizováno facilitovanou difuzí pomocí GLUT1, 2, 3, 5, … permanentně lokalizovaných v membráně • transport glukózy tak závisí na • koncentračním spádu • typu a hustotě transportérů • intenzitě glykolýzy • inzulin-senzitivní • (1) kost. svaly a myokard + (2) tuk. tkáň • integrace GLUT4 do cytopl. membrány • facil. difuze glc a násl. tvorba zásob • (3) játra • metabolické účinky • stimulace glykogenolýzy • inhibice glukoneogeneze 26 Souhrn hlavních metabolických efektů inzulinu 27 Patofyziologie DM • DM je heterogenní syndrom charakterizovaný hyperglykemií způsobenou funkční deficiencí účinku inzulinu, a to buď v důsledku • jeho úplného chybění = absolutního deficitu • destrukce  buněk Langerhansových ostrůvků • relativného deficitu • pre-receptorová porucha • receptorová porucha • post-receptorová porucha, tj. inzulinová rezistence v cílové tkáni + sekundární selhání  buněk Langerhansových ostrůvků • prevalence DM • v celkové populaci cca 5% • nad 65 let je to již >20% • roste celosvětově 28 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 ] 29 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 mitochodndriální 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 30 T1DM (dříve IDDM) • selektivní autoimunitní destrukce -bb LO u geneticky disponovaných jedinců spouštěná faktory prostředí • 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 Tlymfocytů 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 pouze diagnostický význam) • častá asociace T1DM s jinými autoimunitami • celiakie • thyreopatie • Addisonův syndrom 31 T1DM • spouštěcí faktory autoimunity • určitě zevní faktory – epidemiologická evidence - nárůst meziroční incidence o 3% příliš pro genet. změny • virová infekce • nejč. zarděnky, spalničky, coxsackie B, CMV, EBV, enteroviry, retroviry • mechanizmus není jasný • cytolytické ( sekvestrace antigenů) • vytvoření neoantigenů • molekulární mimikry nebo superantigeny • dieta - časná expozice cizorodým proteinům, zejm. proteiny kravského mléka (bovinní inzulin) • funguje také experimentálně u BB krys • geografické -  vitamin D (vysvětlení severojižního gradientu?) • toxiny (dieta, voda, bakterie) • gluten??? • dynamika • manifestace obvykle v dětství • v naprosté většině případů autoimunita dokončena, absolutní závislost na exogenním inzulinu 32 Dynamika T1DM 33 T2DM resp. citlivost k inzulinu • inzulinová senzitivita = jaký efekt na glykemii vyvolá určitá dávka inzulinu • spojitá veličina s interindividuální variabilitou • dá se testovat: • hyperinzulinemický euglykemický clamp • počítané indexy (na zákl. vztahu glykemie a inzulinemie nalačno nebo při oGTT) – např. HOMA, QUICKI, … • mění se u celé řady stavů = inzulinová rezistence • fyziologicky v těhotenství a při zánětu • patologicky např. při obezitě, některých endokrinopatiích 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 b-buňkami je zjevně omezená 34 Od inzulinové rezistence k T2DM • IR = dané množství inzulínu vyvolá nižší než očekávanou odpověď cílových tkání • příčiny • vrozené • (pre-, post- a receptorové) • získané • stárnutí • nedostatek nebo absence fyzické aktivity • dieta bohatá na tuky a jednoduché sacharidy • vyšší hladina volných mastných kyselin (lipotoxicita) • u diabetiků nebo prediabetiků hyperglykémie (glukotoxicita pro ß buňky) Prereceptorové Receptorové Postreceptorové mutace genu pro inzulin) snížené množství receptorů různé defekty v transdukci signálu protilátky proti inzulínu (vrozené, získané) snížená vazba inzulínu na receptor mutace GLUT4 akcelerovaná degradace inzulínu receptor blokující protilátky mutace genů pro inzulínový receptor 35 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” gen. variant (tzv. “střádavý genotyp”) • získaná složka • kompetice glukózy a NEFA!!! (dieta) • efekt adipokinů z tukové tkáně (obezita) •  mobilizace GLUT4 při fyzické inaktivitě • 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. • komplexní nemoc se vším všudy • genetická dispozice • familiární agregace, neúplná penetrance, polygenní dědičnost, … • významný efekt faktorů zevního prostředí!!! • manifestace ve stř. a vyšším věku • 90% jedinců obézních – metabolický syndrom 36 Dynamika T2DM 2 37 Inzulin- a “sport”-dependentní translokace GLUT4 • 2 intracelulární “pooly” GLUT4 • inzulin-dependentní (viz kaskáda Inz-receptoru ) • Ca2+ / NO / AMPK?-dependentní • tento mechanizmus zodpovídá za zlepšení inzulinové senzitivity u fyzicky aktivních jedinců 1 38 Sekundární selhání  buněk • hyperglykemie indukuje • oxidativní stres • stres endoplasmatického retikula (viz dále) • lipotoxicita • krátkodobé zvýšení volných mastných kyselin (NEFA) stimuluje sekreci inzulinu • dlouhodobě vysoká koncentrace NEFA (které provází manifestní DM), zejm. nasycených (palmitát), vede k supresi sekrece inzulinu a zániku B-buněk •  ceramid  apoptóza 39 Stres endoplazmatického retikula • organela, kde dochází k posttranslačním modifikacím proteinů, oligomerizaci, skládání (foldingu), … • soubor všech možných vlivů, které vyvádějí ER z homeostázy, což se projeví zejména hromaděním proteinů, které neprošly „foldingem“ • vč. inzulinu v -buňkách • jako odezva se spustí signální dráhy, které se souhrnně označují jako unfolded protein response (UPR) • výsledkem je zpomalení translace mRNA, degradace malfoldovaných proteinů, zvýšení exprese chaperonových genů a udržení oxidativního prostředí v ER • v případě selhání regulačních mechanismů je spuštěna apoptóza 40 Patogeneze rozvinutého T2DM 41 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 • MODY (Maturity-onset diabetes of the young) – 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 Cpeptid 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 ? 42 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 43 Diabetický “triumvirát” ??? 44 Akutní manifestace a dlouhodobé důsledky (komplikace) diabetu 45 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 46 Klinický obraz manifestního DM • důsledkem vzestupu osmolarity krve, osmotické diurézy a dehydratace • klasické příznaky • polyurie (nokturie) • žízeň • polydipsie • únavnost a malátnost • přechodné poruchy zrakové ostrosti • další příznaky • časté infekce močového ústrojí a kůže • zvýšená kazivost chrupu a paradentóza • extrémní hyperglykemie (>40 mmol/l, osmolalita >350 mosmol/l) • diabetická ketoacidóza • hyperketonemie, metabolická acidóza a hyperglykemie • 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) 47 Diabetická ketoacidóza 48 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 49 Chronická hyperglykemie 50 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+ Patogeneze komplikací GFAT glukosamin-6-P UDP-GlcNAc HEXOSAMINOVÁ DRÁHA Sp1 (TGF-b, PAI-1, ...) aldózareduktáza sorbitol sorbitoldehydrogenáza fruktóza POLYOLOVÁ DRÁHANAD+ NADHNADPH NADP glutathionreduktáza 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 51 Pokročilé produkty glykace (AGEs) • zesíťovatění extracelulárních proteinů • modifikace intracelulárních proteinů a DNA • ubiquitin/proteasom • vazba na receptory a aktivace signálních drah 52 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) 53 Kinetika AGEs v organizmu 54 55 DALŠÍ ENDOKRINOPATIE VE VZTAHU K LANGERHANSOVÝM OSTRŮVKŮM 56 Langerhansovy ostrůvky • nejvíce v ocasu pankreatu • bohatě vaskularizovány • krev do v. portae • inervovány sympatikem a parasympatikem • A ()-bb. • glukagon • GLP-1 a GLP-2 • B ()-bb. • inzulin • amylin • D ()-bb. • somatostatin • gastrin • VIP • F-bb. • pankreatický polypeptid 57 Glukagon • pre-proglukagon v A-bb. LO a GIT • konverze na glukagon v LO • konverze na GLP-1 a GLP-2 v GIT • stimulují vylučování inzulinu • sekrece stimulována • AK v potravě, katecholaminy, glukokortikoidy • efekty – především v játrech •  glykogenolýzy, oxidace MK, glukoneogeneze, ketogeneze 58 Kontraregulace inzulin/glukagon 59 Endokrinopatie LO • nedostatečná produkce hormonů • diabetes mellitus • absolutní deficit (T1DM) • relativní deficit (T2DM) • další typy DM • nadbytek hormonů • inzulinom • opakované hypoglykemie • glukagonom • hyperglykemie • somatostatinom • VIPom • MEN1