Poruchy metabolizmu I Diabetes mellitus Ústav patologické fyziologie LF MU Definice diabetes mellitus (DM) • DM je skupina metabolických onemocnění charakterizovaných hyperglykemií v důsledku nedostatečného účinku inzulinu • porucha sekrece inzulinu (absolutní nebo relativní) • porucha citlivosti k inzulinu • chronická hyperglykemie vede ke vzniku pozdních projevů (komplikací) DM • sítnice • ledviny • nervy • velké cévy Diagnostika DM, PGT a PGN • pro diabetes svědčí • (1) klasické symptomy diabetu + náhodná glykemie 11.1 mmol/l • náhodná = kdykoliv během dne bez ohledu na poslední jídlo • klasické symptomy = polyurie, polydipsie • (2) FPG (fasting plasma glucose) 7.0 mmol/l • nalačno = min. 8 h od posledního jídla • (3) 2-h PG (postprandial glucose) 11.1 mmol/l během oGTT • 75g glukózy rozpuštěné ve vodě • porušená glukózová tolerance (PGT, angl. IGT) • 2-h PG 7.8 – 11.1 mmol/l během oGTT • porušená (hraniční) glykemie nalačno (PGN, angl. IFG) – diabetes vyloučen při FPG<5.6 mmol/l – FPG 5.6 – 7 mmol/l Interpretace glykemie Regulace glykemie • hormonální • hlavní • inzulin • glukagon • modulující • glukokortikoidy • adrenalin • růstový hormon • nervová • sympatikus • parasympatikus 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 Glukózová homeostáza Jak se dostává glukóza do buňky? Inzulin • exocytózou do portální krve • 50% odbouráno při prvním průchodu játry • denní produkce ~20-40 U • 1/2 bazální sekrece • 1/2 stimulovaná • bazální sekrece pulzatilní • 5-15 min intervaly • stimulovaná – glukóza, AK, MK, GIT hormony • časná fáze (hotový inzulin) • pozdní fáze (syntéza de novo) Syntéza inzulinu 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 • asi 50 % C-peptidu se vylučuje ledvinami • falešně vysoké hodnoty C-peptidu při insuficienci ledvin Stimulace sekrece inzulinu • stimulátory sekrece • makronutrienty • <<> po i.v. glukóze • při hypoglykemii – pokud je pacient ještě při vědomí – podat glukózu per os • “dopředný” regulační mechanizmus – anticipace vzestupu glukózy • 2 hl. inkretinové hormony produkované endokrinními buňkami tenkého střeva • GIP (glucose-dependent insulinotropic peptide či gastric inhibitory peptide) • GLP-1 (glucagon-like peptide-1) • léčba inkretinovými analogy u T2DM • opožděný efekt glukózové stimulace na sekreci inzulinu) • 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-buněk před apoptózou Účinky inkretinů Shrnutí – „glukostat“ • β buňky • 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 Signalizační kaskáda inzulinu Signalizace inzulinu ve svalu  odsun podstatné části glukózy  stimulace systému zajišťujícího transport glukózy do buňky  13 typů GLUT  různá tkáňová exprese, substrátová specifita a afinita, kinetika a exprese za různých fyziologických podmínek  buňky nestimulované inzulinem  převládá GLUT1, 90% GLUT4 je uvnitř buňky  po stimulaci přesun GLUT4 do membrány  několik „poolů“  v intracelulárních granulích  recyklované transportéry (4-10%)  svalová kontrakce  na inzulinu nezávislá stimulace transportu glukózy  další intracelulární pool GLUT4  tato translokace GLUT4 je zachována u lidí i myší s inz. rezistencí  mechanizmus – aktivace AMPK  hromadění 5‘-AMP – aktivace drah regenerujících ATP Signalizace inzulinu v tukové tkáni • skladování triglyceridů • aktivace lipogeneze • zvýšená dostupnost glycerolu a mastných kyselin (FFA) • zvýšený uptake glukózy a aktivace lipogenních a glykolytických enzymů (syntáza mastných kyselin a SREBP-1 [Sterol regulatory element]) • promotor genu pro LDLR • lipolýza • aktivace při hladovění – uvolnění FFA (utilizace v játrech, srdci a svalu) a metabolizace na ketony pro CNS • lipolýza – senzitivní na inzulin, inhibována nízkou koncentrací inzulinu (50% ve srovnání s aktivací odsunu glukózy do svalu) • regulace lipolýzy v adipocytech • HSL a perlipin • inzulin snižuje jejich fosforylaci (a tudíž i aktivitu) Signalizace inzulinu v játrech • stimulace syntézy glykogenu a inhibice glukoneogeneze • inzulin • aktivace glykogen syntázy • inhibice glukoneogeneze • fosfoenolpyruvát karboxykináza (PEPCK) • glukóza-6-fosfatáza Metabolický efekt inzulinu Z hlediska působení inzulinu rozeznáváme tkáně • inzulin-dependentní • svalová a tuková tkáň • integrace GLUT4 do cytoplazmatické membrány • facilitovaná difuze glukózy a následná tvorba zásob • játra • stimulace glykogenolýzy • inhibice glukoneogeneze • non-inzulin dependentní • všechny tkáně (vč. svalů, tuku a jater) • transport glukózy závisí • na koncentračním spádu • hustotě transportérů (GLUT1, 2, 3, 5, …) • intenzitě glykolýzy Patofyziologie DM • DM je heterogenní syndrom charakterizovaný hyperglykemií způsobenou funkční deficiencí účinku inzulinu, a to buď v důsledku jeho úplného chybění nebo periferní rezistence k působení inzulinu • prevalence DM • celkové populaci cca 5% • nad 65 let je to již 20% • příčiny inzulinové rezistence • absolutní • destrukce β buněk Langerhansových ostrůvků • relativní • abnormální inzulin • abnormální molekula inzulinu (mutace) • defektní přeměna preproinzulinu na inzulin • cirkulující protilátky proti inzulinu nebo receptoru • inzulinová rezistence v cílové tkáni • receptorový defekt • post-receptorová porucha Klasifikace DM Diabetes mellitus 1. typu (T1DM) • multifaktoriální polygenní onemocnění • autoimunitní destrukce β buněk Langerhansových ostrůvků pankreatu u geneticky predisponovaných jedinců • chromozom 6 – HLA II • DR3-DQ2 a DR4-DQ8 • chromozom 11 – gen pro inzulin • GWAS – dalších více než 50 variant • patogeneze • (A): APC prezentují peptidy β buněk • interakce s CD4+ T lymfocyty v pankreatických lymfatických uzlinách • aktivace autoreaktivních CD8+ T lymfocytů • (B): CD8+ T ničí β buňky • (C): uvolnění prozánětlivých mediátorů a ROS buňkami imunitního systému • (D): proces amplifikován defektem regulačních T lymfocytů • (E): stimulace B lymfocytů k tvorbě protilátek proti β buňkám T1DM • 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 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 pouze diagnostický význam) • častá asociace T1DM s jinými autoimunitami • celiakie • thyreopatie • Addisonův syndrom Diabetes mellitus typu 1 (T1DM) • dříve IDDM • autoimunitní onemocnění charakterizované hyperglykemií • důsledek destrukce β buněk pankreatu • u 70-90 % autoimunita (typ 1a) • zbytek bez protilátek (typ 1b) • přítomnost protilátek před manifestací onemocnění • inzulin • 65 kDa dekarboxyláza kyseliny glutamové (GAD65) • inzulinoma-associated protein 2 • zinkový transportér 8 • rizikové HLA genotypy • HLA-DR, HLA-DQ • ↑ riziko autoprotilátek a T1DM Epidemiologie T1DM • nejčastější typ diabetu u dětí •  500 000 celosvětově • rostoucí incidence • 90 000 ročně celosvětově • geografické rozdíly • nejvyšší ve Skandinávii • možný rozvoj v dospělosti • i po 50. roce věku • presymptomatický T1DM • riziko vzniku T1DM se zvyšuje s počtem autoprotilátek a věku při detekci protilátek • 2 a více autoprotilátek u 0.3-0.5 % dětí • děti s manifestací T1DM do 5 let • protilátky mezi 6. a 24. měsícem Stadia T1DM Rizikové faktory T1DM • polygenní onemocnění • genetické rizikové faktory jsou nutné, ale ne dostačující pro vznik nemoci • nízká penetrance • hlavní rizikové genetické faktory • HLA-DR3-DQ2 a DR4-DQ8 • běžné v západních populacích • také rizikové faktory pro přítomnost autoprotilátek • GWAS • dalších  50 rizikových variant • faktory vnějšího prostředí • virové infekce • příklady • zavedení jídla Kontinuální monitorování glykemie (CGMS) CGMS - výstup Diabetes mellitus 2. typu (T2DM) • dříve NIDDM • základní patofyziologickým faktorem je nerovnováha mezi sekrecí a účinkem inzulinu • při manifestním T2DM je současně přítomná inzulinová rezistence a porucha sekrece inzulinu • co bylo první - “slepice” nebo “vejce” ???? • inz. rezistence – kompetice glukózy a TAG (NEFA)!!! • inz. sekrece – redukce B-bb. o 20-40% ale 80% redukce uvolňování inzulinu!!! • komplexní choroba se vším všudy • genetická dispozice • familiární agregace, neúplná penetrance, fenokopie, genetická heterogenita (lokusová i alelická), polygenní dědičnost • významný efekt faktorů zevního prostředí • manifestace ve středním a vyšším věku • 90% jedinců obézních – metabolický syndrom • dysregulace metabolizmu sacharidů, lipidů a proteinů • heterogenní onemocnění • řada patofyziologických abnormalit • různá náchylnost ke komplikacím • rozdílná odpověď na léčbu Prediabetes • zahrnuje • porušenou glykemii nalačno • inz. rezistence v játrech a zhoršení časné fáze sekrece inzulinu • porušenou glukózovou toleranci • inz. rezistence ve svalu a zhoršená druhá fáze sekrece inzulinu po jídle • zvýšený glykovaný hemoglobin • heterogenní skupina • prediabetes je běžný • osoby s PGN nebo PGT s vysokým rizikem progrese by měly být léčeny metforminem • HbA1c > 5.6 % • BMI > 30 kg/m2 • věk > 60 let • „lifestyle“ intervence jsou u většiny lidí efektivní pouze na začátku Epidemiologie T2DM • prevalence • 2013 – 382 mil. dospělých • 2035 – očekává se 592 mil. • v ČR • vyšší predispozice u asijské populace • ↑ % tukové tkáně • větší abdominální obezita • méně svalové hmoty • lehce vyšší u mužů • biomarkery • CRP, IL-6, TNF, BCAA • adiponektin • metabolity střevní mikroflóry • rizikové faktory • obezita • fyzická aktivita • složení potravy • protektivní efekt • celozrné potr., zelenina, oříšky, káva, umírněná konzumace alkoholu • méně rafinovaných obilovin, červeného masa, slazených nápojů • spánek • kouření • genetika • polygenní onemocnění • GWAS – přes 100 variant • TCF7L2, SLC30A8, FTO, CDKAL1, CDKN2A • většinou intronové • malý efekt • zvýšení rizika o 10-20 % Prevalence T2DM Asociace mezi BMI a T2DM Funkce β buněk • u manifestního T2DM je přítomná dysfunkce β b. • pokles masy β b. o 30-40 % • apoptóza • dysregulace autofagie • změny architektury ostrůvků • amyloid • adaptace na inzulinovou rezistenci • zvýšený „set point“ • FFA, hyperglykemie • relativní převaha α buněk • změny u T2DM • ↓ odpověď na glukózu • ↑ glukóza nutná k iniciaci sekrece inzulinu • schopnost β buněk odpovídat na zvýšení glykemie je zhoršená u T2DM • + defekt inkretinů • deficit β buněk sám o sobě není příčinou T2DM • zlepšení funkce β buněk po bariatrické chirurgii „Zlověstný oktet“ Inzulinová rezistence • předchází rozvoj T2DM • přítomná v různých tkáních • játra • sval • ledvina • endotel • inzulinová signalizace • inzulinový receptor • IRS • PI3K • GLUT4 • FOXO1 • mechanizmy inzulinové rezistence • fosforylace serinu IRS • inhibice fosforylace tyrozinu • proč je zvýšeně fosforylovaný serin? • ektopická akumulace lipidů • mitochondriální dysfunkce • zánět • stres ER Inzulinová rezistence Stanovení inzulinové rezistence • euglykemický hyperinzulinemický clamp • konstantní infuze inzulinu • podle aktuálních glykemií se upravuje rychlost infuze glukózy • množství spotřebované glukózy udává inzulinovou citlivost • hladina inzulinu nalačno • dobrá korelace s inzulinovou rezistencí • HOMA-IR • epidemiologické studie • jednoduchost, bere v úvahu glykemii • > 2 = inzulinová rezistence • QUICKI • měří inzulinovou senzitivitu • dobrá korelace s HOMA-IR Patogeneze T2DM Ektopická akumulace lipidů • v různých tkáních • zvyšování tkáňového diacylglycerolu (DAG) • aktivace proteinkinázy C • fosforylace IRS na serinu • inhibice signalizace inzulinu • také zvýšené množství ceramidu • cytoplazmatický a mebránový lipid • součást sfingolipidů • regulace apoptózy Mitochondriální dysfunkce • popsána v mnoha tkáních • svaly, játra, tuková tkáň, mozek… • příčiny • snížený počet mitochondrií • zhoršená funkčnost • mechanizmy • tuková tkáň • ↓ sekrece adiponektinu • další tkáně • ↑ tvorba ROS • aktivace redox-senzitivních serin kináz Zánět • systémový zánět • zvýšená produkce prozánětlivých cytokinů • IL-6, TNF • aktivace kináz – fosforylace serinových zbytků IRS • více makrofágů • tuková tkáň, játra • více • klasických M1 makrofágů • Th1, Th17 • méně • M2 makrofágů • Treg a Th2 • vliv makrofágů na tukovou tkáň • stimulace lipolýzy • stimulace glukoneogeneze • změny lipidového metabolizmu • aktivace toll-like receptorů Vznik T2DM Dynamika T2DM 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 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 Akutní a pozdní komplikace diabetu Hypoglykemie • pokles glykemie pod 3,3 mmol/l • komplikace léčby T1DM • rozdělení • lehká • těžká • domnělá • důsledek deficitu inzulinu • absolutní • relativní • nejčastější příčiny • zvýšená fyzická zátěž • vynechání jídla • nesprávně zvolená dávka inzulinu • alkohol Reakce organizmu na hypoglykemii • aktivace kontraregulačních mechanizmů • pokles sekrece inzulinu • nástup už při glykemii 4,5 mmol/l • zvýšení sekrece glukagonu a adrenalinu • stimulace glykogenolýzy (játra i ledviny) a glukoneogeneze • adrenalin snižuje uptake glukózy v periferii a mobilizuje prekurzory pro glukoneogenezi • aktivace sympatiku • příznaky upozorňující na blížící se hyperglykemii a stimulující příjem potravy • zvýšení sekrece STH a kortizolu • ovlivnění periferních tkání • menší význam, uplatnění s odstupem (při déletrvající hypoglykemii)