β-клетки поджелудочной железы при сахарном диабете

By Екатерина Кудряшова|Май 26, 2016|Новости, Новости науки, Сахарный диабет|0 comments

Введение

  • Во всём мире заболеваемость и распространённость СД 2 типа высоки и продолжают неуклонно увеличиваться.
  • Согласно последней классификации Американской Диабетической Ассоциации выделяют 4 типа сахарного диабета:
    • сахарный диабет 1 типа;
    • сахарный диабет 2 типа;
    • гестационный сахарный диабет;
    • другие специфические типы.
  • СД 1 типа характеризуется абсолютной недостаточностью инсулина (β-клетки полностью утрачивают способность вырабатывать инсулин).
  • При СД 2 типа отмечаются существенные изменения в секреции инсулина и работе инсулиновых рецепторов.
  • Секреция инсулина осуществляется поджелудочной железой — органом, состоящим из клеток различных типов, ряд которых обладают эндокринными или экзокринными функциями.
  • Настоящий обзор посвящён βклеткам островков Лангерганса, обеспечивающим секрецию инсулина.
  • При СД 2 типа основной причиной инсулиновой недостаточности является значительное снижение пула βклеток.
    • Существенное уменьшение βклеточного объёма было впервые описано при сравнении образцов поджелудочной железы, полученных в ходе аутопсии у пациентов с СД и без этого заболевания.
    • Данные многих исследований свидетельствуют о том, что уменьшение массы βклеток предваряет манифестацию СД практически на 10 лет.
    • Более того, на момент постановки диагноза пациенты утрачивают около 50% от изначального пула βклеток.
  • Уменьшение клеточной массы — медленный процесс, ведущий к развитию клинической манифестации СД.
  • Механизм, вызывающий гибель клеток, всё ещё изучается, тем не менее, имеющиеся данные указывают на положительную корреляцию между развитием гипергликемии и апоптозом. Возможно, возникновение СД связано именно с запрограммированной клеточной гибелью.
  • Причины нарушения целостности βклеточной популяции подразделяются на 2 группы.
    • 1 — молекулярные факторы, влияющие на экспрессию клеточной линии, неогенез и созревание,
    • 2 — факторы, вызывающие повреждение и гибель зрелых βклеток.
  • К сожалению, биологические процессы более сложны, чем предполагает данная классификация.
    • Так, например, метаболические факторы, которые путём непосредственного воздействия вызывают повреждение или гибель клеток, могут также нарушить неогенез и функциональную направленность линии βклеток.
  • В данном обзоре рассматриваются факторы, способствующие повреждению β-клеточной массы.

Поджелудочная железа и её функции

  • Развитие поджелудочной железы начинается с формирования её передней и задней областей из зародышевого слоя энтодермы.
  • Большинство имеющихся данных о росте клеток поджелудочной железы получено в ходе исследований на грызунах. За исключением некоторых особенностей у грызунов поджелудочная железа развивается так же, как у человека.
  • Образование поджелудочной у мышей начинается на 9 день эмбрионального развития.
  • Протоковая система формируется до 13 дня эмбрионального развития, с этого времени начинается клеточная дифференцировка.
  • На этой стадии в поджелудочной железе и двенадцатиперстной кишке благодаря активации последовательности генов, кодирующих фактор транскрипции, образуется один из ключевых сигнальных факторов Pdx1.
  • Затем клетки поджелудочной достигают следующей стадии: клеточной зрелости или детерминации дифференцировки. На ней клетки окончательно специализируются: в эндокринные или экзокринные.
    • Данная стадия регулируется группой специфических факторов транскрипции и роста.

Клеточное развитие

  • Под воздействием средовых и генетических факторов клетки в своём развитии могут последовать по любому из следующих путей:
    • воспроизведение;
    • пролиферация;
    • дифференцировка;
    • полная детерминация дифференцировки;
    • переход в латентное состояние (дедифференцировка);
    • мутация.
  • Выбор того или иного пути обусловлен влиянием эндогенных или экзогенных сигналов:
    • гормонов;
    • факторов роста;
    • нейротрансмиттеров;
    • промежуточных метаболитов;
    • факторов транскрипции.
      • Многие факторы транскрипции являются триггерами для запуска пролиферации и окончательной дифференцировки клеток поджелудочной железы.

Зрелая поджелудочная железа

  • Макроскопически в поджелудочной железе хорошо видна протоковая система, окружающая головку, тело и хвост поджелудочной железы, а также диффузно рассеянные островки клеток.
  • Между тем, микроскопически поджелудочная железа устроена гораздо сложнее.
  • На клеточном уровне орган представляет собой сложную организацию клеток, выполняющих различные функции.
  • Как гормональный, так и негормональный секрет поджелудочной железы продуцируется отдельными группами клеток, каждая из которых имеет специфическую локализацию и выполняет особую функцию.
    • В зависимости от функции клетки можно подразделить на эндокринные и экзокринные.

Экзокринные клетки поджелудочной железы

Ациноциты

  • Экзокринная функция поджелудочной обеспечивается экзокринными клетками, также известными как ациноциты.
  • Название «ацинарный» или «дольковой», данное целой группе клеток, связано с аггрегацией их в кластеры.
  • Основная физиологическая функция ациноцитов — секреция пищеварительных ферментов:
    • альфа-амилазы;
    • протеазы;
    • липазы.
  • Через протоковую систему ферменты поступают в двенадцатиперстную кишку.
  • Что касается влияния ациноцитов на клеточное развитие органа и детерминацию дифференцировки, то одной из их функций является регуляция неогенеза островковых клеток.

Клетки протоковой системы

  • Протоковые структуры поджелудочной выстланы эпителиальными клетками, происходящими из её зачатка.
  • Соединённые в цепочки протоковые клетки образуют извитую трубку, проходящую через всю поджелудочную железу; их основная функция — секреция слизи и бикарбоната.
  • В основе текущего исследования лежит предположение о том, что, подобно ациноцитам, функциональные возможности шире, чем просто экзокринная секреция.
    • В поджелудочной железе этим клеткам отводится важная роль в регенеративных процессах.

Эндокринные клетки поджелудочной железы

  • Поджелудочная железа состоит из экзокринных ациноцитов и клеток протоковой системы, а также эндокринных клеток, образующих островки Лангерганса.
  • Островковые клетки можно классифицировать на 5 различных гландулярных типов:
    • альфа;
    • бета;
    • дельта;
    • эпсилон;
    • F-клетки.
  • По некоторым оценкам, поджелудочная у людей содержит около миллиона островковых клеток.
  • Островки занимают приблизительно 1-1.5% от общего объёма органа.
  • У взрослого человека и у грызунов экзокринные клетки занимают 95% поджелудочной.
  • Наиболее часто экспериментальной моделью по изучению клеток поджелудочной железы служат грызуны.
    • Однако, в строении островковых клеток имеются некоторые характерные межвидовые различия.
    • Например, и у грызунов, и у людей на стадии развития бета-клетки располагаются в ядре островков Лангерганса, окружённые дельта и альфа-клетками.
      • У грызунов подобное строение органа сохраняется и во взрослом состоянии.
      • У взрослых представителей человеческого вида же бета-клетки обнаруживаются диффузно рассеянными по всей поджелудочной железе, хотя в передней части головки их плотность выше.
    • Также, имеются данные, что и у людей, и у грызунов островки снабжены различными глюкозными сенсорными системами.
      • В ходе исследований было установлено, что в островках поджелудочной у людей используются GLUT-1 и GLUT-4, в то время как у грызунов основной транспортёр глюкозы-GLUT-2.
      • Различные транспортёры характеризуются разным аффинитетом к глюкозе (величина Km);
        • эти различия принципиальны, т. к. именно они определяют количество выделяемого инсулина.
    • Ещё одним принципиальным отличием является скорость роста:
      • in vitro человеческие βклетки растут значительно медленнее, чем у грызунов.
  • При проведении исследований в области диабетологии всегда оценивается βклеточное содержимое. Это важно, т. к. полученная информация может быть использована в случае вынужденного клеточного резервного лечения или при трансплантации.
  • Текущие исследования демонстрируют различные значения βклеточного содержимого, это можно закономерно списать на:
    • различия в параметрах используемых экспериментальных моделей (видовые, возрастные, различия в технических аспектах процедур);
    • характеристики, используемые для его описания: объём, фракции.
  • По некоторым оценкам поджелудочная железа взрослого человека содержит около миллиона островков.
  • Кроме того, в ходе недавнего исследования с использованием комбинации светового и электронного микроскопа установлено, что 73.6 ± 1.7% человеческих островковых клеток являются βклетками.

β-клеточная пролиферация и дифференцировка

  • Исследования на грузунах показали, что наиболее критическим в отношении формирования общей массы βклеток является зародышевая стадия развития.
  • Согласно этой теории островковые βклетки начинают делиться под действием факторов роста, гормонов и, вероятно, необходимым стимулом является сигнализация от автономной нервной системы.
  • В ходе развития и специализации клетки проходят через 3 стадии:
    • предифференцировка;
    • протодифференцировка;
    • непосредственно дифференцировка.
  • Каждая из этих стадий регулируется специфическими сигналами.
  • Островки содержат 5 клеточных линий — все они происходят из клеток-предшественниц; развитие каждой определяется специфическими или неспецифическими стимулами.
  • Некоторые факторы роста играют строго-определённую роль в специализации и пролиферации клеток. В большинстве случаев, однако, чётко связать ту или иную функцию с действием определённого стимула не удаётся.
  • Вдобавок к внутрицикловым клеточным регуляторам , некоторые местные агенты способны оказывать влияние на клеточную дифференцировку и фенотип.
  • Одним из ключевых факторов, определяющих судьбу βклеток, является сигнальный путь Notch.
    • Предполагается, что рецептор Notch-1, экспрессируемый многими клеточными линиями островков Лангерганса, может приостанавливать дифференцировку эндокринных и экзокринных клеток, в то время как именно в ходе неё эндокринные клетки приобретают способность секретировать инсулин и чувствительность к нему.

Факторы, влияющие на развитие βклеток

Сигнальный путь Notch

  • Семейство рецепторов Notch представлено трансмембранными факторами транскрипции.
  • Активированный внутриклеточный домен членов семейства Notch-белков взаимодействует с ДНК-связывающим протеином RBP-Jk, таким образом, запуская экспрессию основного участка «спираль-петля-спираль» (bHLH) HES генов.
  • Это, в свою очередь, подавляет экспрессию следующих генов.
  • Экспрессия белков семейства Notch в дифференцированных клетках угнетает фенотипирование определённых близлежащих клеток путём латерального ингибирования.
  • Клетки, нечувствительные к воздействию Notch, специализируются.
  • Только в отношении сигнальных факторов Notch можно с уверенностью сказать, что они определяют судьбу клеток поджелудочной железы.
  • В случае их отсутствия βклетки проходят дифференцировку, приобретая свойства зрелых, такие как:
    • экспрессия GLUT – 2, GLUT – 1, глюкокиназы;
    • секреция инсулина.
  • При экспрессия Notch-белков развитие клеток поджелудочной идёт по экзокринному пути.
  • В ходе исследования клеточных линий найдены другие факторы, ассоциированные с развитием βклеточного ростка:
    • Mafb;
    • Isl-1;
    • Pax6;
    • Pax-4;
    • HIxb9;
    • NKx2.2;
    • Nkx6.1.
  • Как было упомянуто выше, некоторые факторы являются общими регуляторами развития разных клеточных линий островков Лангерганса, однако, количество экспрессируемых молекул специфично для того или иного ростка.

Клетки-предшественницы

  • С тех пор, как было установлено, что протоковые клетки, окружающие островки Лангерганса могут генерировать новые βклетки и, вероятно, другие типы клеток тоже, среди учёных начались споры о неогенезе.
  • Неогенез или регенерация эндокринных βклеток встречается внутри группы эпителиальных экзокринных протоковых клеток.
  • Процесс запускается, когда часть эндокринных клеток-предшественниц, окружённых протоковыми, путём «отпочковывания» начинают экспрессировать ростковый маркёр, известный как нейрогенин 3 (Ngn3).
  • Клетки могут отделиться от цепи протоковых клеток, после чего они формируют характерные аггрегаты и инсулин-секретирующие островки.
  • Дальнейшие исследования показали, что из клеток-предшественниц могут образовываться все эндокринные клетки поджелудочной железы, включая альфа, бета и эпсилон — клетки.fphar-07-00083-g0002

Нейтрогенин-3

  • Впервые белок нейтрогенин был обнаружен у мышей и шпорцевых лягушек.
  • Семейство представлено нейтрогенином-1 (Ngn1), нейтрогенином-2 (Ngn-2) и нейтрогенином-3 (Ngn-3).
  • Ngn-1 и Ngn-2 обнаружены в нервной системе, Ngn-3 характерен для эндокринных клеток поджелудочной железы.
  • Нейтрогенины — факторы транскрипции, контролирующие экспрессию больших групп генов, которые непосредственно участвуют в неогенезе.
  • Нейтрогенин принадлежит к семейству основных факторов транскрипции, экспрессируемых с участка «спираль-петля-спираль» (bHLH): некоторые представители группы являются факторами, определяющими направление дифференцировки и процесс формирования клеточных сублиний.
  • Нейтрогенин — 1 из наиболее ранних регуляторов нейрогенеза у позвоночных.
  • Экспрессия Ngn3 контролируется белками группы Notch, а Ngn-3, в свою очередь, влияет на факторы транскрипции:
    • Nkx2.2;
    • Pax-4;
    • NeuroD.
  • Все эти молекулы определяют дифференцировку и фенотипирование βклеток.
  • В ходе исследований, где прослеживалось направление дифференцировки клеточных линий, зарегистрировано, что экспрессия Ngn-3 клетками-предшественницами непостоянна и именно его уровень влияет на процесс специализации.

Исследование направления клеточной дифференцировки

  • Метод разработан для выявления индивидуальной клеточной специализации.
  • Наиболее широко применяемый метод — Cre-lox рекомбинация или сайт-специфичная рекомбинантная технология.
  • Он основан на применении белка рекомбиназы Cre, за счёт которого осуществляется перестановка пар коротких последовательностей, а именно, lox – последовательностей.
  • Данная система позволяет вводить или удалять генные маркёры, которые могут быть выявлены в ходе клеточного развития; она широко применяется для мечения βклеток.
  • Также, существуют новые методы, например, окрашивание специфических клеток с помощью вирусов.

Образование βклеток

  • У грызунов процесс образования массы βклеток протекает с высокой скоростью на зародышевой стадии и стадии новорожденности.
    • По мере взросления особей он существенно затормаживается. Аналогичная картина наблюдается в человеческом организме.
  • В ходе исследований на мышах с использованием митотического индекса установлено, что 10-20% βклеток образуется путём простого клеточного деления.
  • Митоз прекращается, когда зрелые клетки, секретирующие инсулин, начинают определяться в островках; на этой стадии они окончательно дифференцируются.
  • Приблизительно 80% массы βклеток формируется на зародышевой стадии.
    • Считается, что в основе этого процесса лежит специализация недифференированных клеток-предшественниц и/или преобразование неэндокринных клеток в эндокринные.
  • Результаты исследований, проведённых на животных, показали, что по мере взросления особей βмасса, в основном, увеличивается за счёт репликации клеточных линий, конверсии и неогенеза не происходит.
    • Данное наблюдение принципиально, т. к. накладывает ограничения на поиск возможного субстрата образования βклеток.
  • Неблагоприятное влияние на формирование βклеточной массы оказывает апоптоз.
    • Транзиторный апоптоз βклеток характерен для стадии новорожденности у свиней, людей и грызунов. В результате, число клеток, способных к делению на более поздних стадиях, уменьшается.
  • Ещё один фактор, уменьшающий βмассу, — большое число клеток-предшественниц, «замерших» в стадии покоя и не годных к дифференцировке.
    • В контексте обсуждения сахарного диабета данное состояние получило название дедифференцировки.
  • Таким образом, человек рождается с ограниченным набором βклеток. Увеличение их количества происходит, преимущественно, путём митоза.
  • Ожирение может привести к увеличению b-массы.
  • На сегодняшний день, факторы и сигналы, определяющие динамику роста и смерть βклеток при ожирении, не ясны и требуют дальнейшего изучения.

Совместный клеточный рост

  • Рост клеток поджелудочной железы — часть группового процесса взаимодействия, обеспечивающего также развитие и созревание клеток.
  • В результате исследований на животных стало известно, что соседние клетки могут влиять на массу друг друга несколькими способами.
    • Например, в работе Plesner с соавт. сообщается о ранее неизвестной аутоиммунной деструкции βклеток, спровоцированной активностью соседних альфа-клеток. Он приводит к уменьшению βмассы и возникновению гиперкликемии.
    • Другой пример — небольшого размера белок, ассоциированный с островковым неогенезом (INGAP), секреция которого осуществляется ациноцитами.
      • Этот протеин относится к семейству Reg – белков. Их функция заключается в регуляции неогенеза и пролиферации.
    • При инкубации INGAP с человеческими стволовыми клетками, выделенными из жировой ткани, адипоциты дифференцировались в островково-подобные группы.
    • Более того, после имплантации полученных островково-подобных кластеров крысам, больным СД 2 типа, отмечалось улучшение глкемических показателей и клинической картины.
    • В условной трансгенной модели, в которой INGAP экспрессировался экзокринными клетками поджелудочной железы, у мышей отмечались нормальные гликемические показатели, при этом ответ на диабетогенную дозу стрептозоцина улучшился.
  • Возможные механизмы протективного действия INGAP:
    • уменьшение уровня оксидативного стресса;
    • плейотропные свойства.
  • Недавно INGAP привлёк внимание учёных как компонент βклеточного экзогенеза и компонент механизма, поддерживающего секрецию инсулина.
  • Имеются данные, что этот белок также улучшает клинические показатели.
    • У пациентов с СД 2 типа он нормализует гликемический профиль и увеличивает продукцию инсулина.
    • Применение INGAP также эффективно при СД 1 типа.
    • В настоящее время правительством США зарегистрировано несколько клинических исследований, в которых изучается этот белок.

Трансдифференцировка

  • Этот термин обозначает процесс генерации βклеток из клеток других клеточных линий.
  • С научной точки зрения, идея преобразования клеток с ранее детерменированным путём развития в инсулин-секретирующие клетки кажется довольно смелой. Это направление ещё недостаточно изучено.
  • На сегодняшний день, имеется достаточно данных в пользу существования трансдифференцировки зрелых клеток, в частности, протоковых клеток и ациноцитов в βклетки.
  • В этом отношении применение ациноцитов наиболее перспективно. Тем мне менее,не стоит забывать про эксперименты со стволовыми клетками, выделенными и запрограммированными на трансформацию в β.

Факторы Яманаки

  • Получение индуцированных плюриопотентных стволовых клеток (иПСК)-1 из наиболее перспективных недавних открытий в области клеточной биологии.
  • Согласно протоколу исследования в зрелые клетки внедряли 4 гена, кодирующих следующие 4 факторы транскрипции:
    •  KLF-4;
    • Oct-4;
    • SRY;
    • MYC (c-Myc).
  • Благодаря этим генам зрелые клетки трансформировались в плюриопотентные стволовые.
  • Идея получения любого клеточного ростка через прохождение этапа преобразования в стволовые клетки чрезвычайна перспективна. Она сулит практически неограниченные возможности.
    • За это открытие в 2012 году Shinya Yamanaka удостоился Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
    • С тех пор, Yamanaka опубликовал протокол своей работы, были проведены ещё несколько исследований, доказавших возможность получения инсулин-секретирующих клеток из зрелых клеток.
  • Сегодня протокол получения обогащённой βкультуры продолжает уточняться.
  • В частности наиболее актуальными вопросами являются
    • риск контаминации,
    • высокая частота апоптоза.

Зрелые человеческие βклетки

  • Прорыв Yamanaka приоткрыл двери к исследованию пластических свойств поджелудочной железы, а также факторов транскрипции (кроме тех, которые управляют клеточным неогенезом).
  • Их список представлен:
    • Foxo1;
    • Zbed6;
    • Pdx1;
    • Ngn3;
    • MafA;
    • Pax4;
    • PPRβ/δ;
    • Arx;
  • включая также некоторые белки:
    • Txnip;
    • Sh2b1.
  • При изучении пролиферации βклеток в моделируемых физиологических условиях были получены крайне противоречивые результаты.
  • Например, при выделении культуры βклеток у детёнышей мышей (возраст: 8 недель) и последующей инкубации с человеческим ГР и лираглитидом, агонистом рецепторов глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1), (препарат, рекомендованный FDA для лечения СД 2 типа) была получена интенсивно пролиферирующая масса инсулин-секретирующих клеток.
  • В тех же экспериментальных условиях при инкубации выделенных у взрослых человеческих доноров (16-64 лет) βклеток пролиферация не отмечалась.
  • Вероятно, клетки взрослого человека имеют ограниченную способность к пролиферации.
  • Кроме того, генетические исследования показали, что конверсия и наличие стволовых клеток у взрослых весьма условны или не существуют совсем.
    • Исключение составляют ацинарные клетки — прямое потомство эмбриональных плюриопотентных клеток-предшественниц.
  • При определённых состояниях, таких, как ожирение, βмасса может увеличиваться в объёме.
  • После рождения пролиферация βклеток носит ограниченный характер;
    • существенное увеличение βклеточной массы, вплоть до 50%, наблюдается у лиц, страдающих ожирением.
  • Сегодня этот уникальный механизм рассматривается в качестве компенсаторного при гипергликемии и уменьшении βклеточной массы.
  • Также, есть данные, свидетельствующие о существовании разновидности βклеток с резервной способностью к делению или же с «волшебной меткой», фактором, экспрессирующемся при развитии ожирения.
  • Протокол Yamanaka, а также другие исследования in vitro в этой области обещают новые возможности получения βмассы, которую можно будет в дальнейшем использовать для восстановления ткани поджелудочной железы и трансплантации клеток для лечения диабета.

β-клетки и диабет

  • Основная функция βклеток — определять потребность в инсулине и секретировать его в количестве, необходимом для поддержания физиологической нормогликемии, независимо от давности приёма пищи.
  • Патофизиологические механизмы развития диабета запускаются, когда уровень инсулина недостаточен для нормализации показателей глюкозы крови и развивается гипергликемия.
  • Сахарный диабет 1 типа возникает вследствие аутоиммунной деструкции βклеток, таким образом, ведение таких пациентов основано на:
    • заместительной инсулинотерапии;
    • сохранении чувствительности тканей к инсулину;
    • контроле массы тела.
  • Причина развития СД 2 типа отличается и представляет комбинацию уменьшения βклеточной массы и увеличение инсулинорезистентности (ИР).
  • Снижение βмассы подтверждено исследованиями на животных, страдающих диабетом и ожирением.
  • При деструкции βклеток химическими агентами или генетическими манипуляциями, как в трансгенной модели или модели с выключением генов, конечными результатами являются уменьшение βмассы и гипергликемия.
  • В ходе исследований на животных было показано, что при снижении количества клеток ниже 10 миллиона на кг m тела появляются симптомы нарушения толерантности к глюкозе и, в дальнейшем, гипергликемии.
  • Наиболее удобная модель для изучения вышеописанных процессов — поджелудочная железа с перевязанными протоками.
  • Доказано, что симптомы гипергликемии развиваются при удалении 90% железы, более того, поджелудочная впоследствии существенно регенерирует.
  • Восстановительные процессы в экспериментальной модели начинаются уже через 60 ч после после выполнения манипуляций.
  • Лигирование поджелудочной железы (перевязка хвоста) приводит к значительному уменьшению размера органа (50-60%). Вследствие этого β-масса в области хвоста увеличивается почти в 2 раза.
  • В 60% случаев парциальная панкреатэктомия у мышей вызывала аналогичные регенеративные процессы.
  • Они характеризуются увеличением альфа — и бета-клеточных популяций, а также островковых скоплений и повышенной экспрессией глюкозного транспортёра (GLUT-2) в протоковых клетках.
  • С помощью мечения установлено, что в ходе β-клеточного неогенеза в протоковых клетках существенно возрастает пролиферация.
  • Также, из клинических наблюдений известно, что при опухолях поджелудочной железы и панкреатитах панкреатэктомия может активировать репарацию и способствовать, таким образом, восполнению гомеостаза β-клеток.
  • Регенеративные возможности β-клеток также изучаются на моделях поджелудочной железы с выполненной химической аблацией β-массы или же на генетически-изменённых органах.
  • Последняя наиболее удобна в этом отношении в связи с тем, что время проведения аблации регламентировано.
    • В качестве примеров можно привести экспрессию дифтерийного токсина в β-клеточной модели под действием доксициклина, а также RIP-рецептор дифтерийного токсина у мышей.
  • Помимо вышеописанных существуют модели с выключенными генами и трансгенные модели, в которых изменены лишь отдельные точечные участки.
  • Резюмируя все имеющиеся данные об особенностях патогенеза СД 2 типа, можно сказать, что ключевая задача сегодняшних исследований в области диабетологии — найти способ увеличения количества β-клеток.

Диабет вызывает гибель β-клеток

  • Прорывом в отношении патогенеза диабета стало исследование Butler et al.
  • Авторы изучили 124 образца поджелудочной железы, изъятых в ходе аутопсии у 4 групп пациентов:
    1. имевших СД 2 типа;
    2. без нарушений углеводного обмена;
    3. нарушенным уровнем глюкозы крови натощак;
    4. с СД и без избыточной массы тела.
  • Исследовались следующие параметры:
    • частота апоптоза и репликации;
    • β-клеточный/островковый объём;
    • образование новых островков.
  • Учёными впервые были описаны изменения в поджелудочной железе после манифестации сахарного диабета:
    • β-клеточный объём значительно снижается ( примерно на 40-63%) (P < 0,05) у лиц с уже развившемся заболеванием и у пациентов с нарушением толерантности к глюкозе по сравнению с контрольной группой.
  • В исследовании описаны 2 важных наблюдения:
    1. у пациентов с СД частота апоптоза в 3-10 раз выше;
    2. во всех исследуемых группах в протоковой системе поджелудочной зафиксированы неогенез или пролиферация β-клеток.
  • Исследование достаточно мощное (включает большую выборку) и проливает свет на механизм смерти β-клеток при СД.
  • В исследовании Butler et al. также впервые установлен факт возможности регенерации человеческих β-клеток.
  • Получены данные, подтверждающие способность β-клеток чутко реагировать пролиферацией на увеличение потребности в инсулине.
  • В ходе ранее проведённого исследования было зарегистрировано увеличение β-клеточной массы на 40% как у лиц, страдающих ожирением в сочетании с СД 2 типа, так и без диабета.
  • По всей видимости, прирост β-массы у людей с ожирением является компенсаторным механизмом.
  • Его запуск провоцируется повреждением β-клеток и их последующей смертью вследствие хронической гипергликемии.
  • Цикл функционирует вплоть до истощения способности поджелудочной железы генерировать новые клетки.
  • Уменьшение пула β-клеток — медленный и длительный процесс; считается, что клетки начинают гибнуть за 10-12 лет до постановки диагноза.

Причина гибели клеток — гипергликемия

  • Известно, что гипергликемия является основной причиной развития диабета и его осложнений.
  • Гликемический гомеостаз зависит от целого ряда гормонов, белков, нейротрансмиттеров и инсулина (последний наиболее важен).
  • У здоровых людей инсулин обеспечивает нормальные показатели глюкозы крови.
    • При СД 1 типа инсулин не вырабатывается и показана заместительная терапия.
    • При СД 2 имеется инсулиновая недостаточность.
  • Тем не менее, существуют другие гормоны, контролирующие показатели глюкозы крови.
    • Например, глюкагон. Он секретируется альфа-клетками поджелудочной железы и способствует увеличению высвобождения глюкозы печенью.
    • В норме, глюкагон поддерживает значения глюкозы крови в физиологическом диапазоне.
  • Путём воздействия агонистами глюкагона на специфические рецепторы глюкагоноподобным пептидом (ГПП-1) или ингибиторами дипептидилпептидазы (иДПП-4) можно снизить уровень этого гормона, выраженность гипергликемии и ассоциированные с ней риски.
  • Инкретин или глюкозозависимый инсулинотропный полипептид (ГИП) — ещё 1 гормон, участвующий в поддержании гомеостаза глюкозы: он способствует секреции глюкагона и развитию гипергликемии.
  • Ингибиторы натрий-глюкозного котранспортёра 2 типа (SGLT2-i) — другой класс препаратов, непосредственно снижающий уровень гипергликемии.
    • Данная фармакологическая группа представлена:
      • дапаглифлозином;
      • эмпаглифлозином;
      • канаглифлозином;
      • глифлозином.
    • Механизм действия заключается в блокировании реабсорбции глюкозы в проксимальных трубочках почек.
    • Доказано положительное воздействие препаратов на гликемические показатели и снижение массы тела у больных диабетом животных.
  • При экспериментальном выключении генов SGLT2 отмечено, что прекращение абсорбции глюкозы в почках способствует сохранению β-клеточной популяции.
  • Также известно, что при применении SGLT2 блокаторов β-клетки не утрачивают свою функцию.
    • Тем не менее, FDA заявило о возрастающей частоте случаев кетоацидоза на фоне применения препаратов данной фармакогруппы. В связи с чем необходимо изучать эффекты долговременной терапии SLGT-2 ингибиторами.

Гипергликемия и апоптоз

  • Причины гибели βклеток различны:
    • глюкозотоксичность (обусловлена гипергликемией и продуктами углеводного обмена);
    • липотоксичность (за счёт ТАГ, ЛПНП, Хс, продуктов окисления);
    • действие провоспалительных медиаторов (цитокинов).
  • Среди всех вышеперечисленных факторов гипергликемия — наиболее важный, она специфична для сахарного диабета, более того, является неоспоримым свидетельством нарушения углеводного обмена.
  • Хроническая гипергликемия сама по себе может вызывать смерть βклеток в выделенной культуре, у животных и у человека (по данным аутопсии).
  • Несмотря на то, что механизмы запрограмированной гибели клеток хорошо изучены, сигнальные каскады и пути известны; способ, при помощи которого гипергликемия запускает апоптоз при диабете, полностью не ясен.
  • Апоптоз в βклеточной культуре при гипергликемии дозозависим.
  • Этот факт, а также факт зависимости уровня апоптоза от времени экспозиции были доказаны при сравнении его в условиях экспрессии MIN6N8 (инсулиномы), когда гипергликемия составляла 33.3 ммоль/л с уровнем клеточной гибели при 5.5 ммоль/л. В первом случае апоптоз был значительно более выражен.
  • Также известно, что хроническая гипергликемия активирует проапоптозные Bad гены.
  • Гены Bad характеризуются 2 функциями: они одновременно запускают экспрессию апоптозных генов и угнетают сигнальные пути, обеспечивающие выживание клеток.
  • Активация этих генов сопряжена с процессом фосфорилирования.

Митохондрии непосредственно участвуют в апоптозе, однако конкретные сигналы, способствующие гибели клеток, пока недостаточно изучены.

  • Процесс запрограмированной гибели клеток включает множество механизмов:
    • деполяризация наружной мембраны митохондрий;
    • открытие поры во внутренней мембране, изменяющей её проницаемость (PTP);
    • выделение цитохрома c;
    • выброс Ca 2+ из митохондриального депо;
    • выделение 50 кДа фактора, обусловливающего апоптоз.
  • Более того, апоптоз βклеток может запустить различные факторы, например:
    • соответствующие сигналы окружающих клеток;
    • энергетические субстраты митохондрий;
    • некоторые метаболиты, например, неорганические фосфаты.
  • Для того, чтобы лучше понять этиологию апоптоза βклеток при СД механизмы классифицировали в соответствии с:
    • причиной;
    • отношением к наружной мембране (внутренние и внешние причины).
  • Например, запрограммированная гибель клеток может быть вызвана:
    • гипергликемией;
    • ожирением;
    • воспалительными медиаторами;
    • β-амилоидными белками.
  • Перечисленные причины по-отдельности или в комбинациях способны вызывать апоптоз, причём роль гипергликемии в этом процессе наиболее существенна.
  • СД 2 типа — прогрессирующее заболевание, при котором пациенты часто испытывают гипергликемические состояния, и каждый новый эпизод увеличивает уровень апоптоза βклеток.

В клинической практике все препараты, применяющиеся для лечения СД 2 типа так или иначе снижают гликемические показатели. Вопрос в том, могут ли они при этом сохранить βпул.

  • Некоторые из них, помимо гипогликемического действия, обладают способностью снижать апоптоз βклеток.
    • Так, свою эффективность в этом отношении в случае апоптоза, вызванного совокупностью факторов гипергликемии доказали тиазолидиндионы.

Стресс эндоплазматического ретикулума; роль митохондрий

  • Производство энергии митохондриями связано с работой 2 механизмов:
    • дыхательной цепи переноса электронов (ЭТЦ);
    • окислительного фосфорилирования.
  • Они конкурируют с процессами передачи протонов и электронов. Последние способствуют образованию активных форм кислорода.
  • К активным формам кислорода относятся:
    • свободные радикалы:
      • супероксид-ион (O2);
      • гидросксильный радикал (OH−);
      • окись азота (NO−);
    • молекулярные формы:
      • пероксид водорода (H2O2);
      • атомарный кислород (O2);
      • хлорноватистая кислота (HOCl);
      • пероксинитрит (NO3).
  • Считается, что базовый уровень ROS может служить физиологическим сигналом.
  • Однако, если продукция активных форм кислорода выходит за нормальные пределы, определённые клеточной ёмкостью; они могут существенно повреждать компоненты клеток, в том числе митохондрии, с помощью:
    • перекисного окисления липидов;
    • окисления белков;
    • мутаций ДНК.
  • В поджелудочной железе ROS обусловливают гибель βклеток посредством:
    • повреждения структур, обеспечивающих синтез инсулина;
    • истощения запасов АТФ, необходимых для этого процесса.
  • В ходе экспериментов на животных установлена взаимосвязь между наличием СД 2 типа и продукцией свободных форм кислорода.
  • В исследованиях in vitro выявлены другие признаки недостаточности βклеток:
    • значительное уменьшение запасов АТФ;
    • смерть клеток.
  • В ходе многих клинических исследований говорится о корреляции между наличием гипергликемии и выработкой ROS; βклетки, в частности, имеют малую устойчивость к оксидативному стрессу в связи с наиболее низкой экспрессией антиоксидантов:
    • супероксиддисмутазы (СОД);
    • каталазы;
    • глутатионпероксидазы.
  • Более того, известно, что сверхэкспрессия антиоксидантов, например, глутатионпероксидазы-1 (Gpx-1) у животных с СД 2 обеспечивает защиту против вызванного гипергликемией оксидативного стресса.
  • Результаты некоторых испытаний на животных и исследований in vitro свидетельствуют об уменьшении повреждения клеток при диабете вследствие действия определённых антиоксидантов.
  • Говоря более конкретно, путём влияния на митохондрии, антиоксидант митохинон (MitoQ) защищает βклетки от апоптоза, вызываемого глюкозотоксичностью.
  • Митохинон — представитель нового класса антиоксидантов, фармакологическими мишенями которых являются митохондрии: производные убихинона в высоких концентрациях накапливаются в митохондриальном матриксе.
  • Ещё одно вещество, воздействующее на митохондрии, — b — ингибитор протеинкиназы С для орального применения (PKCI). Изучалось воздействие этих препаратов на риск возникновения осложнений СД.
  • Сообщается, что рубоксистаурин — эффективное средство профилактики развития ретинопатии, нефропатии и периферической нейропатии.
  • Однако, данные об эффективности рубоксистаурина неоднозначны. Существуют исследования, в которых изучались эффекты этого препараты наряду с другими неспецифическими антиоксидантами: витаминами С, Е, ко-энзимом Q10, альфа-липоевой кислотой, L-карнитином, — в ходе их применения существенные клинические преимущества не отмечались.
  • Фармакодинамика PRCIs, на сегодняшний день, недостаточно изучена.
  • Рубоксистаурин пока не зарегистрирован FDA, т. к. требуются дальнейшие исследования и доказательства его эффективности.
  • Сомнения относительно эффективности PKCI также основаны на факте участия киназ в реализации практически всех клеточных функций, при этом поиск секлективного ингибитора изо-фермента представляется достаточно сложной задачей.
  • Роль протеинкиназы и возможности ингибиторов этого фермента в βклетках пока не полностью изучены.
  • Тем не менее, полагают, что сверхэкспрессия ПКС-дельта усиливает βклеточную пролиферацию путём усиления фосфорилирования p21.
  • Более того, в условиях стресса ПКС-дельта выполняет проапоптозную функцию и может вызвать смерть βклеток.

Аутофагия

  • Клеточное повреждение и апоптоз ассоциированы с аутофагией — процессом удаления из клетки повреждённых органелл путём лизосомальной деградациии и образования новых на их месте.
  • Считается, что некоторые болезни, в том числе и диабет, имеют множественную этиологию. В частности, среди причин называют аутофагию.
  • В ходе исследований, изучающих взаимосвязь между диабетом и аутофагией у людей установлено, что, если βклетки и клетки островков Лангерганса подвергаются воздействию гипергликемии или гиперлипидемии, аутофагия прекращается.
  • Это приводит к накоплению в клетках окисленных, повреждённых или неправильно «свёрнутых» белков.
  • Впоследствии также отмечается гибель βклеток в результате оксидативного стресса.
  • Процесс аутофагии регулируется различными сигналами.
  • Особое значение в работе механизма имеют белки mTOR сигнальных комплексов 1 и 2 (mTORC1 и mTORC2).
  • Эти белки представляют собой киназы, участвующие в нескольких клеточных процессах, например, в:
    • формировании инсулинрезистентности (ИР);
    • адипогенезе;
    • ангиогенезе;
    • аутофагии.
  • Считается, что описанные киназы усиливают активность при определённых заболеваниях и играют роль в возникновении дисфункциональной аутофагии.
  • При инкубации βклеток с рапамицином в них запускается процесс аутофагии, а также появляются признаки нарушения углеводного обмена.
  • При инкубации βклеток с 3-метиладенином — ингибиторами аутофагии, жизнеспособность клеток восстанавливается.
  • Недавние исследования на животных показали, что имеется корреляции между манифестацией диабета и:
    • неправильным «сворачиванием» белка;
    • аномальной аутофагией;
    • стрессом эндоплазматического ретикулума (ЭПР).

Дефектный фолдинг

  • В последние годы дефектный фолдинг в ЭПР рассматривается как причина нескольких хронических заболеваний, в том числе:
    • сахарного диабета;
    • неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП);
    • рака;
    • болезни Альцгеймера.
  • Функции ЭР:
    • депонирование Ca;
    • фолдинг белков;
    • строительная;
    • биосинтетическая;
    • синтез инсулина (в ЭР βклеток).
  • Мысль о том, что стресс ЭР — часть патогенеза сахарного диабета возникла после проведения серии испытаний.
    • В ходе них установлено, что при наличии предиабета проинсулиновый синтез в βклетках протекает более активно, и за счёт этого нарушается фолдинг белков. Неправильно свёрнутые белки накапливаются в ЭР, вызывая стресс.
  • На предиабетической стадии встречаются следующие процессы:
    • инсулинрезистентность (ИР);
    • сверхэкспрессия проинсулина;
    • раскрученные молекулы белков в просвете ЭР.
  • Считается, что накопление белков с нарушенной трёхмерной структурой:
    • вызывает в βклетках стресс ЭР;
    • ассоциировано с дисфункцией аутофагии (невозможностью выведения дефектных белков);
    • связано с повышенным образованием активных форм кислорода;
    • приводит к апоптозу и смерти b-клеток.
  • Фактор стресса активирует соответствующие сигнальные молекулы, которые впоследствии запускают работу нижележащих структур — этот процесс называется реакцией несвёрнутых белков (РНБ).
  • Трансмембранные киназы IREI и PERK и фактор транскрипции ATF6 распознаются сенсорными образованиями мембраны; в случае стресса киназы сигнализируют о прекращении трансляции, увеличении фолдинга белка, клеточной аутофагии и необходимости запуска апоптоза.
  • Последний из перечисленных процессов регулируется через активацию:
    • CCAAT/ гена-усилителя, связывающего гомологичный протеин;
    • проапоптозных сигнальных киназ — с помощью них организм обеспечивает циклические превращения повреждённых белков.
  • Все описанные механизмы обеспечивают регенерацию в клетках и сохранение их жизнеспособности.
  • Понимание сути происходящих процессов можно использовать в терапевтических целях.
  • Например, противостоять стрессу ЭР позволяет применение лираглутида (препятствует стресс-ассоциированному апоптозу βклеток).
  • В результате каскадов, вызванных ЭР стрессом, часто возникает гипергликемия, повышается высвобождение СЖК и воспалительных цитокинов.
  • Митохондрии и ЭР — основные регуляторы уровня содержания внутриклеточного кальция.
  • Любое воздействие на депо Ca или гомеостаз активирует каскад патологических процессов, нарушающих нормальный метаболизм и ведущих к клеточной смерти.
  • При изменении внутриклеточного содержания кальция свойственные βклеткам функции нарушаются. Так, например, от уровня Ca зависит экзоцитоз инсулина в гранулах — механизм, который часто не работает при СД.
  • Процесс секреции инсулина также зависит от уровня глюкозы крови и содержания Сa.
  • Последнее регистрируется Ca-зависимыми каналами. С помощью них происходит активация некоторых киназ. Кроме того, каскад, регулирующий секрецию инсулина, функционирует благодаря Ca2+/ кальмодулин-зависимым протеинкиназам II (CaMKII).
  • Активность CaMKII строго коррелирует с наличием симптомов сахарного диабета; ингибирование комплекса этого фермента вызывает нарушения толерантности к глюкозе.
  • Сa в βклетках откладывается в митохондриях и ЭР — поражение этих органелл существенно нарушает и уровень Ca, и секрецию инсулина.

Трансплантация βклеток и пластичность поджелудочной железы

Сегодня диабетология развивается в 2х направлениях:

  1. поиск факторов, позволяющих сохранить βклеточный пул, для СД 2 типа. Уже найдены:
    • агонист амилина прамлинтид;
    • агонист рецепторов ГЛП-1;
    • ингибиторы ДПП-4;
    • некоторые другие вещества изучаются.
  2. поиск способов увеличения βмассы in vitro с единственной целью их трансплантации.
    • Наиболее успешный пример описан в протоколе Edmonton: была проведена пересадка островков Лангерганса пациенту с СД 1 типа.
    • В этой области удалось многого добиться, например, сегодня возможна трансплантация биосинтетической поджелудочной железы. Защиты от действия собственной иммунной системы реципиента добились с помощью применения технологии βAir.
    • В настоящее время, метод продолжает изучаться.
    • Изначально предполагалось применение трансплантации поджелудочной у пациентов с СД 1 типа, однако в ходе исследований на животных была доказана возможность использования этого метода при СД 2.

Заключение

  • Сахарный диабет — хроническое метаболическое расстройство, представляющее собой большую эпидемическую проблему.
  • Патогенез этого заболевания вращается вокруг феномена запрограмированной клеточной гибели.
  • При планировании любого исследования обязательно учитываются факторы нормального роста βклеточной массы и её патофизиология.
  • Клетки поджелудочной железы взаимно влияют на выживаемость друг друга; их рост определяется сигнальными воздействиями, сказывающимися на клеточном развитии и фенотипировании.
  • У взрослого человека запас βклеток ограничен; при возникновении диабета их пул постоянно уменьшается.
  • Процессы восполнение клеточного запаса или же замещение его путём трансплантации требуют дальнейшего изучения. Необходимо также выяснить точные механизмы гибели b-клеток и список факторов, препятствующих пролиферации.
  • Некоторые фармакологические вещества доказали свою эффективность в отношении восстановления βмассы.
  • Тем не менее, применение многих из них связано с возникновением неблагоприятных побочных эффектов.
  • Сегодня считается, что ключевую роль в реализации программ клеточной гибели играют митохондрии.
  • В связи с этим, необходимо подробно изучить протекающие в них механизмы, а также выяснить, за счёт каких митохондриальных молекул обеспечивается защита секреторной способности βклеток.
  • Понимание взаимосвязи смерти βклеток с ожирением, гипергликемией и другими причинами позволит разработать более специфичное лечение для сохранения их массы.

Источник: 

1. Marrif HI, Al-Sunousi SI. Pancreatic β Cell Mass Death. Front Pharmacol. 2016;7:83. doi:10.3389/fphar.2016.00083.

Поделиться

Leave a Comment