INSULINOOPORNOŚĆ

OD PATOGENEZY

DO KLINIKI

Dr hab. n. med.

Magdalena Olszanecka-Glinianowicz

Definicja

Stan upośledzonej odpowiedzi biologicznej
tkanek na insulinę endogenną lub egzogenną

zarówno w zakresie
- metabolizmu węglowodanów, lipidów i białek,

jak też działania mitogennego insuliny -
wpływ na procesy:
- różnicowania i wzrostu komórkowego,
- syntezę DNA,
- ekspresję genów.

Rodzaje insulinooporności

• Przedreceptorowa

- zespół mutowanej insuliny, w którym wykazano

genetycznie uwarunkowaną nieprawidłową
budowę cząsteczki insuliny. W zespole tym
stwierdza się prawidłową reakcję na insulinę
egzogenną, natomiast występuje
insulinooporność w stosunku do endogennej,
zmienionej cząsteczki insuliny.

- Nadmiar hormonów działających

przeciwstawnie do insuliny:

a) zespół Cushinga;

b) Akromegalia;

c) Nadczynność tarczycy;

d) Guz chromochłonny

• Receptorowa

- Zaburzenia czynności;

- Zmiany w strukturze;

• Postreceptorowa

-

Zaburzenia procesów sygnalizujących

przyłączenie insuliny do receptora
insulinowego;

- Zaburzenia struktury i funkcji transporterów

glukozy do wnętrza komórki;

- Sytuacje kliniczne prowadzące do

zwiększenia lipolizy.

Metaboliczne skutki niedoboru

insuliny

• wzmożenie lipolizy,
• nasilenie ketogenezy,
• zahamowanie glikolizy,
• nadmierna glikogenoliza i glukoneogeneza

Geny kandydaci – odpowiedzialne

za rozwój insulinooporności

Monogenowe formy

insulinooporności

Poligenowa predyspozycja

do insulinooporności

• Wiek
• Płeć
• Niska aktywność fizyczna
• Dieta wysokokaloryczna
• Nadwaga i otyłość
• Stosowanie leków o działaniu diabetogennym

(glikokortykosteroidy, diuretyki tiazydowe, inhibitory
proteazy HIV, doustne leki antykoncepcyjne, diuretyki
pętlowe, blokery kanału wapniowego

• Alkohol
• Palenie tytoniu
• Ciąża

Czynniki środowiskowe

a insulinooporność

• Należy do rodziny receptorów

posiadających aktywność kinazy
tyrozynowej.

- Wyróżnia się 3 homologiczne receptory:

- insulinowy

- dla IGF-1

- związany z receptorem insulinowym–IRR

Receptor insulinowy

• Występują 2 izoformy receptora

insulinowego:

- A w OUN oraz tkankach płodowych

- B w wątrobie, mięśniach, tkance

tłuszczowej

insulina

Fosforylacja

reszt

tyrozynowych w

białkach

substratowych

(IRS 1-4, Gab-1,

p60dok, Cbl,

ASP, izoformy

białka Sbc

Ufosforylowane

reszty tyrozynowe

w białkach

substratowych

stanowią tzw.

miejsca

kotwiczące dla

białek

wykazujących

aktywność SH2

Pobudzenie

szlaków

sygnalizacji

insuliny

związanych

z

PI-3K

i MAPK

• MAPK (białkowa kinaza aktywowana

mitogenami) szlak ten pośredniczy w
przekazywaniu do jądra komórkowego
sygnału mitogennego – procesy
wzrostu, różnicowania i proliferacji
komórek pod wpływem insuliny.

• PI-3K (3-kinaza fosfatydyloinozytolu) –

szlak zaangażowany w metaboliczną
odpowiedź na insulinę.

Aktywacja szlaku PI-3K

insulina

Receptor

insuliny

Białka

IRS 1-2

MAPK
kinaza

Mitogeneza

p85

P

100

PI -3K

PDK

1

PKB/

Akt

PKC

GLUT4

Transport

glukozy

Synteza

glikogenu

Synteza

białek

Komórkowy tryb działania

insuliny na metabolizm glukozy

Rola wątroby w rozwoju

insulinooporności

glikogenoliza

glukoneogeneza

Insulina

Glukagon

Adrenalina

Kortyzol

Wątrobowa synteza glukoza na czczo

wynosi 1.8 – 2.2 mg/min/kg m.c.

40-50% glukozy wydzielanej przez wątrobę
powstaje w procesie glikogenolizy
a reszta w procesie glukoneogenezy.

Wychwyt glukozy przez wątrobę zależy od

jej stężenia we krwi i od gradientu stężeń
glukozy przez błonę komórkową
hepatocyta.

Insulina

Aktywacja

glukokinazy

Fosforylacja

glukozy

Cykl kwasów

trójkarboksylowych

Synteza

glikogenu

estryfikacja kw.

tłuszczowych do TG

chylomikrony

20%

Kwasy

tłuszczowe

Synteza de novo

z acetylo –Co-A

TG

Lipoproteiny

głównie VLDL

INSULINA

• Wątroba jest głównym narządem

wydalającym z organizmu cholesterol.
Zasadniczą rolę odgrywają tu powstające
w wątrobie i jelicie HDL, które przejmują
cholesterol z powierzchni komórek i
posiadają zdolność jego estryfikacji.
Obładowane cholesterolem, jego estrami
i TG cząsteczki HDL trafiają do wątroby,
gdzie oddzielony wolny cholesterol zostaje
wydalony z żółcią.

• Duże stężenie VLDL wpływa również na

zwiększenie puli LDL. Komórki śródbłonka
zatok wątrobowych wydzielają lipazę
wątrobową, która powoduje hydrolizę TG
obecnych w LDL i HDL i powstanie
cząsteczek małych, gęstych LDL
i mniejszych HDL3.

• Insulina hamuje aktywność lipazy

wątrobowej.

• Stężenie WKT na czczo we krwi u ludzi

wynosi 0.4-1.0 mmol/l i zmniejsza się po
spożyciu węglowodanów.

• Brak antylipolitycznego działania insuliny

powoduje wzrost stężenia WKT w osoczu.

• Zwiększony dowóz WKT do wątroby

i mięśni szkieletowych powoduje
zmniejszenie metabolizmu glukozy w tych
tkankach.

- Obniżenie aktywności dehydrogenzy

pirogronianowej (oksydacja glukozy);

- Zmniejszenie aktywności fosfofruktokinazy

(glikoliza);

- Wzrost zawartości glukozo – 6 – fosforanu

w komórkach

Rola WKT w rozwoju insulinooporności

w wątrobie

Zwiększona kumulacja

TG w hepatocytach

• Mięśnie odpowiadają za około 80%

stymulowanego insuliną tkankowego wychwytu
glukozy.

• U ludzi wyróżnia się 3 typy mięśni szkieletowych

w zależności od potencjału oksydacyjnego:

- Typ 1 – mięśnie wolno kurczące się, oksydacyjne;

- Typ 2a – mięśnie szybko kurczące się,

oksydacyjne;

- Typ 2b – mięśnie szybko kurczące się,

glikolityczne;

Insulinooporność w mięśniach

szkieletowych

Metabolizm węglowodanów

• Insulina w mięśniach szkieletowych

stymuluje translokację GLUT4 z
cytoplazmy do błony komórkowej, co jest
kluczowe dla pobudzenia transportu
glukozy do wnętrza komórki.

• Mięśnie o największym potencjale

oksydacyjnym charakteryzujące się
największą wrażliwością na insulinę
charakteryzują się również największą
zawartością GLUT4.

• Po dostaniu się do wnętrza miocyta

glukoza jest fosforylowana przez
heksokinazę i powstaje glukozo – 6 –
fosforan , który może być użyty do syntezy
glukozy lub do glikolizy.

• Glikoliza z kolei prowadzi do powstawania

mleczanów (około 10%) lub do oksydacji
pirogronianów w cyklu Krebsa (około
90%). Insulina promuje tlenową przemianę
metabolitów glukozy.

• Insulina pobudza syntezę glikogenu –

aktywacja białkowej kinazy beta powoduje
fosforylację i inaktywację kinazy-3 syntazy
glikogenu (GSK-3). Fosforylacja syntazy
glikogenu powoduje jej inaktywację.
Mechanizm sygnalizacyjny insuliny
prowadzi w tym przypadku do
odblokowania aktywności syntazy
glikogenu poprzez zahamowanie GSK-3.

Metabolizm lipidów

• WKT pokrywają ponad 50%

zapotrzebowania energetycznego
mięśni szkieletowych w czasie
spoczynku.

• Ich źródłem są WKT krążące

w osoczu oraz TG zmagazynowane
w miocytach.

Metabolizm lipidów

• Śródbłonek naczyń jest

nieprzepuszczalny dla TG, WKT muszą
zostać uwolnione jeszcze w świetle
naczynia, uczestniczy w tym procesie
znajdująca się na powierzchni
śródbłonka LPL.

• Aktywność LPL zwiększają

katecholaminy i ACTH a zmniejsza
insulina.

• Transport WKT do wnętrza miocyta przez

sarkolemmę odbywa się m.in. przy udziale

białka FAT (transporter kwasów
tłuszczowych).

• Natomiast wewnątrzkomórki przy udziale

FABP (białko wiążące kwasy tłuszczowe).

Najwięcej FABP znajduje się w mięśniu
sercowym, następnie w mięśniach
o największym potencjale oksydacyjnym.

• Kwasy tłuszczowe w miocytach mogą

zostać wykorzystane jako:

- substrat energetyczny (proces beta –

oksydacji);

- uzupełnienia wewnątrzkomórkowej puli

lipidów;

- syntezy fosfolipidów błonowych.

• Beta – oksydacja kwasów tłuszczowych

odbywa się po ich aktywacji do
tłuszczowych acylo-CoA, które mogą
dyfundować przez błonę zewnętrzną
mitochondriów.

• Włókna oksydacyjne wykazują znacznie

większą aktywność
wewnątrzmitochondrialnych enzymów
beta – oksydacji w porównaniu do włókien
glikolitycznych.

• Transport przez błonę wewnętrzną jest

zależny od

palmitylotransferazy

karnitynowej 1.

• Silnym inhibitorem tego enzymu jest

malonylo – CoA,

• Jego zawartość wzrasta pod wpływem

hiperglikemii i hiperinsulinemii.

• KT wbudowane są do lipidów

mięśniowych lub do fosfolipidów
błonowych.

• TG mięśniowe mogą następnie ulegać

hydrolizie, dostarczając substratów
energetycznych. Źródło to ma największe
znaczenie w czasie przedłużonego
submaksymalnego wysiłku.

• Hydroliza zachodzi dzięki

lipazie

triacyloglicerolowej.

Rola lipidów wewnątrzmięśniowych

w indukowaniu insulinooporności

• Wysunięto hipotezę, że insulinooporność

jest stanem ektopowej akumulacji lipidów
w tkankach innych niż tkanka tłuszczowa
z powodu niewydolności tkanki
tłuszczowej jako „bufora energetycznego”
a więc mięśniowa akumulacja lipidów
może być przyczyną insulinooporności.

• WKT działają poprzez pierwotne

hamowanie transportu/fosforylacji glukozy
w komórkach mięśni, co powoduje
zmniejszenie oksydacji glukozy i syntezy
glikogenu.

Jest to efekt hamującego wpływu WKT na
szlak sygnałowy insuliny.

• TG same w sobie nie są szkodliwą frakcją

mięśniowej puli lipidów, ale raczej
markerem gromadzenia się innych
związków takich jak:

- diacyloglicerole (DAG)

- ceramidy.

Akumulacja DAG

w mięśniach szkieletowych

↑ PKC i jego

izoform

PCKβII i PKCδ

Aktywacja IKK

Aktywacja NF-κB

Sfingomielina

Seryna

+

Palmitylo-

CoA

CERAMID

hydroliza

Synteza de

novo

PKB/Akt

Translokacja GLUT4

do błony

komórkowej

Wychwyt

glukozy

Rola tkanki tłuszczowej w

patogenezie insulinooporności

Ekspresja niektórych receptorów

w tkance tłuszczowej

Receptory dla „tradycyjnych „

endokrynnych hormonów ;

- rec. insulinowy

- rec. glukagonowy

- rec. GH

- rec. TSH

- rec. Gatrynowy/CCK

- rec. GLP-1

- rec. Angiotensyny II t 1 i 2

Receptory dla katecholamin;

- 

 

Jądrowe receptory;

- rec. glikosterydowy

- rec. witaminy D

- rec. hormonów tarczycy

- rec. Estrogenowy

- rec. Androgenowy

- rec. Progesteronowy

-- PPAR

Receptory cytokinowe:

- rec. leptynowy

- rec. IL-6

- rec. TNF

Rec. dla

lipoprotein

PPAR

Aktywacja

Heterodimer z RXR

Swoiste sekwencje DNA

Geny uczestniczące

w metabolizmie lipidów

i węglowodanów

wiązanie

Regulacja transkrypcji

Efekty aktywacji PPAR

• Zwiększenie aktywacji:

- białek transportujących i wiążących kwasy

tłuszczowe,

- syntazy kwasów tłuszczowych,

- glukokinazy.

• Zwiększenie:

- ekspresji GLUT4;

- sekrecji adiponektyny.

• zahamowanie sekrecji:

- TNFalfa;

- rezystyny.

• wpływ na różnicowanie adipocytów i powstawanie

małych adipocytów bardziej wrażliwych na działanie
insuliny.

- Czynniki aktywujące PPARgama to:

Niektóre kwasy tłuszczowe;

Prostanoidy;

Thiazolidinodiony

.

- Receptory PPARalfa znajdujące się

głównie w mięśniach szkieletowych
i wątrobie, zwiększają oksydację kwasów
tłuszczowych

• Transport glukozy do adipocytów zachodzi

przy udziale GLUT4.

• Najważniejszą konsekwencją udziału

tkanki tłuszczowej w rozwoju
insulinooporności jest brak hamowania
lipolizy i zwiększenie powstawania WKT i
glicerolu.

Tkanka tłuszczowa największy

„gruczoł” endokrynny

leptyna

rezystyna

RBP-4

apelina

wisfatyna

waspina

omentyna

TNF + sR

IL-6 + sR

NO

PAI-1

angiotensynogen

TGF

adipsyna

AdipoQ

ApoE

IGF-1

ASP

białko

Agouti

steroidy

Czynniki

komplementarne

adiponektyna

Mediatory insulinooporności –

wolne kwasy tłuszczowe ( WKT )

• Uwalniane w nadmiarze :

hamują wykorzystanie glukozy w wątrobie

i mięśniach szkieletowych

Pobudzają glukoneogenezę

Obniżają wątrobowy klirens insuliny co

doprowadza do hiperinsulinemi

Mediatory insulinooporności –

czynnik

martwicy nowotworów  ( TNF -  )

• Obniża autofosforylację kinazy tyrozynowej

w substracie insulinowym

• Hamuje sygnał insuliny na poziomie kinazy – 3

fosfatydyloinozytolu

• Hamuje ekspresję genu GLUT – 4

• W komórkach  wysp trzustkowych hamuje

stymulowaną glukozą sekrecję insuliny

Mediatory insulinooporności -

leptyna

• Zmniejsza wrażliwość hepatocytów na

insulinę i nasila proces glukoneogenezy

• Hamuje pierwszą fazę sekrecji insuliny

przez komórki , co może wynikać z jej
działania na ATP – zależny kanał
potasowy

Mediatory insulinooporności –

IL 6

• Reguluje aktywność lipazy lipoproteinowej

i zwiększa ilość krążących WKT

Mediatory insulinooporności –

rezystyna

• Hamuje stymulowany insuliną wychwyt

glukozy w tkance tłuszczowej i mięśniach
szkieletowych

Adiponektyna

• Jej wydzielanie jest zmniejszone u otyłych

• Występująca w otyłości hipoadiponektynemia

sprzyja insulinooporności

• Działania adiponektyny :

 Obniża stężenie glukozy w osoczu niezależnie od insuliny
 Stymuluje zwiększony wychwyt WKT przez komórki mięśni

szkieletowych oraz zwiększa spalanie WKT w
mitochondriach tych komórek niezależnie od insuliny

 Hamuje działanie TNF - 
 Hamuje wątrobową glukoneogenezę

Nie wyjaśniona rola

w rozwoju insulinooporności

• Wisfatyna

• Waspina

• Omentyna

Metody pomiaru

insulinooporności in vivo

1. Stężenie insuliny na czczo;

2. Pośrednie wskaźniki insulinooporności oparte o

stężenia insuliny i glukozy na czczo;

3. Wskaźniki wykorzystujące stężenia glukozy i

insuliny podczas OGTT;

4. Dożylny test tolerancji glukozy oraz analiza

„minimal model”;

5. Test tolerancji insuliny;

6. Test supresji insuliny endogennej;

7. Klamra hiperinsulinemiczna normoglikemiczna

– „złoty standard”.

Stężenie insuliny na czczo

• Im wyższy stopień insulinooporności, tym

wyższe stężenie insuliny.

• Przestaje być miarodajne w stanach takich

jak upośledzona tolerancja glukozy i
cukrzyca typu 2.

Pośrednie wskaźniki insulinooporności oparte

o stężenia insuliny i glukozy na czczo

• Homeostasis Model Assessment – Insulin

Resistance

HOMA-IR = glukoza (mmol/l)x insulina (IU/ml)/22,5

- Quantitative Insulin Sensitivity Check Index

QUICKI = 1/(log[glukoza] + log[insulina])

Ograniczenia:

- pulsacyjne wytwarzanie insuliny,

- regulacja stężenia glukozy przez inne hormony

Wskaźniki wykorzystujące stężenia glukozy

i insuliny podczas OGTT

• Wskaźnik insulinowrażliwości wg Matsuda i

DeFronzo = 1000/pierwiastek kwadratowy
(glukoza na czczo x insulina na czczo) x
(średnie stężenie glukozy x średnie stężenie
insuliny podczas OGTT)

• Wskaźnik insulinowraliwości wg Stumvolla i

wsp. = 0,226 – 0,0032 x BMI – 0,0000645 x
insulina w 120 min. OGTT – 0,00375 x
glukoza w 90 min. OGTT

Dożylny test tolerancji glukozy oraz

analiza „minimal model”;

• Podaje się iv glukozę w dawce 0,3 kg/kg m.c. w ciągu

60 s.

• W czasie 180 min 22 razy pobiera się krew w celu

oznaczeń glukozy i insuliny;

• W 20 minucie testu podaje się dożylnie tolbutamid,

aby zniwelować zaburzenia wydzielania insuliny.

• Analizy zależności między stężeniami insuliny

i glukozy dokonuje się za pomocą programu
komputerowego.

Test tolerancji insuliny

• Obserwuje się zmiany stężenia glukozy co 5-10 min

przez 40 min po dożylnym podaniu insuliny w dawce
0,1 j/kg m.c.

• Stężenie glukozy umieszcza się na skali

półlogarytmicznej, uzyskując liniowe obniżenie tych
stężeń;

• Stopień nachylenia tej linii (wartość k) odpowiada

procentowemu obniżeniu stężenia glukozy w ciągu
minuty i służy do oceny wrażliwości na insulinę – im
większa wartość k tym większa wrażliwość na
insulinę.

k = 0,693/t1/2glukozy) x 100%

Test supresji insuliny endogennej

• Stały wlew insuliny (0,48 nmol/min – stabilna

hiperinsulinemia rzędu 600 pmol/l w 3 godz testu) i
glukozy (33 mol/min/kg m.c.);

• Wartością badaną są stężenia glukozy uzyskane w

okresie stabilnych warunków metabolicznych (120-
180 min testu).

• Wyższe stężenia glukozy świadczą o mniejszej

wrażliwości na insulinę

• Aby zablokować wyrzut endogennej insuliny

dodatkowo podaje się somatostatynę w dawce 250
g/godz.

Klamra hiperinsulinemiczna

normoglikemiczna – „złoty standard”

• Insulinę podaje się w dawce 40

mU/m2/min, w ciągu pierwszych 10 min
badania najczęściej stosuje się 2-krotnie
większą dawkę aby wytworzyć stabilną
hiperinsulinemię

• Od 4 minuty badania rozpoczyna się wlew

glukozy, najpierw w dawce 2 mg/kg
m.c./min, a następnie od 10 min, w
zmiennym tempie, regulowanym co 5 min
w zależności od aktualnej glikemii.

• Wykorzystuje się analizator YSI 2300

STAT Plus do pomiarów stężeń glukozy.

• Klamra powinna trwać co najmniej 2

godziny.

Insulinooporność a zespół

metaboliczny

Otyłość trzewna

Wzrost stężenia FFA

Insulinooporność

zapalenie

Cukrzyca typu 2

Zaburzenia

fibrynolizy

NASH

Nadciśnienie

Zmiana reaktywności

naczyń

Dyslipidemia

Przyspieszony rozwój miażdżycy

Oporność na insulinę

i hiperglikemia w cukrzycy typu 2

Przyczyny hiperglikemii

w cukrzycy typu 2

Insulinooporność: defekty receptorowe i post-receptorowe

Wzrost produkcji

glukozy

Upośledzony

wychwyt glukozy

X

Upośledzone wydzielanie insuliny

↑ Glukoza

Insulinooporność a nadciśnienie tętnicze

Hiperinsulinemia

Wzrost aktywności

SNS

Wzrost nerkowej

resorpcji Na

Wzrost objętości

krwi krążącej

i rzutu serca

Stabilizacja

receptorów dla

Ang II (ATR1)

przez wpływ na

mRNA i

wydłużenie jego

czasu półtrwania

NADCIŚNIENIE

Insulinooporność a funkcja

endotelium

↑ Lipolizy

↑ SNS

↑ skurcz naczyń

↓

wytwarzanie

endot. NO

↓ rozkurcz

naczyń

↓ obwodowego
przepływu krwi

↑

FFA

Insulinooporność

↓ sygnał insuliny

↓ wychwyt glukozy

↑ glukozy

↑ insuliny

Keulen L. et al. Journal of Clinical and Basic Cardiology 2001;4: 193-195

Inne mechanizmy patogenetyczne

nadciśnienia tętniczego w insulinooporności

• aktywacja układu renina-angiotensyna-

aldosteron ,

• hiperleptynemia,

• zmienionaczynność nerek i struktur

naczyniowych,

• zmniejszona aktywność ANP.

Dysfunkcja endotelium

Czynniki ryzyka

cukrzyca

palenie

↑

RR

↑ LDL-C

Stres oksydacyjny

Dysfunkcja endotelium

↓ NO ↑ lokalnych mediatorów ↑ tkankowej ACE-AII

PAI-1

VCAM

ICAM cytokiny

Endotelina

Czynniki

wzrostu

Proteoliza

zakrzepica

zapalenie

Skurcz
naczyń

Uszkodzenie

remodeling

Oderwanie

blaszki

Dzau and Gibbons 1997

Zapalenie łącznik między

insulinoopornością a miażdżycą

• ↑ FFA

• ↑TNF

• ↑CRP

• ↑ utlenowanych LDL

• ↑ wrażliwości na angiotensynę II

Hiperglikemia a dysfunkcja śródbłonka

Hierglikemia

eNOS

NO

Wolne rodniki

tlenowe

Jon

nadtlenoazotynowy

(ONOO

_

)

Ponadto przewlekła hiperglikemia

powoduje

• Aktywację PCK i fosfolipazy A2 – wzrost produkcji

metabolitów kw. arachidynowego;

• Zwiększenie ekspresji czynników wzrostowych

(angiotensyna II, endotelina) – remodeling;

• Wzrost stężenia końcowych produktów glikacji –

nasilenie stresu oksydacyjnego;

• Stymulacja glikacji i oksydacji LDL;

• Wzrost ekspresji NF-κB;

• Wzrost stężenia molekuł adhezyjnych, nasilenie migracji

i apoptozy komórek mięśni gładkich naczyń i dalsze
zmniejszenie dostępności NO;

• Wzrost stężenia IL-1 i TNF-α oraz

niektórych chemokin- nasilenie napływu
monocytów i limfocytów do ściany naczyń;

• Wzrost aktywności metaloproteinaz i

destabilizację blaszki miażdżycowej;

• Aktywacja PKC

• Wzrost aktywności PAI-1 i agregacji płytek

krwi.

Związek między insulinoopornością

a NASH