Endokriininen haima ja diabeteksen perusteet Timo Otonkoski HYKS lastenklinikka ja Biomedicum Helsinki
Diabetes mellitus = absoluuttisesta tai suhteellisesta insuliinin puutoksesta johtuva veren glukoosipitoisuuden nousu Insuliinitarve Insuliinieritys
Insuliini - ainoa verensokeria aktiivisesti alentava hormoni Haiman beetasolu - elimistön ainoa insuliinin lähde
Haima
Ductus pancreaticus
Endokriininen haima = Langerhansin saarekkeet ihmisen haimassa n. miljoona saareketta 1-2 g n. 1% kudoksen massasta
Langerhansin saareke Glukagoni Insuliini
Langerhansin saareke Eksokriininen Endokriininen -solu: glukagoni -solu: insuliini -solu: somatostatiini PP-solu: pancreatic polypeptide kapillaarit
Verisuonten ja endokriinisten solujen tärkeä suhde
Haiman kehitysbiologiaa: Embryonaalinen induktio alkusuolessa Notochord / blood vessels Hebrok, Kim & Melton, 1998 Inductive signals Endoderm (E7) Sonic hedgehog Patterned epithelium (posterior foregut) (E8) Pdx-1 Pancreatic bud (E9)
Haiman kehitys 1. Induktio -> Alkusuolen pullistumat (dorsaalinen ja ventraalinen) 2. Haima-aiheiden fuusio 3. Tiehytpuuston haaroittuminen 4. Erilaistuminen (endokriininen ja eksokriininen) 5. Saarekkeiden migraatio
Ekso- ja endokriiniset haimasolut erilaistuvat yhteisistä kantasoluista shh+ Liver Progenitor ngn3 neurod Nkx2.2 pax4 Nkx6.1 Isl1 pax6 HB9 Pdx1 ß-cell Arx Brn4 Endodermal Progenitor shh- Pancreas Progenitor -cell HNF1b HNF3b HNF4a HNF6 HB9 Pdx1 p48 Duct cell Exocrine cell
Insuliinin synteesi ja eritys Glukoosin keskeinen rooli Solunsisäiset signaalimekanismit Modifioivat tekijät Parakriiniset vaikutukset
Beetasolun eritysrakkulat
Insuliinin biosynteesi ja eritys Insuliini erittyy >99% prosessoituna - C-peptidi on hyvä endogeenisen insuliinituotannon mittari Eksosytoosi Eritysvalmiit granulat varastogranulat --> kaksivaiheinen eritys
Glukoosi insuliinierityksen säätelijänä
glukoosi GLUT2 aminohapot glukokinaasi glutamate G6P GDH ATP ATP Insuliini + diatsoksid i + K ATP kanava K + - Ca ++ Ca ++ - kalsiumkanava somatostatin Sulfonyyliureat
Kuinka potilastapaus johti beetasolun fysiologian ymmärtämiseen Potilastapaus 16-v tyttö tuodaan päivystykseen koska menettänyt tajuntansa koulun urheilutunnilla uidessa ensiavussa todetaan b-gluk 1.4 aiemminkin epäselviä hypoglykemioita, paastonsieto ollut kuitenkin normaali
Fyysinen rasitus stimuloi potilaan insuliinieritystä! B-glucose (mm) B-pyruvate (µm) S-insulin (mu/l) 5.5 250 40 5 4.5 4 3.5 3 ** ** * * * * ** * * * 200 150 100 50 30 * 20 10 * * * * 2.5-20 0 20 40 60 Min 0-20 0 20 40 60 Min Control (n=4) EIHI (n=8) 0-20 0 20 40 60 Min Otonkoski et al. Diabetes 2003; 52:199-204
Normaali beetasolu reagoi vain glukoosipitoisuuden muutoksiin Anaerobinen rasitus glukoosi glucose Pyruvaatti Laktaatti glukokinaasi MCT-1 G6P LDH Pyruvaatti ATP ATP Laktaatti Insulin + Glucose K ATP channel K + Ca ++ ++ calcium channel
Potilaan beetasolu Anaerobinen rasitus glucose glukoosi glukokinaasi G6P Pyruvaatti K + ATP AT P ATP Pyruvaatti Laktaatti MCT-1 Laktaatti Insulin + Ca ++ ++ säätelyalueen mutaatio K ATP channel calcium channel
Glukokinaasi = elimistön tärkein glukostaatti AKTIVOIVA INAKTIVOIVA Aktivoiva mutaatio: insuliinieritys aktivoituu liian matalalla glukoosipitoisuudella (suomalainen potilasesimerkki) insuliinieritys Inaktivoiva mutaatio: insuliinieritys aktivoituu liian korkealla glukoosipitoisuudella (MODY2 - monogeeninen lievä diabetes) glukoosipitoisuus (mm)
Beetasolun K-ATP kanava (Kir6.2): toinen keskeinen insuliinierityksen säätelykohta Synn. hyperins. lisäänt. tyypin 2 DM riski Normaali synn. diabetes synn. diabetes + neurol. oireet E23K R201H V59M Q52R kanavan aktiivisuus HYPO- NORMO- HYPERGLYKEMIA
KATP-kanavamutaation aiheuttama PNDM hoidetaan Tapaus Saaga Synt. 28.06.2012 sulfonyyliurealla Vointi normaali 3 kk:n ikään, minkä jälkeen itkuisuutta LKL:n ppkl:lle 30.12.2012 alentuneen yleistilan vuoksi B-gluk 52.9, ph 7.04, Osm 377 Ketoasidoosin hoito sujuu hyvin Insuliinipumpulle PNDM geenitutkimuksessa löytyy de novo KCNJ11 (Kir6.2) mutaatio R201H Sama mutaatio kuvattu aiemmin oululaisessa perheessä (Kaunisto ym. Duodecim 2011;127(6):559-62) Transitio tablettihoidolle
Glukoosi säätelee beetasolun toimintaa monilla tasoilla Insuliinigeenin transkriptio ja lähetti-rna:n stabiilius Beetasolun eritysrakkuloiden pakkaus ja kuljetus solukalvolle Eksosytoosi Beetasolumassan säätely jakautuminen, uudismuodostus Pitkään jatkuva hyperglykemia on beetasolulle haitallista: glukotoksisuus desensitaatio
Inkretiinivaikutus glukoosi iv. s-insuliini vastaava annos glukoosia sekaateriana per os aika
Inkretiinivaikutus Suoliston peptidit (GLP-1, GIP) potentoivat glukoosin insuliinieritystä kiihdyttävää vaikutusta Merkitys: Voimakas nopea insuliinivaste nautitulle aterialle Voidaan hyödyntää diabeteslääkkeitä kehiteltäessä
Insuliinieritysnopeus in vivo
INSULIINIERITYKSEN POTENTIAATIO food intake glucose Glucose transporter glucokinase mitochondria pyruvate GLP1 GIP Incretin receptors Metabolic signals Acyl CoA ATP NADPH camp MAPkinases insulin release
Beetasolun erityispiirteitä Vastaa dynaamisesti elimistön insuliinitarpeeseen Muuttamalla glykolyysin kautta tulevat signaalit solukalvon eksosytoosiin johtaviksi elektrofysiologisiksi signaaleiksi Tätä suoraa glukoosimetaboliaan perustuvaa vastetta modifioidaan neuraalisten, endokriinisten ja rasvasekä aminohappojen kautta tulevien signaalien kautta
Monogeeniset diabetesmuodot -johtuvat beetasolun defekteistä -vastaavat yhdessä 1.5% diabeteksesta (ainakin <40 v) Insuliinitarve Insuliinieritys
Insuliinin vaikutukset kohdesolussa Insuliini: elimistön tärkein anabolinen hormoni Solunsisäiset vaikutusmekanismit Insuliinivaikutuksen puutteen seuraukset
Insuliinin vaikutukset
Insuliinivaikutuksen molekulaariset mekanismit Kahn CR
Fysiologinen energian tuotto Glukoosi Triglyseridit Insuliini SOLU SOLU Energia CO 2 + H 2 O Nopea eliminaatio: Virtsa ja keuhkot Energia CO 2 + H 2 O + ß-OH-Butyraatti + Asetoasetaatti + Asetoni Hidas eliminaatio: Virtsa, keuhkot, maksa
Insuliinin puutos Glukoosi Insuliini Triglyseridit SOLU SOLU Energia CO 2 + H 2 O Nopea eliminaatio: Virtsa ja keuhkot Energia CO 2 + H 2 O + ß-OH-Butyraatti + Asetoasetaatti + Asetoni Hidas eliminaatio: Virtsa, keuhkot, maksa
Insuliinin ja glukagonin vaikutukset + INSULIINI =ANABOLINEN - Hiilihydraattien Rasvojen Proteiininen SYNTEESI JA VARASTOITUMINEN Hiilihydraattien Rasvojen Proteiininen PILKKOUTUMINEN JA MOBILISAATIO - GLUKAGONI =KATABOLINEN +
Liiallinen insuliinivaikutus -> hypoglykemia veren glukoosipitoisuus < 3 mmol/l --> hypoglykeemiset oireet Tärkeä ongelma diabeteshoidossa elimistöllä tehokas suojajärjestelmä hypoglykemiaa vastaan glukagoni kortisoli kasvuhormoni autonominen hermosto
Hypoglykemian torjuntamekanismit Glukoosi Glukoosi Insuliini (4.6 mm) Glukagoni (3.8 mm) Adrenaliini (3.8 mm) Kasvuhormoni (3.7 mm) Kortisoli (3.2 mm) Autonomiset oireet (<3.0) Glukoosi autoregulaatio (<2.8 mm) Neuroglykopeeniset oireet (<2.6)
DIABETES MELLITUS runsas makean virtsan eritys Absoluuttisesta tai suhteellisesta insuliinin puutoksesta aiheutuva veren glukoosipitoisuuden nousu Munuaisten glukoosikynnyksen (n.10 mm) ylittyessä glukoosin erittyminen virtsaan Absoluuttisessa insuliininpuutoksessa ketoasidoosin kehittyminen
Insuliinin vaikutuksen puute (resistenssi) Insuliininpuute 2 1 Tuomi 2002
Insuliinin vaikutuksen puute (resistenssi) LADA Insuliininpuute MIDD MODY IRS MIN Tuomi 2002
Tyypin 1 diabetes Nuoruustyypin diabetes, IDDM ABSOLUUTTINEN INSULIINIPUUTOS prosessi Beetasolumassa alttius Geneettinen Auto- immuuni- Tauti KETOASIDOOSI Aika (vuosia)
Toiminnallinen beetasolumassa Insuliinin tarve -solu massa NORMAALI kompensaatio pettää Type 2 DM autoimmuniteeti tuhoaa regeneroituvat -solut Type 1 DM
Lapsuusiän diabeteksen insidenssi 14 Euroopan maassa 1989-1995 FINLAND Sardinia Sweden Norway UK The Netherlands Spain Estonia France Greece Italy Lithuania Latvia Romania 0 10 20 30 40 50 60 EURODIAB ACE
Tyypin 1 diabeteksen ilmaantuvuus (<0-15 v) Suomessa Incidence/100,000 70 60 50 40 30 27 34 37 38 41 46 49 54 62 63 20 10 0 12 1953 70-76 80-84 87-89 90-94 94-95 96-00 2001 2003 2005 2006 2007
Mistä tyypin 1 diabetes johtuu? laukaiseva ympäristötekijä prosessi Beetasolumassa alttius Geneettinen Auto- immuuni- beetasoluja vastaan kohdistuvat - vasta-aineet - soluvälitteinen immuniteetti Tauti Aika (vuosia)
Mistä tyypin 1 diabetes johtuu? Geneettinen alttius HLA assosiaatio Riski, jos lähisukulaisella T1DM: Identtinen kaksonen 25-50% Sisarus 5-6 % HLA-identtinen 16-20% Isä 5-6 % Äiti 2-3% Väestö 0.2-0.7 %
Beetasoluja vastaan kohdistuvat vastaaineet ennustavat diabeteksen kehittymistä
Mistä tyypin 1 diabetes johtuu? Ympäristötekijä (YLEENSÄ TUNTEMATON) Laukaisee yleensä autoimmuuniprosessin, harvinaisissa tapauksissa suoraan taudin (entero)virusinfektiot? Vuodenaikavaihtelu Suora yhteys vasta-aineiden ilmaantumiseen imeväisen ravinto (lehmänmaidon valkuaiset)? Varhaisella lisäravinnon saannilla riskivaikutus Imetyksellä (heikko) suojavaikutus Lehmänmaidon insuliini -> insuliiniautovasta-aineet
Geenit vs. ympäristö geenit ympäristö harvinaisissa tapauksissa etiologia puhtaasti geneettinen (monogeeninen DM, MODY) harvinaisissa tapauksissa etiologia puhtaasti ympäristöperäinen (virus, toksiini) valtaosassa tapauksissa etiologia perustuu geenien ja ympäristötekijöiden yhteisvaikutukseen (Tyypin 1 ja 2 DM)
Tyypin 1 diabeteksen ehkäisy - tulevaisuuden haaste Primaari = autoimmuuniprosessin käynnistymisen ehkäiseminen suomalaisvetoinen TRIGR-projekti lehmänmaidon proteiinien eliminaatio 1. ikävuoden aikana enterovirusrokote? Sekundaari = diabeteksen puhkeamisen ehkäisy autoimmuuniprosessin käynnistymisen jälkeen toistaiseksi pelkkiä pettymyksiä suurissa tutkimuksissa suomalainen DIPP tutkimus GAD rokote
Insuliini (korvaus) hoito Perusinsuliini (pitkävaikutteinen) NPH insuliini (Protaphan ), 2 annosta /vrk Analogit: Clargine (Lantus ), 1 annos /vrk Detemir (Levemir ), 2 annosta /vrk Ateriainsuliini (lyhytvaikutteinen) ihmisinsuliini (Actrapid ) vaikutusaika 6-8 h pikavaikutteiset analogit (lispro [Humalog ], aspart [Novorapid ]) vaikutusaika 2-3 h (ideaalinen) Jatkuva ihonalainen (pika)insuliini-infuusio - (insuliinipumppu)
Tyyppi 1 diabetes: Miten nykytilanteesta eteenpäin? Primaaripreventio Sekundaaripreventio Autoimmuuniprosessi Beetasolumassa (insuliinituotanto) Geneettinen alttius Tauti Saarekesolusiirto Haimansiirto Aika (vuosia)
Miksi nykyinen insuliinihoito ei riitä? In vivo P-insuliini Pistoshoidot/inhalaatiohoidot Pumppuhoito Normoglykemian ylläpito ei mahdollista Hyvän tasapainon ylläpito edellyttää suurta motivaatiota ja sitoutumista diabeteksen hoitoon Mahdollisia ratkaisuja: Solukorvaushoidot keinohaimat
Saarekesolusiirto
Insulin requirement (U/d) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 The Nordic Protocol, Patient 3 Tx I, 26.09.01 Tx II, 21.10. 01
Saarekesiirtojen haasteet Edelleen kokeellinen toimenpide joka tarjolla vain hyvin harvoille tarvitaan 2 elinluovuttajan saarekkeet Immunosuppression tarve hoito ei saa olla pahempi kuin tauti... Siirrettävien beetasolujen saanti kantasolut?
Saarekkeiden regeneraatio Stimulaatio lääkkeillä?
Ihmisen pluripotentit kantasoluttulevaisuuden mahdollisuus solukorvaushoitoihin D Amour et al. Nature Biotech. 2006
Tyypin 2 diabetes Aikuistyypin diabetes, NIDDM Geneettinen defekti SUHTEELLINEN INSULIINIPUUTOS Insuliiniresistenssi obesiteetti -> rasvan kertyminen -maksasoluihin -beetasoluihin ß-solu Ins.tarve
MITEN T2D KEHITTYY? INSULIINIRESISTENSSI HYPERINSULINEMIA + NORMAALI GLUKOOSINSIETO HYPERINSULINEMIA + ATERIANJÄLKEINEN HYPERGLYKEMIA T2D Insuliiniresistenssi: Maksan glukoosituotto -solu väsyy: toiminta RISKI- GEENIT YMPÄRISTÖ LIHAVUUS VISKERAALINEN RASVA FAT IN THE WRONG PLACE
Lasten ylipainoisuus on 2-3 kertaistunut 20 v:ssa
Fyysinen kunto huononee Varusmiesten Cooper juoksutestin tulokset 1978-2003 30 25 20 % 15 10 huono <2200 m kiitettävä >3000 m 5 0 v1978 v1980 v1982 v1984 v1986 v1988 v1990 v1992 v1994 v1996 v1998 v2000 v2002 vuosi
Ylipainon ja lihavuuden yleisyys Lukumäärä Pituuspainon jakauma lapsilla 10-20 % 2-6 % 0 % +20 % +40 % Pituuspaino Lihavalla lapsella on 10-40 x riski olla lihava aikuisenakin
USA: EDELLÄKÄVIJÄ? Raportteja T2DM lisääntymisestä 1990-luvun puolivälistä 8-12 % lasten ja nuorten diabeteksesta ja 5-45% lasten uusista diabetesdiagnooseista T2D Keskimääräinen sairastumisikä 13.5 v. 85% sairastuneista ylipainoisia tai lihavia Valtaosa kuuluu johonkin etniseen vähemmistöön Grinstein ym. 2003
Tyypin 2 diabeteksen aikapommi Type 2 diabetics: 2007: 246 million 2025: 333 million
Ratkaisu ei ole lääkkeissä...
Diabeteksen myöhäiskomplikaatiot Tärkein syy: pitkään jatkunut hyperglykemia Riski riippuu oleellisesti glykeemisestä kontrollista (HbA1c / glykohemoglobiini) Mikrovaskulaariset komplikaatiot Nefropatia (diabetes on tärkein munuaissiirron syy) Retinopatia (diabetes on tärkein sokeutumisen syy) Neuropatia Makrovaskulaariset komplikaaatiot ateroskleroosi
Diabeteksen mikroangiopaattiset komplikaatiot (retinopatia, nefropatia) Korreloivat pitkäaikaiseen glykeemiseen kontrolliin (HbA1c) Riskiä voidaan vähentää tiukentamalla hoitotasapainoa The DCCT trial