Endokrynol. Ped. 2018.17.3.64:191-200
DOI: 10.18544/EP-01.17.03.1702
Insulinopodobne czynniki wzrostu i ich rola w patogenezie nefropatii i retinopatii cukrzycowej
Klinika Endokrynologii i Diabetologii Dziecięcej, Uniwersytet Medyczny w Lublinie
Słowa kluczowe
IGF1, IGF2, nefropatia, retinopatia cykrzycowa
IGF-1 i IGF-2 są niezbędne do prawidłowego rozwoju w okresie płodowym oraz dalszego wzrostu w okresie postnatalnym. Udowodniono również, że ich zwiększona aktywność prowadzi do rozwoju mikroangiopatii towarzyszących zaawansowanej cukrzycy. IGF1 i IGF2 biorą aktywny udział w rozwoju retinopatii i nefropatii cukrzycowej poprzez wpływ na wydzielanie erytropoetyny i VEGF, co prowadzi do proliferacji naczyń włosowatych.
IGF-1 i IGF-2
Budowa
IGF-1 (insulinopodobny czynnik wzrostu) jest polipeptydem zasadowym zbudowanym z 70 aminokwasów, natomiast IGF-2 jest polipeptydem nieznacznie kwasowym, składającym się z 67 reszt aminokwasowych i wykazującym 67% homologię do IGF-1 [1,2]. Oba czynniki są strukturalnie podobne do insuliny, co tłumaczy ich właściwości i powinowactwo do receptorów insulinowych [2].
Informacje Ogólne
Chociaż IGF-1 i IGF-2 wywołują bardzo podobne odpowiedzi biologiczne, istnieją znaczne różnice we wzorze ich ekspresji. IGF-1 jest produkowany właściwie tylko przez wątrobę, głównie po urodzeniu, natomiast IGF-2 jest wytwarzany przez płód i łożysko [1] oraz wiele różnych tkanek już na wczesnych etapach rozwoju embrionalnego. Ekspresja IGF-2 u dorosłych ma miejsce głównie w wątrobie i komórkach nabłonkowych wyściełających powierzchnię mózgu, opony mózgowe i sploty naczyniówkowe [3]. Zarówno IGF-1 jak i IGF-2 są obecne w krążeniu i mogą być wykrywane w osoczu. Poziom krążącego IGF-1 wzrasta w okresie dzieciństwa, a następnie spada w okresie dojrzewania (jest wtedy wyższy u dziewcząt niż u chłopców [2]), natomiast poziom krążącego IGF-2 jest najwyższy w czasie życia płodowego [4]. W przeciwieństwie do IGF-1, stężenie IGF-2 pozostaje niezmienne w okresie ciąży [1].
Wykazano, że odżywienie wpływa na regulację wydzielania insulinopodobnych czynników wzrostu. Ich obecność sugeruje, że w organizmie znajduje się wystarczająca ilość substratu, by zaspokoić zapotrzebowanie na białko i energię. Z kolei w czasie niedożywienia ich stężenie znacząco spada, aby uniknąć hipoglikemii. Poziom IGF jest regulowany także hormonalnie. Hormon wzrostu (GH) powoduje wzrost wątrobowej syntezy IGFBP-3 i labilnej kwasowo podjednostki (ALS), tym samym wpływając dodatnio na wzrost poziomu IGF. Dla IGF-1 hormon wzrostu jest najważniejszym stymulatorem sekrecji, jednak dla IGF-2 jest mimo wszystko stosunkowo słabym regulatorem, co może tłumaczyć fakt, że poziom IGF-2 nie wzrasta w czasie dojrzewania ani po podaniu GH [1,2].
Produkcja IGF spada w przewlekłych chorobach wątroby. Z kolei niewydolność nerek powoduje zmniejszenie biodostępności IGF-1, nawet przy prawidłowym stężeniu. Wzrost poziomu IGF-1 może powodować parathormon, prostaglandyna E2 i estradiol, natomiast spadek – glikokortykosteroidy i ciężkie stany chorobowe [2]. IGF wykazują działanie auto-, para- i endokrynne [1,2].
Receptory i białka wiążące
Na biologiczną aktywność IGF wpływa ich interakcja z receptorami i białkami wiążącymi. Białka wiążące (IGFBP) to sześć białek, które wiążą czynniki wzrostu w surowicy, regulując tym samym ich łączenie się z receptorami [1]. Ich stężenie zależy od płynu biologicznego, w którym występują. IGFBP-1 jest głównym białkiem wiążącym IGF w płynie owodniowym człowieka, IGFBP-2 w płynie mózgowo-rdzeniowym i nasieniu, a IGFBP-3 w surowicy krwi [2]. Znacząco ułatwiają one dostarczanie IGF do tkanek docelowych [5], ale także antagonizują ich działanie, co zapobiega nadmiernej ekspresji, która mogłaby spowodować rozwój nowotworów lub hipoglikemię [1]. Około 75% krążących IGF wiąże się w potrójnym kompleksie, składającym się z IGF-1 lub IGF-2, IGFBP-3 i ALS. Około 25% krążących IGF łączy się w kompleksy dwuskładnikowe (tylko z IGFBP), które przechodzą przez śródbłonek naczyń włosowatych, tworząc pozakomórkowy rezerwuar IGF. W końcu, < 1% IGF jest wolny i bioaktywny, może tworzyć połączenia z receptorami [1]. Okres półtrwania wolnego IGF-1 wynosi około 10 minut, natomiast po połączeniu z kompleksem białkowym, czas ten wydłuża się nawet do 15 godzin [6]. Jest to związane z działaniem kwasowolabilnej podjednostki, która stabilizuje kompleks oraz zmniejsza przechodzenie IGF-1 do przestrzeni wewnątrznaczyniowej. Wszystkie białka tworzące kompleks są wytwarzane w wątrobie na skutek stymulacji przez hormon wzrostu, dlatego ich pomiar jest przydatny w diagnostyce niedoboru GH [2]. Ekspresja białek wiążących zachodzi pod wpływem estrogenów, glikokortykosteroidów, FSH, insuliny, hormonów tarczycy i przytarczyc, witaminy D, kortyzolu, FGF (czynnika wzrostu fibroblastów) EGF (naskórkowego czynnika wzrostu), TGF-alfa i beta (transformującego czynnika wzrostu), PDGF (płytkopochodnego czynnika wzrostu), kwasu retinowego oraz interleukiny 1 [6].
Kiedy w ostrych stanach chorobowych obserwuje się spadek IGF, IGFBP3 oraz ALS, w surowicy wzrastają stężenia pozostałych białek wiążących. Prawdopodobnie jest to związane z redystrybucją IGF z formy trójskładnikowej do formy dwuskładnikowej, łatwiej przechodzącej do tkanek. Dodatkowo biodostępność IGF zwiększa wzrost proteolizy IGFBP3, również obserwowaną w stanach krytycznych [2].
Na błonach komórkowych zlokalizowane są receptory, poprzez które IGF wywierają efekty biologiczne. Do tej pory odkryto dwa specyficzne dla IGF receptory: IGF-1R oraz IGF-2R. Transdukcja sygnału zachodzi poprzez wiązanie IGF z receptorem IGF typu 1 (IGF-1R) i, w mniejszym stopniu, receptorami insulinowymi [2]. Po utworzeniu wiązania ligand-receptor, receptorowa kinaza tyrozynowa fosforyluje substrat receptora insulinowego. Następnie dochodzi do aktywacji kinaz Ras (rodzina kinaz protoonkogennych)/Raf [kinaza serynowo-treoninowa (Ras-activated factor)]/MAP [kinaza białkowa aktywowana przez mitogeny (mitogen-activated protein kinase)] oraz 3-kinazy fosfatydyloinozytolu (PI3-kinazy)/Akt (kinaza serynowo-treoninowa), co prowadzi do proliferacji i różnicowania komórek [7]. Wiązanie się IGF-2 z receptorem IGF-2R, który nie ma zdolności sygnalizacyjnej, prowadzi IGF-2 do degradacji lizosomalnej [5]. Receptory dla IGF-2 mogą odpowiadać za gromadzenie substancji tłuszczowych w mięśniach [8]. Mówiąc o interakcjach proteinowo-receptorowych, należy pamiętać, że wysoki poziom IGF może prowadzić do większej transdukcji sygnału, ale także do powstania oporności na poziomie receptorowym.
Liczne badania wykazały znaczenie białka PTEN (białko supresorowe, fosfataza kinazy PI3K) w kontrolowaniu proliferacji i apoptozy komórek. Okazało się ono również kluczowe w zmniejszonej syntezie IGF-2, głównie poprzez hamowanie receptora IGF-1R i jego szlaku PI3K/Akt [5].
Co wpływa na stężenie igf-1?
Wydzielanie hormonu wzrostu i IGF-1 podlega ścisłej regulacji. Nadrzędną kontrolę nad osią GH/IGF-1 sprawuje podwzgórze, które wydziela somatoliberynę (GHRH). Stymuluje ona uwalnianie GH produkowanego przez komórki kwasochłonne przedniego płata przysadki [9]. Wydzielanie GH jest także stymulowane przez produkowaną w żołądku grelinę, która działa synergistycznie z GHRH [10]. Narządem docelowym dla działania GH jest wątroba. W hepatocytach GH stymuluje transkrypcję genu IGF-1. Za pośrednictwem czynnika wzrostowego GH stymuluje procesy anaboliczne w organizmie. IGF-1 produkowany jest też miejscowo w tkankach (np. w chrząstce wzrostowej). Uwalnianie GH hamowane jest na zasadzie sprzężenia zwrotnego ujemnego przez IGF-1 (somatomedynę C), która oddziałuje zarówno na podwzgórze i przysadkę [11]. Innym czynnikiem hamującym wydzielanie GH jest uwalniana przez podwzgórze somatostatyna [10].
Stężenie IFG-1 zmienia się wraz z wiekiem. Do 5 roku życia jego stężenie jest najmniejsze, zaś szczyt wydzielania obserwuje się w okresie dojrzewania, po czym jego wartości ulegają stopniowemu spadkowi i stabilizują się w czwartej dekadzie życia. W okresie dojrzewania wyższe stężenia IGF-1 są u dziewczynek niż u chłopców [2].
Jako że IGF-1 jest syntezowany w wątrobie, choroby tego narządu przebiegające z destrukcją jego miąższu będą prowadziły do zmniejszenia uwalniania peptydu. W przewlekłej niewydolności nerek zaobserwowano spadek biodostępności IGF-1 mimo prawidłowego lub zwiększonego stężenia tego czynnika. Nie bez znaczenia dla stężenia somatomedyny C jest stan tarczycy. W hipotyreozie dochodzi do spadku stężenia IGF-1 we krwi. Analogicznie w nadczynności tarczycy obserwuje się podwyższenie stężenia IGF-1, aczkolwiek jego stężenie może pozostać niezmienione. Po zastosowaniu leczenia i osiągnięciu eutyrozy poziom IGF-1 wraca do normy [12]. Wykazano, że estradiol niezależnie od GH zwiększa ekspresję IGF-1 mRNA w przysadce mózgowej i moduluje wydzielanie somatostatyny [2]. Doniesienia wskazują, że terapia ponadfizjologicznymi dawkami glikokortykosteroidów prowadzi do podwyższenia stężenia somatomedyny C z towarzyszącym spadkiem jej biodostępności. Nie zaobserwowano takiego efektu u dzieci z astmą oskrzelową leczonych wziewnymi glikokortykosteroidami. Dodatkowo wykazano, że stres towarzyszący aktywacji układu immunologicznego w ostrych i krytycznych stanach chorobowych jak sepsa czy niewydolność wielonarządowa prowadzi do zmniejszenia stężenia IGF-1 [12].
Zewnętrznym czynnikiem modyfikującym zawartość IGF-1 we krwi jest dieta. Spożywanie produktów o wysokim indeksie glikemicznym prowadzi do obniżenia stężenia czynnika. Natomiast dieta bogatotłuszczowa i bogatobiałkowa wywołują przeciwny efekt. Zaobserwowano także, że stężenie IGF-1 jest odwrotnie proporcjonalne do wartości BMI (Body Mass Index). U osób otyłych stężenie całkowitego IGF-1 we krwi jest obniżone, ale stężenie wolnej frakcji jest podwyższone, co może wynikać z hiperinsulinemii. W stanach głębokiego niedożywienia i zespole złego wchłaniania wątrobowa produkcja IGF-1 spada do poziomów zanotowanych w niedoborze GH. Obniżenie jego stężenia odnotowuje się również w źle kontrolowanej cukrzycy typu 1 i cukrzycy typu 2 leczonej insuliną, co wynika ze zmniejszonej produkcji wątrobowej [12]. Jego niski poziom jest wówczas niezależny od wartości GH [2].
Działanie
Działanie na organizm
Na poziomie komórkowym efekty działania IGF-1 i IGF-2 są podobne. Oba czynniki promują proliferację, różnicowanie, przeżycie i migrację komórek [5].
Wiele badań sugeruje, że IGF-2 jest niezbędne do prawidłowej embriogenezy. Jego stężenie w macicy jest 10 razy wyższe niż stężenie IGF-1, podobnie jak w łożysku, a działanie na płód wywiera głównie przez receptory IR-A, ale także IGF-1R. Promuje on kształtowanie się mezodermy, transport substancji odżywczych, inwazję trofoblastu, a także proliferację i przeżycie cytotrofoblastu. Podczas angiogenezy stymuluje powstawanie VEGF i promuje różnicowanie się komórek macierzystych w komórki śródbłonka. W układzie odpornościowym powoduje formowanie się kolonii granulocytów i makrofagów oraz wzrost limfocytów B, a także stymuluje wzrost prekursorowych komórek linii erytro- i mieloidalnej [1]. Natomiast IGF-1 wpływa dodatnio na masę urodzeniową noworodka, a po narodzinach przejmuje dominującą rolę w regulacji wzrastania organizmu, zwiększając liczbę komórek. Po ukończeniu procesu wzrostu odpowiada za regenerację tkanki łącznej, zastępując obumarłe komórki nowymi [2].
IGF-1 jest niezbędny do rozwoju układu mięśniowo-szkieletowego, wywołując efekty anaboliczne (wspólnie z IGF-2 [1]). Stymuluje podziały kariokinetyczne komórek, co powoduje rozrost tkanek miękkich i kości. Pośredniczy także w działaniu hormonu wzrostu na chondrocyty i osteoblasty. W osteoblastach odpowiada za utrzymanie odpowiedniej gęstości tkanki kostnej [2].
W wątrobie IGF hamują produkcję glukozy i zwiększają syntezę glikogenu, a w obwodowych tkankach docelowych zwiększają wychwyt glukozy oraz syntezę lipidów i białek [1,2]. IGF-1 ma także wpływ na kurczliwość mięśnia sercowego oraz aktywność naczynioruchową [13].
Badania wykazały, że czynniki wzrostu mają duży wpływ na prawidłowe działanie cyklu jajnikowego. Stwierdza się ich obecność w płynie pęcherzykowym. IGF-1 nasila aromatyzację androstendionu i testosteronu do estradiolu, pobudza proliferację komórek warstwy ziarnistej (wspólnie z FSH/LH), a także nasila wytwarzanie progesteronu. IGF-2, podobnie jak IGF-1, wzmaga działanie gonadotropin oraz pobudza wzrost komórek ziarnistych, aktywność aromatazy i syntezę progesteronu [2]. Istnieje dodatnie sprzężenie zwrotne między IGF-2 a FSH. IGF-2 stymuluje FSH do wywołania proliferacji komórek ziarnistych, a FSH jest silnym wzmacniaczem ekspresji IGF-2 w komórkach ziarnistych [14]. Podczas prawidłowej folikulogenezy stężenia IGF-2 wzrastają progresywnie w płynie dominujących pęcherzyków. Jest to prawdopodobnie wynikiem syntezy wewnątrzjajnikowej, ponieważ stężenia IGF-2 w surowicy nie zmieniają się podczas cyklu miesiączkowego [1].
Udowodniono także ważną rolę IGF w rozwoju tkanki nerwowej. Wspierają one neurogenezę, regenerację tkanki, a także kształtowanie funkcji czuciowej i poznawczej, między innymi poprzez promocję mielinizacji włókien nerwowych [2]. IGF-2 jest szczególnie interesujący ze względu na to, że jest wytwarzany przez splot naczyniówkowy i obecny w płynie mózgowo-rdzeniowym [15]. IGF-1 poprzez wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP) może wpływać również na wytwarzanie prolaktyny [2].
IGF-2 wiążąc się z receptorami insulinowymi w czasie rozwoju płodowego, wpływa na rozwój tkanki tłuszczowej. Insulina, stymulując receptory insulinowe, prowadzi do akumulacji tłuszczu poprzez promowanie różnicowania preadipocytów do adipocytów, wzrost wchłaniania kwasów tłuszczowych z krążących lipoprotein, hamowanie rozpadu tłuszczy w tkance tłuszczowej i ułatwianie wchłaniania glukozy do adipocytów. Część glukozy wchłonięta do adipocytu jest przekształcana w glicerol i łączy się z wolnymi kwasami tłuszczowymi, tworząc triglicerydy [16].
Stężenie IGF-2 w surowicy wydaje się wzrastać w otyłości i dodatnio korelować z BMI. Po zmniejszeniu masy ciała obserwowano zmniejszenie całkowitego stężenia IGF-2, niezależnie od rodzaju stosowanej diety. W prospektywnym badaniu u dorosłych stwierdzono, że niskie stężenia IGF-2 prognozowały przyszły przyrost masy ciała zarówno u osób zdrowych, jak i u osób z cukrzycą typu 2. Jego stężenie we krwi pępowinowej z kolei koreluje dodatnio z masą urodzeniową. Wydaje się, że masa rodzicielska przy poczęciu wpływa na IGF-2 przez zmiany epigenetyczne, które mogą zmieniać stężenie płodowego IGF-2 i wagę płodu, predysponując do choroby metabolicznej w późniejszym życiu niemowlęcia [1].
Powszechnie wiadomo, że stężenie IGF-2 u chorych na cukrzycę ulega zmianie. Chociaż przyczyna tego stanu jest nieznana, podejrzewa się, że może być spowodowana zwiększonym wydzielaniem IGF-2 z tkanki tłuszczowej w odpowiedzi na hiperglikemię. Sugeruje się również, że nadmierna ekspresja IGF-2 predysponuje do wystąpienia cukrzycy poprzez powodowanie tzw. stresu reticulum endoplazmatycznego w komórkach beta wysp trzustkowych i wzmożone wydzielanie insuliny w odpowiedzi na wzrost glikemii [1]. Prowadzi ona do odróżnicowania komórek beta i dysfunkcji wysp trzustkowych, a także zwiększa ich podatność na uszkodzenia [17]. Rola IGF-2 w neowaskularyzacji czyni go również silnym kandydatem do roli w patogenezie proliferacyjnej retinopatii cukrzycowej [1].
Nawet częściowa delecja genu IGF-1 u ludzi powoduje zaburzenia wzrastania wewnątrzmacicznego. Co ciekawe, nie ma żadnych opisanych przypadków delecji genu IGF-2, co sugeruje, że jego ekspresja jest niezbędna do przeżycia [18].
Wpływ IGF na nerkę
IGF-1 charakteryzuje się plejotropowym działaniem. Odpowiada za wzrost, różnicowanie i dojrzewanie tkanek [2]. Moduluje on metabolizm i pośrednio wpływa na funkcje narządów w tym nerki. IGF-1 ulega ekspresji w kłębuszku nerkowym, w grubym, wstępującym ramieniu pętli Henlego, dystalnym kanaliku nerkowym i kanaliku zbiorczym [19]. IGF-1 i IGF-2 są odpowiedzialne za rozwój nerki w okresie płodowym. Oś somatotropowa w życiu postnatalnym stymuluje hiperplazję i hipertrofię komórek i tym samym przyczynia się do dalszego wzrostu nerki. Wskazuje na to fakt, że niedobór IGF-1 skutkował urodzeniem się myszy o masie ciała odpowiadającej 60% normalnej masy urodzeniowej z następczym spadkiem masy ciała o 30% i proporcjonalnie mniejszymi nerkami, kłębuszkami oraz nefronami. To twierdzenie popiera też badanie, w którym myszy transgeniczne z nadekspresją IGF-1 rodziły się z proporcjonalnie większymi nerkami i kłębuszkami bez ich stwardnienia. Natomiast myszy transgeniczne z nadekspresją IGF-2 o typie dzikim miały nieproporcjonalnie duże nerki w stosunku do masy ciała. Co ciekawe, delecja specyficznego dla wątroby genu kodującego IGF-1 nie wpłynęła ujemnie na wzrost ciała, jednak masa nerek była nieznacznie niższa. Delecja ta skutkowała także zwiększonym wydalaniem sodu i potasu z moczem oraz spowodowała zmniejszenie ekspresji genu IGF-2 w nerkach. Działanie IGFBP opiera się na inhibicji procesów stymulowanych przez IGF i ich nadekspresja skutkuje zatrzymaniem wzrostu. Nadekspresja IGFBP-1, IGFBP-2, IGFBP-5 i jego mutanta spowodowała zmniejszenie nerek proporcjonalne do zmniejszenia masy ciała, natomiast u myszy z nadekspresją IGFBP-3 nerki były nieproporcjonalnie małe. Gryzonie, u których występowała nadekspresja mutanta IGFBP-3, słabiej wiążącego ligand IGF, miały nerki normalnej wielkości podobnie jak masę ciała.
IGF-1 nie tylko odpowiada za wzrost nerek, ale bierze również udział w ich prawidłowym funkcjonowaniu. W badaniach in vitro wykazano, że w kłębuszku nerkowym IGF-1 odpowiada za wazodylatację naczyń doprowadzających i skurcz naczyń odprowadzających. Efekt wazodylatacyjny jest skutkiem zwiększenia produkcji tlenku azotu (NO) oraz cyklooksygenazy stymulowanej przez IGF-1. Ponadto czynnik wzrostu przyspiesza przepływ osocza przez nerkę, a także odpowiada za zwiększenie współczynnika filtracji kłębuszkowej. IGF i GH regulują reabsorbcję elektrolitów w kanalikach nerkowych. Oba pobudzają reabsorbcję sodu w kanaliku dystalnym, ale reabsorbcja fosforanów w kanaliku proksymalnym jest stymulowana tylko przez IGF-1. Natomiast zarówno GH jak i IGF-1 pośrednio wpływają na zwrotne wchłanianie wapnia przez zwiększenie produkcji kalcytriolu [20].
IGF-1 jako lek
Zaburzenia osi somatotropinowej skutkują zaburzeniami wrastania i zaburzeniami metabolicznymi. Jednym z takich zaburzeń jest ciężki pierwotny niedobór IGF-1, w którym obserwuje się genetycznie uwarunkowane zaburzenia struktury receptora GH (GHR), zaburzenia postreceptorowego przekaźnictwa szlaku GHR i mutacje genu IGF-1.
U osób cierpiących na tę chorobę wzrost znajduje się ≤ 3 SD, dodatkowo podstawowe stężenie IGF-1 znajduje się poniżej 2,5 percentyla dla płci i wieku, a GH mieści się w granicach prawidłowych. Jednym z kryteriów rozpoznania tej choroby jest wykluczenie występowania wtórnych postaci niedoboru IGF-1 [21]. Do leczenie tego zaburzenia została zarejestrowana mekasermina – ludzki rekombinowany IGF-1 podawany w iniekcji podskórnej dwa razy dziennie. Zalecana początkowa dawka to 0,04 mg/kg, jeśli lek jest dobrze tolerowany, można zwiększać dawkę do maksymalnej dawki 0,12 mg/kg [22]. W przeprowadzanych badaniach z użyciem mekaserminy nastąpił wzrost szybkości wzrastania z 2,8 cm/rok do średnio 8 cm/rok podczas pierwszego roku leczenia (P<0,0001). Zaś u dzieci otrzymujących większe dawki (co najmniej 100 µg/kg) średnia prędkość wzrosła do 8,7 cm/rok (P<0,0001). Najczęściej zgłaszanymi działaniami niepożądanymi były: hipoglikemia, lipohipertrofia i przerost migdałków [23].
Nefropatia cukrzycowa
Patofizjologia zmian
Podocyty są rozgałęzionymi komórkami współtworzącymi razem ze śródbłonkiem naczyń i błoną podstawną barierę filtracyjną dla makrocząsteczek takich jak białka. Spadek liczby podocytów odnotowano w wielu chorobach nerek, w tym w nefropatii cukrzycowej. Redukcja liczby komórek koreluje z pogorszeniem funkcji nerek w cukrzycy [19]. Na podocytach znajdują się receptory GH, których pobudzenie odpowiada za wzrost stężenia reaktywnych form tlenu oraz reorganizację cytoszkieletu aktynowego. Prawdopodobnie te zmiany są odpowiedzialne za uszkodzenie bariery filtracyjnej prowadzącej do pojawienia się białkomoczu. Podocyty produkują IGF-1 i IGF-2, które przez aktywację receptorów i stymulację szlaku PI3K wywierają ochronne działanie na dojrzewające podocyty oraz wspomagają utrzymanie prawidłowej funkcji błony filtracyjnej [20]. Kinazy ILK (integrin-linked kinase), serynowa kinaza treoninowa przez sygnalizację za pomocą integryn biorą udział w adhezji komórkowej. Wysnuto hipotezę, że indukowane przez ILK hamowanie ekspresji kadheryn i aktywacja kompleksu transkrypcyjnego β-kateniny/LEF (lymphoid-enhancing factor) powoduje wzrost aktywności metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej-9. Ta endopeptydaza ma zdolność rozkładania kolagenu typu IV, z którego zbudowana jest błona filtracyjna i dlatego ma kluczowe znaczenie dla utrzymania jej integralności [19]. Podocyty syntetyzują także IGFBP3, który odpowiedzialny jest za aktywację szlaku apoptozy. Zatem nieprawidłowa ekspresja IGF będzie skutkować zaburzeniem struktury kłębuszkowej błony filtracyjnej i w konsekwencji doprowadzi do nieprawidłowego przesączania [20].
IGF w nefropatii cukrzycowej
Najczęstszym i jednym z najpoważniejszych powikłań zaawansowanej cukrzycy jest nefropatia. Objawia się ona hipertrofią nerki, przerostem kłębuszków, rozplemem mezangium z następczą albuminurią i stwardnieniem kłębuszków nerkowych. Ostatnim stadium tego ciągu zmian jest niewydolność nerek [24].
Dowiedziono, że w tym procesie dużą rolę odgrywa oś GH/IGF. Na modelu zwierzęcym wykazano, że IGF-1 ulega kumulacji w nerce jeszcze przed wystąpieniem hipertrofii towarzyszącej zaawansowanej cukrzycy. W czasie choroby występuje również zwiększona ekspresja receptorów wiążących IGF-1, która w połączeniu z nadmiarem liganda skutkuje promowaniem procesów wzrostowych. Większość badań wskazuje, że zwiększona koncentracja IGF-1 nie jest konsekwencją zwiększenia stężenia mRNA. Może ona wynikać z konstytucjonalnie uwarunkowanej zwiększonej produkcji lub z wyłączenia z obiegu somatomedyn. Badania na szczurach wykazały, że w cukrzycy zwiększa się również ekspresja IGFBP, szczególnie IGFBP-1 i to ona może być odpowiedzialna za wzrost stężenia IGF-1 [20]. U szczurów we wczesnej fazie nefropatii cukrzycowej (do 6 miesięcy), zaobserwowano znacznie zredukowany poziom rdzeniowego mRNA IGFBP-1, podczas gdy ekspresja genu korowego IGFBP-1 jest znacznie podwyższona. Inne badania wykazały, że u myszy transgenicznych IGFBP-1 rozwija stwardnienie kłębków nerkowych bez przerostu kłębuszkowego. Przypuszcza się także, że wzrost IGF-1 może wynikać ze zmniejszonej ekspresji IGFBP-2 odnotowanej w cukrzycy [25]. U diabetyków aktywność proteazy przeciwko IGFBP-3 znajdującej się w moczu jest proporcjonalna do stopnia zanotowanej albuminurii [20]. Zmniejszona ekspresja i proteolityczny rozkład IGFPB prowadzą do wyższej biodostępności IGF-1 w przesączu, który może przyczyniać się do rozwoju nefropatii cukrzycowej [25].
Poszukiwane są mechanizmy odpowiedzialne za rozwój nefropatii cukrzycowej. Mówi się o prawdopodobnej roli końcowych produktów glikacji w rozwoju nefropatii. Wykazano, że aminoguanidyna – inhibitor glikacji – w zwierzęcym modelu cukrzycy indukowanej streptozotocyną, hamuje działania wywoływane przez IGF-1, IGFBP-1 i mRNA IGFBP-4 w nerce. Można więc wysnuć wniosek, że uregulowanie działania IGF może działać ochronnie na nerkę. Przeprowadzono również badania na modelu zwierzęcym cukrzycy indukowanej streptozotocyną dotyczące roli NO w patogenezie nefropatii. Naukowcy stwierdzili, że podanie inhibitora NOS (syntazy tlenku azotu) zapobiega zwiększonej produkcji NO indukowanej przez IGF-1. W badaniu szczurom z cukrzycą podano L-NAME (ester metylowy L-nitroargininy), który blokuje działanie NOS i zaobserwowano znaczącą redukcję masy nerki oraz zmniejszenie hiperfiltracji. Inhibitor syntazy zapobiegł także zmniejszeniu stężenia IGFBP-3 i IGFBP-4, co odpowiedzialne było za następcze zmniejszenie IGF-1. Ta redukcja zapobiega wewnątrznerkowej aktywacji NOS przez IGF-1 po podaniu L-NAME. Naukowcy wysnuli wniosek, że modulowanie dostępności IGF-1 do nerek przez hamowanie NOS znacznie redukuje hipertrofię i hiperfiltrację nerek [20]. Podawanie długodziałających analogów somatostatyny miało pozytywny efekt na nerki u gryzoni z cukrzycą. Spowodowało ono u szczurów zmniejszenie albuminurii oraz redukcję rozmiarów nerki. Ponadto zaobserwowano, że szybkie wdrożenie leczenia powoduje całkowite zablokowanie hipertrofii i wzrostu IGF-1 natomiast odroczenie suplementacji oktreotydu skutkowało tylko częściową blokadą zmian [19]. Podanie pacjentom oktreotydu powyżej 12 tygodni spowodowało zmniejszenie rozmiarów nerek oraz hiperfiltracji u pacjentów z cukrzycą typu 1 [20].
Na przestrzeni lat wykazano, że zaburzenia wydzielania i nadmierna aktywność GH i IGF prowadzi do zmian w nerce cukrzycowej. Celem terapii jest przywrócenie równowagi w działaniu czynników wzrostowych na nerkę. Zatem leki, które blokują lub znoszą działanie GH i IGF takie jak pegwisomat, oktreotyd mogą być korzystne w zapobieganiu i leczeniu powikłań cukrzycowych. Trwają badania z zastosowaniem blokerów receptora IGF-1 oraz inhibitorów kinazy tyrozynowej z wyeliminowaniem skutków ubocznych w postaci insulinooporności czy nadmiernej produkcji GH. Cenną informacją płynącą z innych badań na myszach, jest fakt, że komórki macierzyste stymulowane IGF-1 mogą brać udział w regeneracji uszkodzonych nerek [20]. Wspomniane terapie otwierają nowe możliwości w leczeniu powikłań cukrzycy. Jednak dla lepszego zrozumienia patomechanizmu zmian zachodzących w nerce oraz bezpiecznego leczenia chorych niezbędne są dalsze badania.
Retinopatia cukrzycowa
Patofizjologia retinopatii cukrzycowej
Retinopatia nieproliferacyjna to wczesne stadium powstające w wyniku wycieku krwi z naczyń krwionośnych [26]. Retinopatia proliferacyjna jest zaś ostatnim stadium retinopatii cukrzycowej, powstaje na podłożu procesów zapalnych, zwłóknienia i angiogenezy [27] na siatkówce i tylnej powierzchni ciała szklistego [28]. Uszkodzenie siatkówki może być spowodowane czynnikami środowiskowymi (nadmierna ekspozycja na światło słoneczne, niedotlenienie) lub wewnętrznymi stanami patologicznymi (hiperglikemia). Końcowe produkty glikacji prowadzą do przeciążenia stresu oksydacyjnego oraz aktywacji sygnalizacji prozapalnej [26] (prowadzi ona do wytworzenia licznych cytokin) [28]. Rezultatem tych procesów jest upośledzenie funkcji, zmniejszenie grubości i uszkodzenie naczynia. Niewydolność ściany naczyń krwionośnych prowadzi do wycieku płynu lub krwi do oka, bliznowacenia, co prowadzi do utraty wzroku. W późnych stadiach niedotlenienie prowadzi do wzrostu wydzielania VEGF i erytropoetyny (EPO). Związki te sprzyjają proliferacji i wzrostowi naczyń krwionośnych na powierzchni siatkówki. Jednak nowo utworzone naczynia są kruche i nie mogą zapewnić siatkówce prawidłowego przepływu krwi, co tylko nasila niedotlenienie [26]. Błona nadsiatkówkowa jest warstwą tkanki patologicznej, która rośnie na wewnętrznej powierzchni siatkówki. Mechanizmy molekularne tworzenia wtórnych błon nadsiatkówkowych (ERM) w proliferacyjnej retinopatii cukrzycowej i pierwotnych idiopatycznych ERM są nadal słabo rozumiane [27]. Obkurczanie się tkanki włóknistej może zniekształcać siatkówkę i prowadzić do jej odwarstwienia, a w konsekwencji utraty wzroku [28].
Warto wspomnieć także o neurodegeneracji, która towarzyszy już bardzo wczesnym stadiom retinopatii cukrzycowej. Uszkodzenie komórek neuronalnych wykrywane jest, gdy uszkodzenia mikronaczyniowe są niewidoczne podczas obserwacji dna oka. Obserwuje się zmiany w warstwie włókien nerwowych, gęstości komórek zwojowych, nieprawidłowości fotoreceptorów, grubości siatkówki i ilościowej oceny zewnątrzkomórkowej przestrzeni siatkówki. U myszy rozwój cukrzycy związany jest ze zmianami w siatkówce takimi jak: apoptoza komórek zwojowych siatkówki, redukcja cholinergicznych i dopaminergicznych komórek amakrynowych i wyraźne przerzedzanie się wewnętrznej warstwy splotowatej i jądrowej. U gryzoni stwierdzono także zmiany morfologiczne w astrocytach i komórkach mikrogleju w wewnętrznej siatkówce oraz zaburzony metabolizm glutaminianów w obrębie komórek Müllera. Nie jest jasne, czy pierwsze są zmiany w neuronach, czy w komórkach glejowych (które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania tych pierwszych). Czynniki neuroprotekcyjne, takie jak PEDF, SST, przeciwciała monoklonalne przeciwko VEGF i erytropoetynie zastosowano w doświadczalnej retinopatii cukrzycowej. Możliwość zastosowania biologicznego leczenia przeciwko czynnikom neurodegeneracyjnym i terapii miejscowej do dostarczania neuroprotekcyjnych czynników wzrostu otwiera nową i bezpieczną strategię leczenia wczesnych stadiów DR. Należy pamiętać, że takie leczenie należy zacząć jak najszybciej, więc z klinicznego punktu widzenia istotne jest wczesne wykrywanie neurodegeneracji [28].
Rola igf w retinopatii cukrzycowej
Zgodnie z ostatnimi doniesieniami neowaskularyzacja siatkówki (charakterystyczna dla proliferacyjnej retinopatii cukrzycowej – PDR) może być spowodowana wzrostem aktywności IGF-1 [27]. Udowodniono, że u pacjentów z retinopatią cukrzycową poziom IGF-1 w płynie szklistym jest podwyższony. Wykazano ponadto, że egzogenne podawanie IGF-1 przez iniekcje doszklistkowe lub dorogówkowe przyspiesza neowaskularyzację w siatkówce i rogówce u zwierząt [26]. IGF-1 w siatkówce jest syntetyzowany przez różne komórki, w tym komórki śródbłonka naczyniowego, perycyty, komórki glejowe, komórki zwojowe siatkówki i nabłonek barwnikowy siatkówki [28]. IGF-1 i IGF-2 mają wpływ na migrację i proliferację nabłonka barwnikowego siatkówki [27]. IGF-1 działa także neuroprotekcyjnie na komórki tego nabłonka eksponowane na nitroprusydek sodu [26].
IGF są również zaangażowane w stymulację obkurczania się błony nadsiatkówkowej. Badania wykazały, że poziom mRNA (pomiar przeprowadzono metodą real-time QRT-PCR) IGF-1 i IGF-1R w ERM u pacjentów z cukrzycą był znacząco wyższy niż u pacjentów z idiopatycznym ERM. Sugeruje to, że te czynniki mogą być zaangażowane w patogenezę lub progresję proliferacyjnych zaburzeń witreoretinalnych w przebiegu cukrzycy [27]. IGF-1 wzmaga wzrost i proliferację komórek śródbłonka siatkówki.
Ustalono także, że neowaskularyzacja w siatkówce związana jest ze zwiększonym poziomem VEGF, który jest indukowany przez IGF-1 [27] w komórkach nabłonka barwnikowego [28]. Białko to wzmaga także ekspresję EPO [26].W powstawaniu retinopatii biorą udział także inne czynniki wzrostu takie jak: płytkopochodny czynnik wzrostu (PDGF), czynnik wzrostu fibroblastów (FGF), SDF-1 (stromal cell-derived factor 1), somatostatyna, arginaza, glutaminian, NO [28].
Łączenie się IGF-1 z receptorem promuje aktywację wielu szlaków sygnałowych (kinazy fosfatydyloinozytolu-3, MAP, jądrowego czynnika-κB, kinazy białkowej B i C), które wiążą się z patogenezą retinopatii cukrzycowej. Białkowa kinaza C (PKC) jest np. związana ze zmianami naczyniowymi, takimi jak wzrost przepuszczalności, adhezja leukocytów i synteza macierzy zewnątrzkomórkowej. Aktywacja innych szlaków sygnałowych prowadzi także do zwiększenia transportu glukozy, sprzyja przetrwaniu komórek i pośredniczy w działaniu przeciwapoptotycznym [26].
Kolejnym wnioskiem płynącym z badań jest fakt, iż IGFBP-3 prawdopodobnie nie powodują proliferacji komórek siatkówki. Wykazano, że egzogenne podawanie IGFBP-3 może indukować hamowanie wzrostu i apoptozę komórek siatkówki. Inne badania wykazały, że IGFBP-3 ma efekt neuroprotekcyjny, przeciwapoptotyczny oraz przeciwzapalny po urazie siatkówki. Ponadto może zapobiegać postępowi PDR [27].
Badacze nie są zgodni w kwestii roli wewnątrzgałkowego/układowego IGF. Niektóre prace wykazują, że wewnątrzgałkowy IGF-1 jest wystarczający do złamania bariery krew-siatkówka, inne, że to poziom IGF w surowicy determinuje poziom wewnątrz ciała szklistego. Ponadto zniszczenie bariery krew-siatkówka może również powodować infiltrację komórek immunologicznych do błon nadsiatkówkowych w PDR [27].
Aktualnie laseroterapia jest głównym sposobem leczenie retinopatii cukrzycowej, ale blokada szlaku sygnalizacji IGF-1 być może będzie cenną metodą terapii alternatywnej lub dodatkowej [26]. Leczenie IGF-1 może być korzystne u pacjentów z ciężką opornością na insulinę oraz w zapobieganiu ostrym powikłaniom cukrzycy [28]. Jednak jego działanie pobudzające proliferację wraz z innymi skutkami ubocznymi (pozagałkowy obrzęk nerwu wzrokowego i ból głowy) ogranicza jego zastosowanie kliniczne w cukrzycy. Leczenie antagonistą receptora IGF-1, który blokuje rolę IGF-1, zmniejsza tworzenie się mikrokrążenia w siatkówce. Ponadto zakłócenie funkcji receptorów IGF-1 prowadzi do zmniejszonego wzrostu komórek śródbłonka i spowalnia postęp neowaskularyzacji u myszy. Wyniki te pokazują, że sygnalizacja IGF-1 może uczestniczyć w procesie retinopatii cukrzycowej, a antagonizm sygnalizacji IGF-1 jest korzystny dla pacjentów [26]. W doświadczalnych metodach leczenia retinopatii cukrzycowej bywa wykorzystywana somatostatyna (SST) [29].
Wnioski
IGF-1 i IGF-2 są niezbędne do prawidłowego rozwoju w okresie płodowym oraz dalszego wzrostu w okresie postnatalnym. Udowodniono również, że ich zwiększona aktywność prowadzi do rozwoju mikroangiopatii towarzyszących zaawansowanej cukrzycy. Wczesne wykrycie powikłań i szybkie wdrożenie leczenia może zahamować progresję zmian prowadzących do nefropatii i retinopatii cukrzycowej. Nadzieją na lepsze jutro są nowe metody leczenia jak komórki macierzyste, inhibitory kinazy tyrozynowej czy inhibitory receptorów IGF, które mogą być nową strategią leczenia powikłań cukrzycy. Kluczowym jest wyeliminowanie ogólnoustrojowych powikłań towarzyszących terapii opartej na blokadzie osi GH/IGF. Dlatego niezbędne są dalsze badania nad złożoną patofizjologią tych zmian oraz nowymi, ukierunkowanymi formami leczenia.
Piśmiennictwo
1. Livingstone C. and Borai A. (2014), Insulin-like growth factor-II: its role in metabolic and endocrine disease. Clin. Endocrinol., 80: 773-781. doi:10.1111/cen.12446.
2. Filus A., Zdrojewicz Z.: Insulinopodobny czynnik wzrostu-1 (IGF-1) – budowa i rola w organizmie człowieka. Pediatr. Endocrinol. Diabetes Metab., 2014:22(4), 161-169.
3. Engström W., Shokrai A., Otte K., Granérus M., Gessbo A., Bierke P., Madej A., Sjölund M., Ward A.: Transcriptional regulation and biological significance of the insulin like growth factor II gene. Cell. Prolif., 1998:31, 173-189.
4. Sara V.R., Hall K., Misaki M., Fryklund L., Christensen N., Wetterberg L.: Ontogenesis of somatomedin and insulin receptors in the human fetus. Journal of Clinical Investigation. 1983:71(5), 1084-1094.
5. Kero D., Cigic L., Medvedec Mikic I., et al.: Involvement of IGF-2, IGF-1R, IGF-2R and PTEN in development of human tooth germ – an immunohistochemical study. Organogenesis. 2016:12(3), 152-167. doi:10.1080/15476278.2016.1197460.
6. Kadakia R., Josefson J.: The Relationship of Insulin-Like Growth Factor 2 to Fetal Growth and Adiposity. Horm. Res. Paediatr., 2016:85, 75-82.
7. Józefiak A., Pacholska J., Kędzia W.: Rola IGF-1 i IGFBP w procesie neogenezy. Perinatologia, Neonatologia i Ginekologia, 2008:1, 175-183.
8. Chao W., D’Amore P.A.: IGF2: Epigenetic regulation and role in development and disease. Cytokine & growth factor reviews. 2008:19(2), 111-120. doi:10.1016/j.cytogfr.2008.01.005.
9. Aslan O., Hamill R.M., Davey G., McBryan J., Mullen A.M., Gispert M., Sweeney T.: Variation in the IGF2 gene promoter region is associated with intramuscular fat content in porcine skeletal muscle. Mol. Biol. Rep., 2012:39, 4101-4110.
10. Sacewicz M., Siejka A., ŁawnickaH., Stępień T., Komorowski J., Stępień H.: Działanie biologiczne somatoliberyny (ghrh) i analogów tego neurohormonu: spojrzenie w przyszłość. Postępy Nauk Medycznych, 2007:10, 386-394.
11. Adams J.M., Otero-Corchon V., Hammond G.L., Veldhuis J.D., Qi N., Low M.J.: Somatostatin Is Essential for the Sexual Dimorphism of GH Secretion, Corticosteroid-Binding Globulin Production, and Corticosterone Levels in Mice. Endocrinology, 2015:156(3), 1052-1065. doi:10.1210/en.2014-1429.
12. Chia D.J.: Minireview: Mechanisms of Growth Hormone-Mediated Gene Regulation. Molecular Endocrinology, 2014:28(7), 1012-1025. doi:10.1210/me.2014-1099.
13. Suwała A., Ziora K.: Budowa i funkcja insulinopodobnych czynników wzrostowych oraz objawy kliniczne niedoboru IGF-1 Endokrynol. Ped. 9/2010:3(32), 47-62. doi: 10.18544/EP-01.09.03.1284.
14. Kistner A., Sigurdsson J., Niklasson A., Löfqvist C., Hall K., Hellström A.: Neonatal IGF-1/IGFBP-1 axis and retinopathy of prematurity are associated with increased blood pressure in preterm children. Acta Paediatrica, 2014:103(2), 149-156.
15. Baumgarten S.C., Convissar S.M., Zamah A.M. et al.: FSH Regulates IGF-2 Expression in Human Granulosa Cells in an AKT-Dependent Manner. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 2015:100(8), E1046-E1055. doi:10.1210/jc.2015-1504.
16. Ziegler A.N., Levison S.W., Wood T.L.: Insulin and IGF receptor signalling in neural-stem-cell homeostasis. Nature reviews Endocrinology, 2015:11(3), 161-170. doi:10.1038/nrendo.2014.208.
17. Kahn B.B., Flier J.S.: Obesity and insulin resistance. Journal of Clinical Investigation, 2000:106(4), 473-481.
18. Casellas A., Mallol C., Salavert A. et al.: Insulin-like Growth Factor 2 Overexpression Induces β-Cell Dysfunction and Increases Beta-cell Susceptibility to Damage. The Journal of Biological Chemistry, 2015:290(27), 16772-16785. doi:10.1074/jbc.M115.642041.
19. Bonapace G., Concolino D., Formicola S., Strisciuglio P.: A novel mutation in a patient with insulin-like growth factor 1 (IGF1) deficiency. Journal of Medical Genetics, 2003:40(12), 913-917. doi:10.1136/jmg.40.12.913.
20. Kumar P.A., Brosius F.C., & Menon R.K.: The Glomerular Podocyte as a Target of Growth Hormone Action: Implications for the pathogenesis of diabetic nephropathy. Current Diabetes Reviews, 2011:7(1), 50-55.
21. Bach L.A., Hale L.J.: Insulin-like Growth Factors and Kidney Disease. Am. J. Kidney Dis., 2015:Feb 65(2), 327-336.
22. Fintini D., Brufani C., Cappa M.: Profile of mecasermin for the long-term treatment of growth failure in children and adolescents with severe primary IGF-1 deficiency. Therapeutics and Clinical Risk Management, 2009:5, 553-559.
23. Increlex, aneks charakterystyka produktu leczniczego, http://ec.europa.eu/health/documents/community-register/2007/2007080327008/anx_27008 _ pl. pdf.
24. Chernausek S.D., Backeljauw P.F., Frane J., Kuntze J., Underwood L.E.: Long-Term Treatment with Recombinant Insulin-Like Growth Factor (IGF)-I in Children with Severe IGF-1 Deficiency due to Growth Hormone Insensitivity. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, Volume 92, Issue 3, 1 March 2007, 902-910.
25. Flyvbjerg A., Landau D., Domene H. et al.: The role of growth hormone, insulin-like growth factors (IGFs), and IGF-binding proteins in experimental diabetic kidney disease. Metabolism, 1995:44, 67-71.
26. Kiepe D. et al.: Insulin-Like Growth Factors in Normal and Diseased Kidney. Endocrinology and Metabolism Clinics, Volume 41, Issue 2, 351-374.
27. Wang H., Xu J., Chen J., Little P.J., Zheng W.: Role of IGF-1 signaling in the pathology of diabetic retinopathy. Therapeutic Targets for Neurological Diseases, 2015:2, 785-93.
28. Romaniuk D., Kimsa M.W., Strzałka-Mrozik B. et al.: Gene expression of IGF1, IGF1R and IGFBP3 in epiretinal membranes of patients with proliferative diabetic retinopathy: Preliminary study. Mediators Inflamm., 2013:2013, 986217.
29. Ben-Skowronek I.: Growth factors in pathogenesis of retinal neurodegeneration in diabetes mellitus. Curr. Neuropharmacol., 2016:14(8), 792-804.
30. Kiagiadaki F., Savvaki M., Thermos K.: Activation of somatostatin receptor (sst 5) protects the rat retina from AMPA-induced neurotoxicity. Neuropharmacology, 2010:58, 297-303.
