Insulin: too much of a good thing is bad

Insulin signaling pathways

Binding of insulin to its cognate cell surface-bound receptor causes a conformational change which initiates a cascade of signaling events. Autofosforylacji przez kinazę tyrozynową receptora insulinowego towarzyszy fosforylacja tyrozynowa substratów receptora, takich jak substrat receptora insulinowego (IRS) i białka transformujące (SHC) zawierające domenę Src homologii 2. Fosforylacja IRS umożliwia wiązanie fosfatydyloinozytolo-3-kinazy (PI3K) i syntezę fosfatydyloinozytolu (3,4,5)-trójfosforanu (PIP3), co ostatecznie prowadzi do fosforylacji i aktywacji serynowo-treoninowej kinazy białkowej B (AKT). Po aktywacji AKT oddziałuje z kilkoma substratami, które pośredniczą w anabolicznym działaniu insuliny; należą do nich wychwyt glukozy, synteza glikogenu, lipogeneza de novo i synteza białek. Dodatkowe szlaki uruchamiane przez aktywowany receptor insulinowy obejmują fosforylację SHC, a następnie aktywację szlaku mięsaka szczura (Ras)-przyspieszonego włókniakomięsaka (Raf)-kinazy białkowej aktywowanej przezmitogen (MEK)-kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK). Końcowa kinaza ERK jest kinazą aktywowaną mitogenem, promującą proliferację komórek i dalsze czynności komórkowe, w tym syntezę białek. Inna ścieżka uruchamiana przez zaangażowany receptor insulinowy obejmuje aktywację oksydazy NADPH 4 i następujące po niej hamowanie nadtlenku wodoru fosfatazy i homologu tensyny (PTEN), który jest ważnym negatywnym regulatorem sygnalizacji PI3K (ryc. 1).

Metaboliczna sygnalizacja insuliny jest anaboliczna. Sygnalizacja insuliny przez receptor insulinowy angażuje kilka szlaków i prowadzi do anabolicznego stanu metabolizmu. Szlak kanoniczny poprzez fosfokinazy PI3K i AKT/PKB promuje wychwyt glukozy oraz syntezę glikogenu i lipidów, natomiast lipoliza jest hamowana w adipocytach, podobnie jak glukoneogeneza wątrobowa. Ponadto, kinazy AKT aktywują mTORC1, który wspomaga lipogenezę de novo i syntezę białek. Szlak sygnałowy insuliny poprzez SHC i kinazy MAP MEK i ERK promuje proliferację komórek i syntezę białek. Inny szlak sygnalizacyjny insuliny obejmuje NOX4 i hamowanie PTEN, inhibitora szlaku PI3K-AKT

Sekrecja insuliny

Sekrecja insuliny przez komórki β wysepek trzustkowych odpowiada na poziom krążących składników odżywczych, takich jak glukoza, aminokwasy i wolne kwasy tłuszczowe. Substancje słodzące mogą dodatkowo zwiększać sekrecję insuliny indukowaną węglowodanami. W regulacji aktywności komórek β bierze udział wiele czynników endogennych, zarówno stymulujących, hamujących, jak i zależnych od kontekstu. Należą do nich hormony, neurotransmitery i mediatory immunologiczne. Insulina jest niezbędna do utrzymania homeostazy glukozy, głównie poprzez ułatwianie poboru glukozy po posiłku do komórek mięśniowych i tłuszczowych poprzez translokację transportera glukozy 4 . W przypadku braku podaży glukozy w diecie i po wyczerpaniu zapasów glikogenu, glukoza w krążeniu pochodzi głównie z glukoneogenezy w wątrobie. Jeśli stężenie insuliny krążącej w krwiobiegu jest niższe niż wymagane do stymulacji wychwytu glukozy z krwi, endogenne zapasy tłuszczu i białka muszą być wykorzystane do produkcji energii. Dla utrzymania życia w stanie na czczo, stężenie insuliny krążącej waha się między około 25 a 70 pmol/l (25-75% percentyla), jak określono dla zdrowych dorosłych osób w National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) . W odpowiedzi na posiłki o różnej zawartości węglowodanów poziom insuliny może wzrosnąć do zakresu ok. 300-800 pmol/l .

Insulina sprzyja otyłości

Prawie 100 lat temu wstrzyknięcia insuliny były jedną z opcji terapii u osób bez cukrzycy, cierpiących z powodu niedożywienia w kontekście różnych chorób. Dawki insuliny mieściły się w zakresie tych stosowanych w cukrzycy typu 1 i prowadziły do zwiększenia apetytu i przyrostu masy ciała. Istotnie, jedną z głównych funkcji insuliny jako hormonu anabolicznego jest faworyzowanie magazynowania energii nad jej zużyciem. Świadczy o tym stwierdzenie, że wlew insuliny (1 mU/kg/min) znacząco hamuje lipolizę w mięśniach szkieletowych (o około 43%) i jeszcze skuteczniej w tkance tłuszczowej (o około 75%). Podwojenie stężenia insuliny na czczo wystarcza do zahamowania lipolizy o ok. 50% i pobudzenia lipogenezy (w obu przypadkach średnie stężenie insuliny dla 50% efektu (EC50) ok. 80 pmol/l). Przy takim stężeniu insuliny glukoneogeneza jest jeszcze w toku. Aby uzyskać półmaksymalne zahamowanie glukoneogenezy, stężenie insuliny musi wzrosnąć do ok. 160 pmol/l w krążeniu tętniczym. Aby pobudzić wychwyt glukozy do połowy maksimum, stężenie insuliny musi wzrosnąć do jeszcze wyższych wartości, około dziesięciokrotnie przekraczających stężenie insuliny na czczo (percentyle 25-75% dla pobudzenia wychwytu glukozy ok. 350-480 pmol/l). Tak więc już niewielki wzrost (podwojenie) stężenia insuliny na czczo w istotny sposób hamuje lipolizę i promuje lipogenezę, podczas gdy glukoneogeneza nie jest jeszcze zahamowana. Ponieważ tak małe wzrosty systemowych stężeń insuliny są wystarczające do sprzyjania adipogenezie, stężenia insuliny na czczo i w ciągu dnia są wyznacznikiem ryzyka otyłości. Istotnie, szereg danych przemawia za promującą otyłość rolą insuliny (szczegółowy przegląd patrz ) (ryc. 2).

Insulina promuje otyłość. Kilka niezależnych rodzajów obserwacji potwierdza wniosek, że insulina promuje adipogenezę i otyłość. For details, see description in the general text

These include epidemiological studies, which found high fasting insulin levels (and concomitant insulin resistance) in children and adolescents to be associated with higher weight gain in later years . Badania u dorosłych są mniej spójne. Interwencje farmaceutyczne, które obniżają wydzielanie insuliny, takie jak leczenie diazoksydem lub oktreotydem, prowadziły do znacznej utraty masy ciała. Pasuje to do obserwacji, że insulinoterapia promuje przyrost masy ciała. Jednym z prawdopodobnych powodów jest to, że poziomy insuliny w wysokim normalnym zakresie są bliskie stężeniom EC50 dla hamowania lipolizy .

W myszach, umiarkowane obniżenie stężenia krążącej insuliny przez manipulację genetyczną genów insuliny spowodowało odporność na przyrost masy ciała pomimo diety wysokotłuszczowej . Zmniejszenie ekspresji genów insuliny u dorosłych myszy poprzez częściową ablację genów odwróciło otyłość indukowaną dietą. U mężczyzn stwierdzono, że polimorfizm Hph1 „T” w regionie genu insuliny jest związany z wyższym poziomem insuliny na czczo i szybszym przyrostem masy ciała u osób otyłych. Analiza randomizacji mendlowskiej wykazała, że osoby z genetycznie uwarunkowaną wyższą sekrecją insuliny na doustną glukozę wykazywały wyższy wskaźnik masy ciała (BMI), wspierając związek przyczynowy między insuliną a ryzykiem otyłości.

Patrząc łącznie, umiarkowany do wysokiego prawidłowy poziom insuliny u osób zdrowych metabolicznie wydaje się być czynnikiem ryzyka rozwoju otyłości.

Podwyższone stężenia insuliny upośledzają funkcje komórkowe – „toksyczność” insuliny

Istnieją liczne dowody na to, że przejściowe wzrosty poziomów mediatorów metabolicznych lub immunologicznych są łagodnymi reakcjami fizjologicznymi na wyzwania biochemiczne, takie jak wzrost ogólnoustrojowego stężenia glukozy lub cytokin po posiłkach. Jednakże, przewlekłe podwyżki takich mediatorów, nawet jeśli skromne w amplitudzie, są zazwyczaj szkodliwe dla funkcji komórkowych. W przypadku glukozy, termin toksyczność glukozy został ukuty w celu opisania tego zjawiska. Przedłużające się warunki podwyższonego stężenia glukozy powodują dysfunkcję wielu typów komórek w organizmie, w tym komórek beta, neuronów i śródbłonka, za pośrednictwem kilku ścieżek, w tym zwiększonego stresu oksydacyjnego i aktywacji szlaku sorbitolowego. Jak opisano poniżej, wydaje się, że istnieje podobny szkodliwy wynik długotrwałego podwyższonego stężenia insuliny na funkcje komórkowe, odpowiednim terminem byłaby toksyczność insuliny.

Gdy komórki są narażone na stale podwyższony poziom insuliny, dochodzi do częściowego wyregulowania sygnalizacji insulinowej. Wynikająca z tego „insulinooporność” nie wynika przede wszystkim z mniejszej ekspresji receptora insulinowego na powierzchni komórki, ale z upośledzonej transdukcji sygnału insulinowego w wyniku dysfunkcji receptora. W odpowiedzi na długotrwałą hiperinsulinemię dochodzi do zmniejszenia autofosforylacji receptora insulinowego, w porównaniu z obserwowaną po krótkotrwałej ekspozycji na insulinę, a kolejne etapy szlaku sygnałowego PI3K-AKT są zaburzone. W konsekwencji w komórkach mięśniowych i tłuszczowych obserwuje się mniejszą stymulowaną przez AKT translokację GLUT 4 na powierzchnię komórki (ryc. 3). Tak więc insulinooporność może być postrzegana jako mechanizm ochronny zapobiegający nadmiernej aktywacji transportu glukozy z krwi mimo przewlekle podwyższonego stężenia insuliny, utrzymujący homeostazę glukozy in vivo oraz łagodzący stres metaboliczny i oksydacyjny spowodowany nadmiernym napływem glukozy. Ograniczenie eksportu glukozy z krwi nie musi wymagać tłumienia sygnalizacji insulinowej. W pierwszych tygodniach żywienia wysokokaloryczną dietą myszy wykazują zmniejszony, zależny od insuliny wychwyt glukozy, mimo niezaburzonej fosforylacji AKT stymulowanej insuliną (ryc. 3). Interesującym aspektem jest to, że podział izoform A i B receptorów insulinowych oraz hybrydowych receptorów insulinowych / insulinopodobnego czynnika wzrostu-1 między typy komórek może przyczyniać się do insulinooporności w niektórych tkankach, ale znaczenie patofizjologiczne jest nieznane .

Sygnalizacja insuliny podczas insulinooporności. Podczas insulinooporności sygnalizacja poprzez kinazy AKT jest częściowo upośledzona. Nie wszystkie szlaki zależne od AKT są zaburzone, podobnie jak inne szlaki sygnalizacyjne, co wskazuje, że insulinooporność jest selektywna. Dlatego hiperinsulinemia, w obecności insulinooporności, promuje anaboliczną aktywność komórek poprzez szlak MEK-ERK i poprzez mTORC1. Mimo że szlak PI3K/AKT jest upośledzony w insulinooporności i zapewnia jedynie niewystarczającą translokację GLUT4 do wychwytu glukozy oraz niewystarczającą aktywację eNOS, wydaje się, że aktywacja mTORC1 jest prawidłowa. Oprócz przedstawionych na rycinie anabolicznych konsekwencji sygnalizacji poprzez szlak MEK/ERK, dochodzi do zwiększonej ekspresji ET-1 i PAI-1 (nie pokazano), a także do zahamowania autofagii i czynnika jądrowego Nrf2, co upośledza odpowiednio obrót składnikami komórkowymi i mechanizmy obronne komórek przed stresem rodnikowym. Hiperinsulinemia obniża wychwyt glukozy nie tylko poprzez tłumienie szlaku PI3K/AKT („insulinooporność”), ale także poprzez nieznane dotąd inne szlaki

Zjawisko toksyczności insuliny częściowo wynika z faktu, że istnieją dodatkowe odpowiedzi komórkowe na podwyższone stężenie insuliny, które nie są tonizowane podczas insulinooporności (ryc. 3). Obejmują one wzrost syntezy białek i akumulację ubikwitynowanych lub w inny sposób modyfikowanych białek, prawdopodobnie z powodu niewystarczającej degradacji tych polipeptydów. Stwierdzono istotną rolę sygnalizacji insuliny poprzez kanoniczny szlak kinazy aktywowanej mitogenami (MAP) Ras-MEK-ERK, jak również poprzez aktywację oksydazy NADPH 4. Nawet niektóre szlaki zależne od AKT nie wydają się być tłumione przez insulinooporność, takie jak lipogeneza de novo w hepatocytach lub wzrost regulacji mechanistycznego celu kompleksu rapamycyny 1 (mTORC1). Zwiększona aktywność mTORC1 prowadzi do zwiększonej syntezy białek i pogorszenia funkcji komórek w dużej mierze z powodu stłumionej autofagii .

Więc przewlekła ekspozycja komórek na wysokie stężenia insuliny w otoczeniu powoduje nierównowagę odpowiedzi komórkowych z powodu wyregulowania niektórych szlaków sygnalizacyjnych insuliny („insulinooporność”), ale nie innych. Wynikający z tego stan funkcjonalny komórek charakteryzuje się niezrównoważoną aktywnością anaboliczną insuliny sprzyjającą syntezie białek przy jednoczesnym hamowaniu autofagii. To ostatnie hamuje autofagiczne usuwanie i obrót białek i lipidów, co sprzyja starzeniu się komórek. W krótkoterminowych eksperymentach ekspozycji na wysokie stężenie insuliny obserwuje się ochronną odpowiedź komórkową na stres, unfolded protein response, prawdopodobnie z powodu akumulacji pochodnych białek przy braku wystarczającej ich utylizacji. W eksperymentalnie wywołanej lub związanej z cukrzycą przewlekłej insulinooporności (i hiperinsulinemii), taka ochronna odpowiedź stresowa retikulum endoplazmatycznego na wysokie poziomy insuliny jest zmniejszona lub nieobecna .

Innym działaniem insuliny jest supresja transkrypcji czynnika jądrowego Nrf2 poprzez indukcję heterogenicznych rybonukleoprotein F i K . Nrf2 jest centralnym regulatorem odpowiedzi ochronnej komórek przed stresem oksydacyjnym i innymi rodzajami stresu elektrofilowego. Supresja ekspresji Nrf2 ma upośledzać antyoksydacyjne i cytoprotekcyjne zdolności obronne komórek. Sygnalizacja insulinowa wymagana do zahamowania Nrf2 odbywa się poprzez szlak kinazy MAP i dlatego nie jest łagodzona przez insulinooporność (ryc. 3). Można zatem przypuszczać, że hiperinsulinemia zwiększa podatność komórek na stres oksydacyjny lub inny stres elektrofilowy wywołany czynnikami środowiskowymi. Długotrwała ekspozycja komórek na wysokie stężenia insuliny może być zatem traktowana jako toksyczna. Rzeczywiście, stwierdzono, że ekspozycja na insulinę w stężeniu 0,5 nmol/l powoduje uszkodzenie DNA w wielu typach komórek, w tym w limfocytach ludzkich. W jedynym badanym stężeniu (100 nmol/l), insulina upośledza obronę przed rodnikami tlenowymi i uwrażliwia szlaki apoptozy w ludzkich wysepkach . W mózgu myszy hiperinsulinemia upośledza funkcje elektrofizjologiczne neuronów i obrót białek, powodując przejście w stan komórek starzejących się i towarzyszące temu pogorszenie zdolności poznawczych. Bezpośrednia toksyczna właściwość insuliny zasługuje na dalsze badania.

Przewlekle podwyższone stężenia insuliny upośledzają funkcje organizmu

Długowieczność

Powyższa lista szkodliwych odpowiedzi komórkowych na wysokie stężenia insuliny w otoczeniu sugeruje równoczesne upośledzenie funkcji na poziomie organizmu. Pasuje to do zaobserwowanego wpływu insuliny na długowieczność. Badania w systemach modelowych bezkręgowców, takich jak nicień Caenorhabditis elegans lub muszka owocowa Drosophila melanogaster wykazują, że umiarkowana lub wysoka aktywność insuliny skraca długość życia. Z badań na modelach mysich wynika, że zmniejszona sygnalizacja hormonów anabolicznych takich jak insulina, insulinopodobny czynnik wzrostu czy hormon wzrostu powoduje wydłużenie życia. Zaburzenie genu substratu receptora insulinowego 1 powodowało insulinooporność z defektami w sygnalizacji insuliny i prowadziło do wydłużenia życia o 14-16%. Znokautowanie receptora insulinowego w tkance tłuszczowej myszy spowodowało wydłużenie życia o 18%. Zaburzenie genu Ins1 i jednego z dwóch mysich alleli Ins2 obniżyło poziom insuliny o 25-34% (myszy Ins2+/- vs. Ins2+/+ kontrole) u starzejących się samic myszy bez zmiany poziomu krążącego insulinopodobnego czynnika wzrostu (IGF)-1. Te starzejące się eksperymentalne myszy wykazywały niższe stężenie glukozy na czczo, lepszą wrażliwość na insulinę i 3-11% wydłużenie życia przy stosowaniu dwóch różnych diet. Jednocześnie, proteom i transkryptom wskazywały na profil związany ze zdrowym starzeniem się. Ważnym aspektem jest fakt, że badanie to dotyczyło wyłącznie insuliny. Inne interwencje mające na celu promowanie długowieczności lub przedłużenie healthspan, takie jak ograniczenie kalorii, nie tylko obniżają poziom insuliny w ciągu dnia, ale kilka dodatkowych hormonów, w tym IGF-1, są również dotknięte .

Insulina, IGF-1 i hybrydowe receptory insuliny/IGF-1 dzielą się sygnalizacją poprzez PI3K i AKT. Późniejsza aktywacja kinazy białkowej mTORC1 jest główną drogą wspierania wzrostu somatycznego, syntezy białek i płodności, przy jednoczesnym hamowaniu autofagii i długości życia. Hamowanie sygnalizacji mTOR poprzez leczenie rapamycyną wydłuża życie u organizmów modelowych i myszy. U ludzi, hiperinsulinemia w (przed) cukrzycy typu 2 jest związana ze zwiększoną aktywnością mTORC1, która może mieć negatywny wpływ na przeżycie komórek beta, healthspan i długowieczność. W Leiden Longevity Study, obserwacja nonagenarian przez 10 lat wykazała silne powiązanie niskiego poziomu insuliny i glukozy ze zdrowym starzeniem się

Since both IGF-1 and insulin employ PI3K and AKT for signal transduction, it is difficult to disentangle the contribution of insulin versus IGF-1 to the modulation of longevity. W modelach zwierzęcych, selektywne obniżenie poziomu krążącej insuliny poprawiło długość życia myszy, a u osób starszych z Leiden Longevity Study, tylko insulina i glukoza, ale nie IGF-1, konsekwentnie spełniały wszystkie cztery wstępnie zdefiniowane kryteria zdrowego starzenia się. Dlatego też można stwierdzić, że niskie stężenie insuliny nie jest jedynie markerem długowieczności, ale jest przyczynowo zaangażowane w promowanie healthspan lub wydłużenie życia.

Złośliwe połączenie hiperinsulinemii z insulinoopornością

Oporność na insulinę definiuje się jako osłabiony wpływ insuliny na homeostazę glukozy we krwi, głównie poprzez mniej efektywny eksport glukozy z krwi do mięśni szkieletowych, tkanki tłuszczowej i wątroby. Trwale podwyższone stężenie insuliny we krwi jest często uważane za próbę przezwyciężenia insulinooporności. Rzeczywiście, indukcja insulinooporności przez genetyczne zaburzenie sygnalizacji insulinowej, a także przez zwiększone stężenie hormonu wzrostu lub środowisko zapalne, powoduje hiperinsulinemię. Przeciwna przyczynowość ma większe znaczenie. Hiperinsulinemia podczas infuzji insuliny u ludzi prowadzi do ogólnoustrojowej insulinooporności, natomiast in vitro wysokie stężenia insuliny w otoczeniu powodują wzrost insulinooporności w izolowanych adipocytach. Zbiorcza analiza dziewięciu badań u gryzoni i siedmiu prób u ludzi potwierdziła, że pierwszą wykrywalną zmianą w stanie na czczo, po kilkudniowym żywieniu dietą wysokokaloryczną, jest wzrost podstawowego stężenia insuliny, ale nie stężenia glukozy we krwi ani insulinooporności. Zarówno zwiększone wydzielanie insuliny przez komórki ß, jak i zmniejszony klirens insuliny w wątrobie przyczyniają się do podwyższonego stężenia insuliny po posiłku, przy czym to ostatnie ma podstawowe znaczenie w przypadku pokarmów bogatych w węglowodany .

Połączenie hiperinsulinemii i insulinooporności wydaje się promować nadciśnienie tętnicze i aterogenezę (ryc. 4). Jedną z ważnych cząsteczek dla utrzymania funkcji naczyń, w tym relaksacji warstwy mięśni gładkich tętnic, jest tlenek azotu (NO), który jest generowany przez śródbłonkową syntazę NO (eNOS). Insulina zwiększa produkcję NO poprzez potranslacyjną modyfikację eNOS za pośrednictwem aktywności PI3K/AKT, jednak mechanizm ten jest tłumiony podczas insulinooporności. Zmniejszona lokalna produkcja NO upośledza relaksację mięśni gładkich tętnic i towarzyszącą jej wazodylatację. Ważnym czynnikiem w tym kontekście jest homeostaza jonów wapnia w komórkach mięśni gładkich naczyń. W warunkach fizjologicznych insulina promuje zarówno napływ wapnia do cytoplazmy komórek mięśni gładkich poprzez kilka kanałów jonowych, w tym kanały typu L i store-operated Ca2+, jak i kontrregulowany przez NO odpływ jonów Ca2+ i K+, co zapobiega indukowanej jonami wapnia fosforylacji łańcuchów lekkich miozyny i związanej z tym kurczliwości naczyń. Podczas insulinooporności produkcja NO jest upośledzona, podczas gdy wspomagający wpływ insuliny na napływ jonów wapnia (poprzez PI3K delta i prawdopodobnie szlak MEK-ERK) i skurcz naczyń jest nadal obecny (ryc. 4) .

Hyperinsulinemia, insulinooporność i choroby sercowo-naczyniowe. Wysokie stężenie insuliny we krwi może wystąpić w wyniku predyspozycji genetycznych, nadmiernego odżywiania lub leczenia cukrzycy typu 2 insuliną w dużych dawkach. Hiperinsulinemia wywołuje „insulinooporność” jako reakcję obronną mającą na celu utrzymanie homeostazy glukozy. I odwrotnie, insulinooporność może być indukowana bezpośrednio, np. przez hormon wzrostu lub cytokiny prozapalne. Hiperinsulinemia i insulinooporność zwiększają ryzyko chorób sercowo-naczyniowych poprzez indukcję dysfunkcji śródbłonka, supresję śródbłonkowej syntazy tlenku azotu (eNOS) oraz aktywację i promocję napływu jonów wapnia do komórek mięśni gładkich, co skutkuje zwiększeniem napięcia naczyń, zwiększeniem reabsorpcji jonów sodu w kanalikach nerkowych, adhezją makrofagów do ściany naczynia, i rozwój zmian tętniczych ze zwiększoną aktywnością lipazy lipoproteinowej i chorobą sercowo-naczyniową

W tym samym czasie insulina sygnalizuje poprzez szlak kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAP) zwiększenie ekspresji endoteliny-1 (ET-1), inhibitora aktywatora plazminogenu-1 (PAI-1), cząsteczek adhezyjnych i cytokin prozapalnych. Układ renina-angiotensyna jest aktywowany w kontekście dysfunkcji śródbłonka i wraz ze zmniejszonym wytwarzaniem NO i zwiększonym wydzielaniem ET-1 przyczynia się do usztywnienia naczyń i wzrostu napięcia naczyniowego. W przypadku braku hiperinsulinemii/insulinooporności niższe stężenie insuliny wywiera mniejsze potencjalne działanie proaterogenne, któremu przeciwdziała stymulowana insuliną lokalna produkcja NO. Podwyższone stężenie insuliny zwiększa również ryzyko nadciśnienia tętniczego poprzez nasilenie nerkowej reabsorpcji jonów sodowych za pośrednictwem kilku systemów transportowych w różnych segmentach nefronu (ryc. 4). Sygnalizacja insuliny odbywa się za pośrednictwem substratu receptora insulinowego 2 (IRS2) i nie jest tłumiona podczas insulinooporności, podczas gdy sygnalizacja za pośrednictwem IRS1 dla mechanizmów kontrregulacyjnych, w tym lokalnej produkcji NO, jest upośledzona. Te szkodliwe działania mogą być złagodzone podczas przewlekłej hiperinsulinemii/insulinooporności. Jednak metaanaliza 11 prospektywnych badań epidemiologicznych wykazała, że łączne ryzyko względne nadciśnienia wynosiło 1,54 przy porównaniu najwyższej do najniższej kategorii stężenia insuliny na czczo oraz 1,43 przy porównaniu najwyższej do najniższej (selektywnej) kategorii insulinooporności, obliczanej jako model homeostazy oceniający insulinooporność (HOMA-IR) .

W konsekwencji dysfunkcji śródbłonka podczas długotrwałego leczenia insuliną powstają zmiany tętnicze bogate w lipidy. Progresji wczesnych zmian w postaci smug tłuszczowych do blaszek miażdżycowych towarzyszy adhezja i aktywność prozapalna makrofagów, które ostatecznie przekształcają się w komórki piankowate. Proces ten jest napędzany przez aktywność lipazy lipoproteinowej śródbłonka i makrofagów, co wykazano obserwując mniejszą miażdżycę u myszy z inaktywowanym genem lipazy lipoproteinowej. Aktywność lipazy lipoproteinowej w makrofagach jest zwiększona przy wyższych poziomach insuliny in vivo, ale nie ma bezpośredniego efektu stymulującego insuliny na izolowane makrofagi .

Obawa, że hiperinsulinemia może promować chorobę tętnic u osób z cukrzycą, rozwinęła się w późnych latach sześćdziesiątych, w związku ze stałym wzrostem częstości występowania miażdżycy u osób z cukrzycą, pomimo poprawy glikemii i zmniejszenia ryzyka ketozy dzięki insulinoterapii . Od tego czasu wiele danych potwierdza spostrzeżenie, że insulinooporność (i hiperinsulinemia) jest markerem zwiększonego ryzyka chorób układu sercowo-naczyniowego w populacji ogólnej i u chorych na cukrzycę. Chociaż badania obserwacyjne sugerowały w przybliżeniu liniową zależność między nasileniem hiperglikemii a uszkodzeniem naczyń, kilka dużych randomizowanych badań kontrolowanych wykazało, że intensywna kontrola glikemii per se nie zmniejsza ryzyka zdarzeń makronaczyniowych/ sercowo-naczyniowych; w rzeczywistości insulinoterapia może nawet zwiększać to ryzyko. Badania te nie były jednak randomizowane pod kątem leczenia insuliną, a leczenie czynników ryzyka CVD nie było podobne w poszczególnych podgrupach pacjentów. W badaniu United Kingdom Prospective Diabetes Study (UKPDS) hiperinsulinemia i insulinooporność nie zostały złagodzone przez leczenie insuliną, a stężenie insuliny w osoczu na czczo nawet wzrosło. Natomiast w UKPDS i innych badaniach doustne leczenie metforminą z grupy biguanidów zmniejszało ryzyko zdarzeń sercowo-naczyniowych i równolegle zmniejszało insulinooporność i hiperinsulinemię.

W badaniach epidemiologicznych dotyczących cukrzycy typu 2 konsekwentnie obserwowano, że dodanie insuliny do schematu leczenia lub intensyfikacja leczenia insuliną skutkują większą częstością zdarzeń sercowo-naczyniowych (ryc. 5). Istotnie, wykazano, że ryzyko wzrasta wraz ze wzrostem dawki insuliny. Te badania epidemiologiczne mogą być obciążone resztkowymi błędami, ponieważ trudno jest uwzględnić możliwe bardziej zaawansowane stadium choroby u pacjentów otrzymujących insulinę. Dodatkowym czynnikiem zakłócającym może być większa częstość występowania hipoglikemii. Jednak kowarianty uwzględnione w analizach statystycznych obejmują szeroki zakres potencjalnych czynników ryzyka z 18 różnych kategorii (tabela 1 suplementu). W dużych randomizowanych badaniach kontrolowanych, takich jak UKPDS lub Outcome Reduction With Initial Glargine Intervention (ORIGIN) Trial, nie zaobserwowano zwiększonej częstości występowania chorób układu sercowo-naczyniowego w przypadku insulinoterapii, ale badania te koncentrowały się na insulinoterapii małymi dawkami, odpowiednio do mediany 40 j./dobę (lub 0,4 j./kg/dobę). Nie przeprowadzono podobnych randomizowanych badań dotyczących insulinoterapii w większych dawkach, typowych dla warunków rzeczywistych. Ostatnie badania dotyczące rzeczywistych warunków klinicznych donoszą o średnich dobowych dawkach insuliny bazowej wynoszących blisko 0,60 j./kg w kanadyjskim badaniu REALITY Study u pacjentów z cukrzycą typu 2 leczonych insuliną oraz 0,73 j./kg w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród lekarzy w Nowym Jorku. W europejskim wieloośrodkowym badaniu EU-TREAT średnie wyjściowe dawki insuliny wynosiły od 32 do 54 U na dobę, w zależności od rodzaju zastosowanego schematu insulinoterapii . Można stwierdzić, że w warunkach rzeczywistych większość doświadczonych przez insulinę pacjentów z cukrzycą typu 2 otrzymuje większe dawki insuliny na dobę niż dawki wypróbowane w badaniach UKPDS lub ORIGIN.

Współczynnik ryzyka leków insulinowych w porównaniu z różnymi lekami referencyjnymi. Przedstawiono skorygowane współczynniki zagrożenia (HR) dla każdego badania z 95% przedziałem ufności. #umiarkowana ekspozycja na insulinę; +wysoka ekspozycja na insulinę; *umiarkowana dawka insuliny (75 do < 100 jednostek na dobę); §wysoka dawka insuliny (> 100 jednostek na dobę)

W przypadku braku randomizowanych badań kontrolowanych, randomizacja mendlowska jest odpowiednim podejściem do badania związku przyczynowego u ludzi. W badaniach z randomizacją mendlowską wykorzystano ustalenie, że niektóre genotypy są związane z wysokim lub niskim poziomem insuliny na czczo. Porównując osoby posiadające ≥ 17 alleli, które podnoszą poziom insuliny na czczo, z osobami wykazującymi genetycznie uwarunkowany niski poziom insuliny na czczo, zaobserwowano zwiększone ryzyko podwyższonego ciśnienia tętniczego, chorób sercowo-naczyniowych i cukrzycy typu 2. W dwóch dużych, przeprowadzonych ostatnio badaniach z randomizacją mendlowską, profil genetyczny przewidujący wysokie stężenie insuliny we krwi, po skorygowaniu o BMI, wiązał się również z podwyższonym skurczowym ciśnieniem tętniczym i ryzykiem zawału serca .