Insulina

Insulina jest anabolicznym hormonem peptydowym wytwarzanym przez komórki beta wysp Langerhansa części wewnątrzwydzielniczej trzustki. Reguluje stężenie glukozy we krwi uczestnicząc w metabolizmie węglowodanów, białek i tłuszczów. Wydzielanie insuliny jest ściśle regulowane przez poziom glukozy we krwi i zachodzi w trzech fazach. Niedobór tego hormonu, jego brak lub nieodpowiednia odpowiedź organizmu może prowadzić do rozwoju cukrzycy. Insulinoterapia stanowi podstawę leczenia cukrzycy typu 1, a najczęściej stosowanym schematem jest metoda wielokrotnych wstrzyknięć.

1. Odkrycie insuliny

Insulina po raz pierwszy została wyizolowana w 1922 roku przez Fredericka Bantinga i jego asystentów Charlesa Besta oraz Jamesa Collipa i Johna Macleoda z psiej trzustki. [1] W 1923 roku Bantig za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla. W 1955 roku Frederick Sanger ustalił sekwencję aminokwasową insuliny, za co trzy lata później również otrzymał Nagrodę Nobla. W 1963 roku po raz pierwszy zsyntetyzowano ją chemicznie. Natomiast w 1969 roku Dorothy Crowfoot Hodgkin ustaliła budowę przestrzenną insuliny za pomocą krystalografii rentgenowskiej. Odkrycie insuliny jest jednym z największych odkryć medycznych XX wieku, a hormon ten pozostaje do dziś jedyną skuteczną terapią dla osób z cukrzycą typu 1. [2]

2. Biosynteza insuliny

Insulina należy do hormonów peptydowych i powstaje z połączenia 51 reszt aminokwasowych. Jej cząsteczka składa się z 2 łańcuchów polipeptydowych alfa (A) i beta (B). Zawiera trzy mostki dwusiarczkowe – dwa pomiędzy łańcuchem A i B oraz trzeci łączący dwie reszty cysteiny w obrębie polipeptydu A. [3] Biosynteza insuliny przebiega podobnie do innych hormonów peptydowych. Najpierw dochodzi do transkrypcji genu insuliny oraz translacji mRNA powstałego na matrycy DNA. Biosynteza białka zachodzi dzięki rybosomom znajdującym się na retikulum endoplazmatycznym szorstkim (RER). W wyniku tego powstaje cząsteczka preproinsuliny składającej się z peptydu sygnałowego, peptydu A, B oraz C. Peptyd sygnałowy kieruje preprohormon do światła siateczki. W RER dochodzi do odcięcia sekwencji sygnałowej, w wyniku czego powstaje proinsulina zawierająca mostki dwusiarczkowe. Następnie proinsulina zostaje przetransportowana do aparatu Golgiego. W pęcherzyku wydzielniczym zawierającym odpowiednie enzymy proteolityczne, które tną proinsulinę na insulinę i peptyd C. Po otrzymaniu odpowiedniego sygnału uwalniającego komórka beta trzustki uwalnia zawartość pęcherzyka do przestrzeni śródmiąższowej na drodze egzocytozy. W rezultacie insulina dostaje się do krwi, z którą jest rozprowadzana po organizmie. Biologiczny czas półtrwania insuliny w krążeniu wynosi około 5 minut. [4]

3. Wydzielanie insuliny

Wydzielanie podstawowe insuliny zachodzi stale i utrzymuje się na niskim poziomie. Charakteryzuje się typowym rytmem dobowym, ze szczytem w godzinach porannych i spadkiem w godzinach wieczornych. Wahania te są znacznie wyższe u osób otyłych niż szczupłych. Poza tym insulina jest wydzielana pod wpływem różnych czynników pobudzających. Stymulują one uwalnianie hormonu już zmagazynowanego w ziarnistościach wydzielniczych aparatu Golgiego, wpływają na jego syntezę lub oddziałują na oba te procesy jednocześnie.[5]

Wyróżnia się dwie pule insuliny. Pierwsza jest uwalniana łatwo i szybko z dojrzałych ziarnistości. Druga wytwarzana jest de novo, a jej uwalnianie trwa dłużej – około 2 godzin po podaniu glukozy, i dostarcza więcej insuliny. [5] Najsilniejszym i najbardziej fizjologicznym bodźcem uwalniającym insulinę z komórek beta jest wzrost stężenia glukozy we krwi. Gdy 2-3-krotnie przekroczy normę, dochodzi do gwałtownego wyrzutu insuliny z komórek beta i podniesienia jej stężenia w osoczu krwi. Wzrost stężenia insuliny jest proporcjonalny do wzrostu stężenia glukozy i przebiega w 3 etapach. Faza pierwsza występuje natychmiast po spożyciu posiłku, gdzie w ciągu 3-5 minut dochodzi do szczytu wydzielania insuliny. Jest on zależny od wyrzutu do krążenia hormonu poprzednio wytworzonego i zmagazynowanego w ziarnistościach komórek beta. Następnie dochodzi do równie szybkiego spadku stężenia hormonu we krwi i powrotu do wartości wyjściowej po upływie 5-10 minut. Jeśli zwiększone stężenie glukozy we krwi utrzymuje się, dochodzi do II fazy uwalniania insuliny. Polega ona na stałym, stopniowym wydzielaniu hormonu, którego szczyt występuje po upływie 2-3 godzin od posiłku. Insulina uwalniana w tej fazie pochodzi zarówno z mobilizacji wcześniej zmagazynowanych ziarnistości, jak również syntezy de novo. W warunkach przewlekłej hiperglikemii wysokie stężenie insuliny utrzymuje się oraz dochodzi do hiperstymulacji i przerostu komórek B, co stanowi fazę III. [5]

Drugim czynnikiem silnie pobudzającym wydzielanie insuliny jest obecność węglowodanów w świetle jelit. Stymulują one uwalnianie insuliny, zanim jeszcze nastąpi ich wchłanianie i wzrost stężenia glukozy we krwi. Udowodniono, że glukoza podana dojelitowo znacznie silniej pobudza komórki beta trzustki i uwolnienie insuliny niż ta podana dożylnie. Jest to spowodowane uaktywnieniem osi jelitowo-trzustkowej przez węglowodany, w którym uczestniczą odruchy nerwowe oraz hormony jelitowe, takie jak żołądkowy peptyd hamujący (GIP), cholecystokinina, gastryna i inkretyny. [5]

Do innych czynników pobudzających wydzielanie insuliny należą pozostałe monocukry (mannoza i fruktoza), kwasy tłuszczowe, aminokwasy i niektóre pośrednie produkty cyklu Krebsa (pirogronian i fumaran) oraz stymulacja przywspółczulna [5]. Z kolei hamowanie wydzielania insuliny występuje na skutek działania somatostatyny, stymulacji współczulnej, ciężkiego wysiłku fizycznego i głodu. [4]

4. Receptory insulinowe

Insulina krążąca we krwi jest wychwytywana przez tkanki, a maksymalny efekt jej działania występuje od 2 do 4 godzin od połączenia z receptorami. Hormon ten działa na komórki docelowe za pośrednictwem swoistych receptorów insulinowych znajdujących się w wielu różnych komórkach wychwytujących glukozę. Najwięcej z nich znajduje się w wątrobie, mięśniach i komórkach tłuszczowych. [3]

Receptor insulinowy ma strukturę tetrameru składającego się z dwóch podjednostek alfa i dwóch beta połączonych mostkami dwusiarczkowymi. Podjednostki alfa znajdują się na zewnątrz błony komórkowej i są miejscem wiązania insuliny. Podjednostki beta wnikają w głąb błony komórkowej i sięgają do cytoplazmy. Po połączeniu jednostki alfa z insuliną dochodzi do autofosforylacji w zakresie tyrozyny podjednostki beta. Proces ten przekształca receptor w kinazę tyrozynową, która fosforyluje inne białka w komórkach docelowych. Kompleks insulina-receptor zostaje wciągnięty przez błonę do cytoplazmy i w ten sposób insulina podlega tzw. internalizacji. Wraz z kompleksem przez błonę przedostaje się także proteaza insulinowa, czyli enzym znajdujący się w błonie komórkowej. Po wywołaniu reakcji biologicznej zinternalizowana insulina ostatecznie zostaje rozłożona w endosomach. [5]

5. Efekty działania insuliny

Zakres fizjologicznego wpływu insuliny obejmuje efekty szybkie (zachodzące w ciągu kilku sekund), wolne (zachodzące w ciągu kilku minut) i opóźnione (w ciągu kilku godzin). Szybkie efekty obejmują wzrost transportu błonowego glukozy, aminokwasów i jonów K+ do komórek docelowych. Do efektów wolnych należy stymulacja syntezy białka i zahamowanie jego rozpadu, aktywacja enzymów syntezy glikogenu i enzymów szlaku glikolitycznego oraz zahamowanie fosforylaz i enzymów glukoneogenezy. Opóźniony efekt polega na wzmożeniu transkrypcji selektywnych odcinków DNA w jądrze oraz wzrost mRNA dla różnych enzymów indukowanych przez insulinę, z następczym zwiększeniem syntezy tych enzymów (np. lipogenicznych). [3]

5.1. Przemiana węglowodanów

Insulina wpływa na przemianę węglowodanów poprzez zwiększenie utylizacji glukozy w mięśniach, wątrobie i tkance tłuszczowej, zmniejszenie glukoneogenezy oraz zwiększenie magazynowania glikogenu. Głównym skutkiem działania insuliny jest hipoglikemia powstająca w wyniku działania hormonu m.in. na miocyty, adipocyty, leukocyty, fibroblasty czy komórki przysadki. Mechanizm działania hipoglikemicznego insuliny polega na przyspieszonym transporcie ułatwionym glukozy przez błonę komórkową. Dzieje się to na skutek zwiększenia liczby swoistych transporterów glukozy (od GLUT-1 do GLUT-5) w komórkach insulinowrażliwych. Dzięki temu procesowi wzrasta wchłanianie cząsteczek glukozy przez błonę komórkową. Następnie glukoza podlega natychmiastowej fosforylacji, co obniża jej stężenie w komórce i zwiększa gradient stężeń poprzez błonę komórkową, zgodnie z którym odbywa się dalszy transport ułatwiony glukozy. Po zahamowaniu stymulacji insulinowej transportery glukozowe wracają do cytoplazmy, tworzą pęcherzyki i czekają na kolejny sygnał ze strony insuliny. Insulina nie wpływa na transport i zużycie glukozy w takich tkankach jak mózg, błona śluzowa jelit i krwinki czerwone. W wyniku jej działania dochodzi do wzrostu glikolizy na skutek aktywacji kluczowych enzymów glikolitycznych – glukokinazy, fosfofruktokinazy oraz kinazy pirogronianowej. Równocześnie hamowana jest synteza enzymów katalizujących glukoneogenezę, zwłaszcza karboksylazy pirogronianowej, karboksylazy fosfoenolopirogranianowej, fruktozo-1,6-bifosfatazy i glukozo-6-fosfatazy. [5,6]

5.2. Przemiana tłuszczów

Insulina zwiększa lipogenezę i zmniejsza lipolizę, przez co zapobiega ketozie. W adipocytach insulina wyraźnie hamuje mobilizację i uwalnianie kwasów tłuszczowych wywołane przez adrenalinę lub glukagon. Dzieje się to poprzez hamowanie aktywności cyklazy adenylanowej, spadek stężenia cAMP w adipocytach oraz hamowanie hormonowrażliwej lipazy wewnątrzkomórkowej. Tym samym zmniejsza się stężenie kwasów tłuszczowych we krwi i ich zużycie do celów energetycznych przez komórki. Insulina wzmaga również lipogenezę z glukozy i octanu. Nadmiar glukozy wchłoniętej z jelit zostaje zamieniony w triglicerydy tkanki tłuszczowej. [5]

5.3. Przemiana białek

Insulina zwiększa wychwyt aminokwasów przez komórki, pobudza transkrypcję DNA w jądrze komórkowym oraz wzmaga syntezę mRNA oraz syntezę białka. Działa synergistycznie z hormonem wzrostu. W warunkach niedoboru insuliny dochodzi do zahamowania syntezy białka w ustroju i wzmożonego katabolizmu z uwalnianiem do krwi aminokwasów, które są wykorzystywane w procesie glukoneogenezy jako źródło energii. [5]

6. Insulina w cukrzycy

Insulina stanowi podstawę leczenia cukrzycy typu 1, w przebiegu której dochodzi do utraty czynności komórek beta trzustki i bezwzględnego niedoboru insuliny. Chorzy muszą stale dostarczać insulinę z zewnątrz. W przypadku cukrzycy typu 2 przyjmowanie insuliny nie jest konieczne. Z czasem jednak u wielu pacjentów dochodzi do spadku wytwarzania insuliny i niezbędne staje się dostarczanie jej z zewnątrz, szczególnie w przypadkach zwiększonego zapotrzebowania na glukozę, na przykład stresu czy choroby. Insulinoterapia jest również konieczna w przypadku cukrzycy ciężarnych oraz cukrzycy związanej z pewnymi chorobami, na przykład schorzeniami trzustki, chorobami uwarunkowanymi genetycznie czy cukrzycy wywołanej lekami. [7]

7. Insulinoterapia

Początkowo w leczeniu cukrzycy stosowano insulinę pochodzenia zwierzęcego, którą pozyskiwano z trzustek wołowych i wieprzowych. Od połowy lat osiemdziesiątych wykorzystuje się insulinę ludzką, która jest wytwarzana za pomocą technologii rekombinacji DNA bądź chemicznej modyfikacji insuliny wieprzowej. Do jej produkcji używa się genetycznie zmodyfikowanych drożdży piekarskich lub bakterii Escherichia coli. Insulina otrzymana metodami inżynierii genetycznej nie różni się niczym od insuliny ludzkiej i nie zawiera zanieczyszczeń typowych dla insulin odzwierzęcych. [6]

Wyróżnia się kilka typów insulin – krótkodziałające, o pośrednim czasie działania oraz krótko- i długodziałające analogi insulin otrzymane w drodze modyfikacji sekwencji aminokwasowych. Krótkodziałająca insulina (krystaliczna, regularna) była pierwszym dostępnym na rynku preparatem. Charakteryzuje ją początek działania po 30-60 minutach od wstrzyknięcia, szczyt w 2-3 godzinie oraz całkowity czas działania wynoszący 8-10 godzin. Należy je przyjmować około 30 minut przed posiłkiem. [8] Analogi krótkodziałające insuliny (lispro, aspart i glulizynowa) działają szybciej niż insulina ludzka, dzięki czemu można je wstrzykiwać bezpośrednio przed posiłkami. [9]. Insulina o przedłużonym czasie działania naśladuje podstawowe wydzielanie insuliny. Powstała na skutek modyfikacji cząsteczki insuliny poprzez dodanie protaminy lub jonów cynku. Insulina protaminowa (NPH) działa po 2-4 godzinach po podaniu podskórnym, ze szczytem działania między 4 a 10 godziną oraz łącznym czasem działania wynoszącym 10-16 godzin. Z kolei analogi długodziałające (degludec, detemir i glargine) charakteryzują się prawie bezszczytowym działaniem i utrzymują przez całą dobę niemal jednakowe stężenie insuliny.

7.1. Schematy insulinoterapii

W terapii cukrzycy typu 1 należy podawać insulinę zarówno na czczo, jak i po posiłkach, co odwzorowuje dobowy rytm wydzielania tego hormonu. Jest to metoda wielokrotnych wstrzyknięć, która stanowi podstawę leczenia. Inne metody insulinoterapii stosuje się wyłącznie wtedy, gdy istnieją przeciwwskazania do metody wielokrotnych wstrzyknięć lub gdy pacjent jej nie akceptuje. W klasycznym schemacie insulinę NPH i krótkodziałającą podaje się 2 razy na dobę – rano i wieczorem. Schemat ten wiąże się jednak z ryzykiem rozwoju epizodów hipoglikemii z powodu pokrywającego się profilu działania obu insulin. Nie naśladuje on w pełni dobowego wydzielania insuliny, ale u większości chorych pozwala osiągnąć zadowalające wyrównanie cukrzycy. Dotyczy to szczególnie osób starszych, u których z reguły nie dąży się do tak idealnego wyrównania cukrzycy jak u młodszych. [9]. Nowocześniejszy schemat insulinoterapii opiera się na podaniu w 1-2 wstrzyknięciach długodziałających analogów insuliny (glarginy lub detemiru) odtwarzających podstawowe wydzielanie insuliny oraz insulin szybkodziałających (lispro, aspart, glulizyna) kontrolujących stężenia glukozy po posiłkach. Ten intensywny schemat wymaga 4 wstrzyknięć insuliny i stara się naśladować fizjologiczne wydzielanie insuliny przez komórki β trzustki. Częstsze wstrzyknięcia pozwalają uzyskać lepszą kontrolę glikemii. Ten model leczenia umożliwia bardziej swobodny tryb życia i dostosowanie dawki do aktywności fizycznej i posiłków. [8]

8. Powikłania insulinoterapii

Najczęstszym powikłaniem insulinoterapii jest hipoglikemia, czyli spadek poziomu glukozy poniżej 55 mg/dl. Objawia się nadmiernym poceniem, drżeniem rąk, kołataniem serca, uczuciem głodu, osłabieniem i niepokojem. Przyczyną hipoglikemii jest najczęściej pominięcie posiłku, wstrzyknięcie zbyt dużej dawki insuliny lub nadmierny wysiłek fizyczny. Niekiedy spadki poziomu glukozy we krwi są gwałtowne i nie można ich przewidzieć, co utrudnia prowadzenie leczenia. Kolejnym częstym powikłaniem jest nocna hipoglikemia. Często przebiega bezobjawowo, a jej konsekwencją może być encefalopatia. [6]. Innym działaniem niepożądanym insulinoterapii jest “zjawisko brzasku” (ang. down phenomenon), które polega na zwiększonym zapotrzebowaniu na insulinę we wczesnych godzinach rannych, między 4 a 6. Jako przyczynę hiperglikemii należy wykluczyć zbyt niską dawkę insuliny podanej poprzedniego wieczoru. W patogenezie zjawiska brzasku główną rolę odgrywa zwiększone wydzielanie hormonu wzrostu, co prowadzi do nadmiernego wytwarzania glukozy w wątrobie. [6] Innym powikłaniem jest tak zwana reakcja z odbicia, zwana również zjawiskiem Somogyi. Polega ona na utrzymującej się hiperglikemii porannej występującej po wcześniejszej nocnej hipoglikemii. Przyczyną jest zwiększony wyrzut hormonów działających przeciwnie do insuliny, przede wszystkim adrenaliny i glukagonu jako wyraz reakcji obronnej organizmu. [10]