POGLĄDY, STANOWISKA, ZALECENIA, STANDARDY I OPINIE

Ewa Pikulska-Chrobak1, Jakub Wójcik2, Magdalena Kozubska3, Roman Kuźniewicz2, Władysław Grzeszczak2, Grzegorz Wystrychowski2

1Oddział Chorób Wewnętrznych z Pododdziałami Diagnostyki Kardiologicznej oraz Diabetologii, Szpital Zakonu Bonifratrów pw. Aniołów Stróżów w Katowicach

2Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Diabetologii i Nefrologii, Wydział Lekarski z Oddziałem Lekarsko-Dentystycznym w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

3Niepubliczny Zakład Opieki Zdrowotnej „Dębowiec”

Znaczenie insulinooporności w rozwoju uszkodzenia nerek

The role of insuline resistance in kidney injury

Nefropatia cukrzycowa jest następstwem licznych, wzajemnie powiązanych i nasilających się zaburzeń na poziomie zarówno molekularnym (m.in. wzmożona generacja wolnych rodników tlenowych i glikacja białek), jak i tkankowym (nadciśnienie i hiperfiltracja kłębuszkowa). Zaburzenia te wiąże się z długotrwałym oddziaływaniem na komórki nerek hiperglikemii, przy niesprzyjającej wielogenowej predyspozycji genetycznej. Jednak już kilka doniesień z lat 90. XX wieku wskazywało, że w patogenezie nefropatii cukrzycowej może również odgrywać rolę — niezależnie od wielkości generowanej hiperglikemii — stopień insulinooporności.

W badaniach tych porównano niewielkie grupy podobnych pod względem profilu klinicznego chorych z normo- i mikroalbuminurią w przebiegu obu głównych typów cukrzycy. Wykazano, że przy zbliżonym wyrównaniu metabolicznym cukrzycy chorzy z wczesną nefropatią cechują się o 15–43% większą insulinoopornością w teście klamry euglikemicznej, a chorzy na cukrzycę typu 1 — dodatkowo — większym dobowym zapotrzebowaniem na insulinę [1–3]. Warto przy tym zauważyć, że w jednym z tych badań u chorych z mikroalbuminurią występowała bardziej nasilona dyslipidemia [2].

Rozważając możliwość niezależnego od hiperglikemii wpływu insulinooporności na stan nerek, należy wyróżnić z jednej strony oddziaływanie na nerki następstw insulinooporności obwodowej, takich jak hiperinsulinemia, towarzyszące otyłości hipoadiponektynemia i hiperleptynemia, czy też dyslipidemia. Z drugiej strony, badania ostatnich 10 lat wskazują, że komórki kłębuszków i kanalików nerkowych posiadają receptory insulinowe, a obniżona wrażliwość tych receptorów także może odgrywać rolę w rozwoju nefropatii.

Insulinooporność tkanki tłuszczowej, mięśniowej i wątroby, przekładając się na podwyższone wartości glikemii, indukuje kompensacyjny wzrost sekrecji i stężenia we krwi insuliny, który wydaje się nie być obojętny dla komórek nerek. Badania przeprowadzone przez ośrodek w Kurume w Japonii dowodzą, że 24-godzinna inkubacja ludzkich komórek kanalika proksymalnego w roztworze insuliny około 8 nM powoduje wzrost ekspresji kotransportera SGLT2, czemu zapobiega obecność w otoczeniu komórek acetylocysteiny [4]. Wskazuje to, zdaniem autorów, że mediatorem tego efektu kanalikowego hiperinsulinemii jest wzmożona generacja wolnych rodników tlenowych. Indukowany w ten sposób wzrost absorpcji sodu w kanaliku proksymalnym może wywołać rozkurcz tętniczki doprowadzającej kłębuszka nerkowego w mechanizmie sprzężenia kanalikowo (plamka gęsta)-kłębuszkowego, przyczyniając się do nadciśnienia kłębuszkowego. Z kolei równocześnie nasilona reabsorpcja glukozy (w przypadkach niewyrównanej metabolicznie cukrzycy) może skutkować aktywacją receptorów typu RAGE i nasiloną apoptozą komórek kanalika proksymalnego [5].

Wpływ hiperinsulinemii na kłębuszek nerkowy był przedmiotem badań naukowców z Gdańska, którzy poddawali szczurze podocyty linii hodowlanej krótkotrwałemu oddziaływaniu (5 min) insuliny w wysokim stężeniu (300 nM) [6, 7]. Efektem takiej inkubacji była około 5-krotnie zwiększona przepuszczalność warstwy podocytów dla albuminy, czemu także w tym doświadczeniu zapobiegały antyutleniacze, a co ponownie sugeruje udział wolnych rodników tlenowych w oddziaływaniu insuliny na komórki nerkowe. Należy jednak zauważyć, że stężenia insuliny stosowane w tych i podobnych badaniach są kilku–kilkudziesięciokrotnie wyższe niż występujące w zespole insulinooporności (około 4 nM). Otwarte pozostaje pytanie, na ile następstwa krótkotrwałego oddziaływania bardzo wysokiego stężenia in vitro odpowiadają długotrwałym efektom niskiego stężenia in vivo.

Z otyłością i insulinoopornością wiąże się spadek sekrecji adiponektyny przez adipocyty [8]. Hormon ten ogranicza stres oksydacyjny śródbłonka w warunkach hiperglikemii [9], a w komórkach kłębuszka nerkowego, oddziałując na swoisty receptor, pobudza aktywność kinazy białkowej aktywowanej przez AMP (AMPK, AMP-activated protein kinase), co według Cammisotto i wsp. ma miejsce w przypadku uszkodzenia nerek i ogranicza jego zasięg poprzez redukcję stresu oksydacyjnego, zapalenia i włóknienia [10]. Uszkodzenie nerek w przebiegu hipoadiponektynemii potwierdza badanie z ośrodka w San Diego z 2008 roku, w którym u myszy z wyłączonym genem adiponektyny w 3.–4. mż. rozwijała się nefropatia, natomiast były one przed nią chronione, gdy suplementowano im adiponektynę lub aktywator AMPK [11]. Niedawne badanie kliniczne przeczy jednak, by wzrost adiponektynemii przekładał się na spadek albuminurii [12]. Badaniem tym objęto ponad 2,5 tys. chorych w stanie przedcukrzycowym, randomizowanych do interwencji behawioralnej (docelowo spadek masy ciała o 7%, 150 min wysiłku tygodniowo), leczenia metforminą (2 × 850 mg) lub podawania placebo. W pierwszej z tych grup po około 3 latach interwencji odnotowano największy spadek masy ciała (5,6 kg względem 2,1 kg u chorych leczonych metforminą i 0,1 kg u otrzymujących placebo), czemu towarzyszył największy przyrost stężenia adiponektyny we krwi (odpowiednio o 10,7% względem 2,7% i 1,4%). Mimo to albuminuria nie różniła się między grupami chorych ani przed badaniem, ani po jego zakończeniu (około 5,4–5,8 mg/g kreatyniny).

Kolejną adipokiną, której fizjologia ulega zaburzeniu w otyłości i insulinooporności, jest leptyna. W tych stanach tkanka tłuszczowa staje się nie tylko insulinooporna, ale i niewrażliwa na efekt lipokataboliczny leptyny, której stężenie we krwi wzrasta jako próba kompensacji oporności receptorów. Warto nadmienić, że najczęstszym modelem doświadczalnym otyłości i cukrzycy typu 2 powikłanej nefropatią jest wyłączenie genu receptora leptyny (myszy db/db).

Jak dowodzą badania doświadczalne, leptyna oddziałuje również bezpośrednio na nerki. In vitro w komórkach śródbłonka kłębuszka nasila ekspresję transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β, transforming growth factor β), natomiast 3-tygodniowy wlew podskórny leptyny u zdrowych szczurów wywołuje — obok nasilonej ekspresji genów TGF-β i kolagenu typu IV — wzrost białkomoczu o 66% [13]. Kolejne publikacje sugerują, że te niekorzystne efekty nerkowe hiperleptynemii zachodzą także w przypadku oporności zasadniczego receptora leptyny, jak to ma miejsce w zespole insulinooporności. W komórkach mezangium izolowanych od myszy db/db leptyna (inkubacja 24–48 h) stymuluje absorpcję glukozy, ekspresję receptora typu II dla TGF-β i syntezę kolagenu typu I, co wskazuje na oddziaływanie na nerki poprzez receptor odmienny niż w tkance tłuszczowej [14].

Składową zespołu insulinooporności jest dyslipidemia. Jej rolę w rozwoju nefropatii wykazali w niedawnym badaniu autorzy z Korei Południowej, którzy w 2-letniej obserwacji retrospektywnej 317 chorych na retinopatię cukrzycową stwierdzili, że stosunek stężenia triglicerydów do stężenia cholesterolu frakcji HDL (high-density lipoprotein) jest niezależnym predyktorem rozwoju zaawansowanej nefropatii [estymowany wskaźnik przesączania kłębuszkowego (eGFR, estimated glomerular filtration rate) < 60 ml/min] [15]. Z kolei autorzy hiszpańscy wykazali in vitro wielorakie niekorzystne działanie wysokiego stężenia kwasu palmitynowego — głównego składnika frakcji wolnych kwasów tłuszczowych — na podocyty mysie (inkubacja 24 h) [16]. Komórki te absorbowały palmitynian proporcjonalnie do jego stężenia, czemu towarzyszyły nasilenie syntezy cytokin prozapalnych, zaburzenie aktywacji przez insulinę szlaku sygnałowego Akt, nasilenie stresu oksydacyjnego, stresu retikulum endoplazmatycznego i apoptozy, a także powstanie zaburzeń strukturalnych filamentów aktyny, zmniejszenie ekspresji nefryny oraz spadek liczby błonowych kanałów GLUT4.

Badanie to potwierdza wcześniejsze obserwacje dowodzące wpływu insuliny na cytoszkielet podocytu. Jako jedni z pierwszych dowiedli tego Coward i wsp. z Bristolu [17]. Wykazali oni, że podocyty z mutacją genu nefryny nie zmieniają absorpcji glukozy pod wpływem insuliny (100 nM przez 15 min), natomiast te same podocyty transfekowane genem nefryny przy użyciu wektora plazmidowego zwiększały tę absorpcję o 50%. Badania z użyciem mikroskopu elektronowego ujawniły, że po przywróceniu podocytom nefryny dochodziło pod wpływem insuliny do fuzji z błoną komórkową pęcherzyków zawierających kanały GLUT1 i GLUT4.

Wykazanie insulinowrażliwości podocytów zrodziło pytania o jej charakterystykę w zespole metabolicznym i cukrzycy oraz znaczenie w rozwoju nefropatii cukrzycowej. Już w 2008 roku zespół badaczy z Florydy zaobserwował, że w podocytach izolowanych od myszy db/db fosforylacja receptora insuliny i kinazy Akt pod wpływem insuliny (0,3–30 nM, 24 h) jest kilkukrotnie niższa niż w przypadku podocytów myszy heterozygotycznych db/+, u których nie rozwijała się cukrzyca [18]. Obserwacje te potwierdza zeszłoroczne badanie przeprowadzone przez autorów z Aten na ludzkich podocytach, dowodzące szkodliwego wpływu na insulinowrażliwość tych komórek zarówno długotrwałej hiperglikemii, jak i krótkotrwałej wysokiej hiperinsulinemii [19]. Podocyty poddane 6-miesięcznej inkubacji w roztworze glukozy 450 mg/dl cechowały się mniejszym stężeniem receptora insulinowego, mniejszą fosforylacją receptora insuliny, substratu receptora insuliny typu 1 i kinazy Akt pod wpływem pulsu insuliny (100 nM, 15 min) oraz bardziej nasiloną apoptozą pod wpływem czynnika toksycznego. Nieco mniej nasilone zaburzenia szlaku sygnałowego insuliny obserwowano w tych komórkach pod wpływem 24-godzinnej inkubacji w roztworze 300 nM insuliny (redukcja stężenia receptora insulinowego).

Więcej danych o patomechanizmach insulinooporności podocytów dostarczyły kolejne badania wspomnianej grupy naukowców z Bristolu, którzy indukowali insulinooporność tych komórek u myszy poprzez wyłączenie w nich genu receptora insulinowego [20]. W 8. tygodniu życia u zwierząt tych rozwijał się białkomocz, a w badaniu histologicznym stwierdzano zmiany typowe dla nefropatii cukrzycowej — pogrubienie błony podstawnej, zanik wyrostków stopowatych podocytów, rozrost macierzy mezangium i atrofię nerek w ocenie makroskopowej. Ponadto in vitro 15-minutowa inkubacja niemodyfikowanych podocytów w roztworach insuliny ≥ 8 nM powodowała przemieszczenie włókien F-aktyny na obwód komórki i w rezultacie reorganizację przestrzenną wyrostków stopowatych. Zmiany te nie zachodziły w przypadku komórek pozbawionych czynnego receptora insulinowego. W niedawnym badaniu hiszpańsko-brytyjskim wykazano, że podobne zaburzenia czynnościowe i strukturalne rozwijają się w podocytach mysich w przypadku pozbawienia ich substratu receptora insulinowego typu 2 (IRS2, insulin receptor substrate 2), czemu towarzyszy nadekspresja fosfatazy PTEN hamującej szlak sygnałowy insuliny. Co ciekawe, eliminacja genu PTEN przywracała insulinowrażliwość podocytów i zapobiegała ww. zmianom indukowanym brakiem IRS2 [21]. Na tej podstawie można wysunąć przypuszczenie o możliwym efekcie nefroprotekcyjnym wybiórczego hamowania fosfatazy PTEN w podocytach chorych na cukrzycę, o ile kiedykolwiek będziemy dysponowali taką możliwością terapeutyczną.

Badania ostatnich lat sugerują również inne następstwa oddziaływania insuliny na podocyt. Badacze niemieccy w publikacji z 2015 roku przedstawili dowody na wpływ insuliny na zjawisko stresu retikulum endoplazmatycznego. W przebiegu doświadczalnej nefropatii cukrzycowej obserwowano nasilenie stresu retikulum endoplazmatycznego, czyli zaburzoną odpowiedź transkrypcyjną jądra komórkowego na nieprawidłowe zwijanie białek w retikulum ze zmniejszoną translokacją czynnika transkrypcyjnego XBP1 do jądra komórkowego. Podobne zmiany wywołano poprzez knockout receptora insulinowego, natomiast ich przeciwieństwo, z nasiloną obecnością XBP1 w jądrze komórkowym — poprzez działanie na naturalne podocyty mysie wysokiego stężenia insuliny (100 nM) [22]. Z kolei w zeszłorocznym badaniu chińskim indukowana in vitro redukcja aktywności receptora insulinowego podocytów o 80% zmniejszała zdolności autofagiczne tych komórek, a więc zdolność eliminacji uszkodzonych białek i organelli w autofagosomach (wyrażoną obserwowanymi zmianami w ekspresji białek zaangażowanych w ten proces) [23].

Wreszcie, jak wskazują nieco mniej liczne, ale nie mniej ważkie doniesienia z ostatnich lat, insulinowrażliwe są nie tylko komórki kłębuszka, ale również kanalików nerkowych. Nerki są oprócz wątroby jedynym narządem zdolnym do sekrecji glukozy — dzięki ekspresji glukozo-6-fosfatazy. Wyłączenie receptora insulinowego w komórkach kanalika proksymalnego myszy powoduje wzrost aktywności tego enzymu i nasilenie glukoneogenezy nerkowej o 30% ze wzrostem glikemii na czczo u tych zwierząt [24]. Jak dotąd nie poznano roli tego zjawiska w przebiegu zespołu insulinooporności i wkładu lokalnie wysokich glikemii w uszkodzenie nerek w przebiegu cukrzycy. Kolejnym procesem, na jaki prawdopodobnie wpływa insulina w kanaliku proksymalnym, jest endocytoza albuminy. U chorych na cukrzycę typu 1 powikłaną mikroalbuminurią zaobserwowano zwiększone stężenia w moczu kubiliny i megaliny, które są białkami błonowymi komórek kanalika proksymalnego odpowiedzialnymi za endocytozę albuminy [25]. W innym badaniu u chorych na cukrzycę typu 1, u których później rozwinęła się nefropatia, zwiększone stężenie kubiliny w moczu stwierdzano już około 5 lat przed wystąpieniem mikroalbuminurii [26]. W tej samej pracy autorzy wykazali, że za to zjawisko, połączone z upośledzoną endocytozą albuminy, odpowiada niedobór lub niedostateczne oddziaływanie insuliny na komórki kanalika proksymalnego. W komórkach tych obserwowali oni in vitro wzrost endocytozy albuminy pod wpływem insuliny (100 nM, 30 min), któremu zapobiegało wyłączenie aktywności kinazy Akt. W modelu zwierzęcym cukrzycy typu 1 potwierdzili oni, że mikroalbuminurię poprzedza nasilone wydalanie kubiliny (ale zmniejszone megaliny) z moczem.

Podsumowując badania związków między insulinoopornością a nefropatią, można wnioskować, że nerki są uszkadzane zarówno w konsekwencji insulinooporności tkanek obwodowych i towarzyszących jej powikłań, jak też wskutek insulinooporności samych nerek. Insulina w stężeniach fizjologicznych jest niezbędna dla prawidłowej struktury cytoszkieletu, a tym samym budowy i funkcji podocytu. Spośród składowych zespołu insulinooporności hiperleptynemia nasila włóknienie kłębuszka nerkowego, hipertriglicerydemia zaś — najpewniej wspólnie z hiperglikemią i hiperinsulinemią — upośledza wrażliwość podocytów na insulinę, nasilając albuminurię i zmiany histologiczne typowe dla nefropatii cukrzycowej. Pogłębionych badań wymaga udział w patogenezie nefropatii cukrzycowej braku adekwatnego oddziaływania insuliny na komórki kanalika proksymalnego i będące jego konsekwencją zaburzenie endocytozy albuminy oraz nasilenie glukoneogenezy nerkowej. Zarówno badania już przeprowadzone, jak i te spodziewane niosą potencjał szans na znalezienie nowych sposobów ochrony nerek u chorych na cukrzycę.

Piśmiennictwo

1. 1. Vedovato M., Lepore G., Coracina A. i wsp. Effect of sodium intake on blood pressure and albuminuria in type 2 diabetic patients: the role of insulin resistance. Diabetologia 2004; 47: 300–303.
2. 2. Yip J., Mattock M.B., Morocutti A. i wsp. Insulin resistance in insulin-dependent diabetic patients with microalbuminuria. Lancet Lond. Engl. 1993; 342: 883–887.
3. 3. Niskanen L., Laakso M. Insulin resistance is related to albuminuria in patients with type II (non-insulin-dependent) diabetes mellitus. Metabolism 1993; 42: 1541–1545.
4. 4. Nakamura N., Matsui T., Ishibashi Y., Yamagishi S.I. Insulin stimulates SGLT2-mediated tubular glucose absorption via oxidative stress generation. Diabetol. Metab. Syndr. 2015; 7: 48.
5. 5. Maeda S., Matsui T., Takeuchi M., Yamagishi S. Sodium-glucose cotransporter 2-mediated oxidative stress augments advanced glycation end products-induced tubular cell apoptosis. Diabetes Metab. Res. Rev. 2013; 29: 406–412.
6. 6. Piwkowska A., Rogacka D., Kasztan M., Angielski S., Jankowski M. Insulin increases glomerular filtration barrier permeability through dimerization of protein kinase G type I subunits. Biochim. Biophys. Acta 2013; 1832: 791–804.
7. 7. Piwkowska A., Rogacka D., Audzeyenka I., Angielski S., Jankowski M. Combined effect of insulin and high glucose concentration on albumin permeability in cultured rat podocytes. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2015; 461: 383–389.
8. 8. Matsuzawa Y. Therapy insight: adipocytokines in metabolic syndrome and related cardiovascular disease. Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med. 2006; 3: 35–42.
9. 9. Ouedraogo R., Wu X., Xu S.Q. i wsp. Adiponectin suppression of high-glucose-induced reactive oxygen species in vascular endothelial cells: evidence for involvement of a cAMP signaling pathway. Diabetes 2006; 55: 1840–1846.
10. 10. Cammisotto P.G., Bendayan M. Adiponectin stimulates phosphorylation of AMP-activated protein kinase alpha in renal glomeruli. J. Mol. Histol. 2008; 39: 579–584.
11. 11. Sharma K., Ramachandrarao S., Qiu G. i wsp. Adiponectin regulates albuminuria and podocyte function in mice. J. Clin. Invest. 2008; 118: 1645–1656.
12. 12. Mather K.J., Pan Q., Knowler W.C. i wsp. Treatment-induced changes in plasma adiponectin do not reduce urinary albumin excretion in the diabetes prevention program cohort. PloS One 2015; 10: e0136853.
13. 13. Wolf G., Hamann A., Han D.C. i wsp. Leptin stimulates proliferation and TGF-beta expression in renal glomerular endothelial cells: potential role in glomerulosclerosis [see comments]. Kidney Int. 1999; 56: 860–872.
14. 14. Han D.C., Isono M., Chen S. i wsp. Leptin stimulates type I collagen production in db/db mesangial cells: glucose uptake and TGF-beta type II receptor expression. Kidney Int. 2001; 59: 1315–1323.
15. 15. Yun K.J., Kim H.J., Kim M.K. i wsp. Risk factors for the development and progression of diabetic kidney disease in patients with type 2 diabetes mellitus and advanced diabetic retinopathy. Diabetes Metab. J. 2016; 40: 473–481.
16. 16. Martínez-García C., Izquierdo-Lahuerta A., Vivas Y. i wsp. Renal Lipotoxicity-Associated Inflammation and Insulin Resistance Affects Actin Cytoskeleton Organization in Podocytes. PloS One 2015; 10: e0142291.
17. 17. Coward R.J.M., Welsh G.I., Koziell A. i wsp. Nephrin is critical for the action of insulin on human glomerular podocytes. Diabetes 2007; 56: 1127–1135.
18. 18. Tejada T., Catanuto P., Ijaz A. i wsp. Failure to phosphorylate AKT in podocytes from mice with early diabetic nephropathy promotes cell death. Kidney Int. 2008; 73: 1385–1393.
19. 19. Katsoulieris E.N., Drossopoulou G.I., Kotsopoulou E.S. i wsp. High glucose impairs insulin signaling in the glomerulus: an in vitro and ex vivo approach. PloS One 2016; 11: e0158873.
20. 20. Welsh G.I., Hale L.J., Eremina V. i wsp. Insulin signaling to the glomerular podocyte is critical for normal kidney function. Cell Metab. 2010; 12: 329–340.
21. 21. Santamaria B., Marquez E., Lay A. i wsp. IRS2 and PTEN are key molecules in controlling insulin sensitivity in podocytes. Biochim. Biophys. Acta 2015; 1853: 3224–3234.
22. 22. Madhusudhan T., Wang H., Dong W. i wsp. Defective podocyte insulin signalling through p85-XBP1 promotes ATF6-dependent maladaptive ER-stress response in diabetic nephropathy. Nat. Commun. 2015; 6: 6496.
23. 23. Xu Y., Zhou Q., Xin W. i wsp. Autophagy downregulation contributes to insulin resistance mediated injury in insulin receptor knockout podocytes in vitro. PeerJ 2016; 4: e1888.
24. 24. Tiwari S., Singh R.S., Li L. i wsp. Deletion of the insulin receptor in the proximal tubule promotes hyperglycemia. J. Am. Soc. Nephrol. 2013; 24: 1209–1214.
25. 25. Thrailkill K.M., Nimmo T., Bunn R.C. i wsp. Microalbuminuria in type 1 diabetes is associated with enhanced excretion of the endocytic multiligand receptors megalin and cubilin. Diabetes Care 2009; 32: 1266–1268.
26. 26. Coffey S., Costacou T., Orchard T., Erkan E. Akt links insulin signaling to albumin endocytosis in proximal tubule epithelial cells. PloS One 2015; 10: e0140417.

Adres do korespondencji:

dr hab. n. med. Grzegorz Wystrychowski 

Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Diabetologii i Nefrologii 

Szpital Kliniczny nr 1 Śląskiego Uniwersytetu Medycznego 

ul. 3 Maja 13–15, 41–800 Zabrze 

tel.: 32 370 44 41, faks: 32 370 44 89 

e-mail: gwystrychowski@sum.edu.pl