marker czy aktywny element patomechanizmów cukrzycy

diagnostyka laboratoryjna Journal of Laboratory Diagnostics
Diagn Lab 2015; 51(3): 213-220
Praca poglądowa • Review Article
Hiperglikacja białek wewnątrz i zewnątrzkomórkowych;
marker czy aktywny element patomechanizmów cukrzycy
Hyperglycation of extra and intracellular proteins;
marker or active element of diabetic pathomechanisms
Andrzej Szutowicz
Zakład Medycyny Laboratoryjnej, Katedra Biochemii Klinicznej, Gdański Uniwersytet Medyczny
Streszczenie
Stany przewlekłej hiperglikemii niezależnie od typu cukrzycy powodują nadmierną nieenzymatyczną glikację wszystkich białek przestrzeni wodnych zewnątrz i wewnątrzkomórkowych. Hiperglikacja hemoglobiny jest zjawiskiem użytecznym w diagnozowaniu stopnia
długoczasowego wyrównania glikemii u pacjentów z cukrzycą. Hiperglikacja może jednak zmieniać właściwości biologiczne wielu białek,
przyczyniając przez to do upośledzenia funkcji i uszkodzeń struktury wielu narządów w przebiegu cukrzycy.
Summary
States of chronic hyperglycaemia, irrespective of the diabetes type result in excessive non enzymatic glycation of several proteins in
extra and intracellular compartments of the body. Hyperglycation of hemoglobin is employed for assessment of long term control of
glycaemia in diabetic patients. However, hyperglycaemia may change biological properties of several proteins thereby contributing
to miss function and structural impairments of several organs in the course of diabetes.
Słowa kluczowe: glikacja, hemoglobiny hiperglikacja, cukrzyca
Key words:
glycation, haemoglobin hyperglycation, diabetes
Skróty niestandardowe:
A-β, amyloid-beta(1-42); AGE, produkty końcowe zaawansowanej glikacji; apoE, apo-lipoproteina E; ICDH, dehydrogenaza izocytrynianowa NADP-zależna;
LDL-R, receptor lipoprotein o niskiej gęstości; N-AChR, nikotynowy receptor acetylocholiny; NMDA, receptor N-metylo-D-asparaginianu; p75 NTR, receptor
neurotrofinowy o niskim powinowactwie; cykl PMF, cykl pentozo mono-fosforanowy; PPK, przedział pozakomórkowy; PWK, przedział wewnątrzkomórkowy; RAGE, receptor AGE; ROS, wolne rodniki tlenowe, SR receptory zmiatające (scavenger receptors).
Glikacje nieenzymatyczne
Glikacja to nieenzymatyczna reakcja powstawania wiązań kowalencyjnych między cząsteczkami cukrów takich jak glukoza
lub fruktoza a cząsteczkami białek i lipidów. Jest to proces odmienny od enzymatycznych reakcji glikozylacji, stanowiących
jeden z elementów potranslacyjnej modyfikacji białek mających
na celu powstanie ostatecznej biologicznie aktywnej formy tych
cząsteczek. Natomiast glikacja, dotyczy łańcuchów bocznych lizyny i powoduje zwykle patologiczną modyfikację białek, która
powoduje utratę części lub całości ich aktywności biologicznej.
Dużo mniej wiadomo na temat fruktozylacji, ponieważ stany hiperfruktozemii występują bardzo rzadko, i są związane ze specyficznymi, genetycznie uwarunkowanymi mutacjami białek metabolizmu fruktozy. Z drugiej jednak strony, zmiany nawyków
powstawania stanów miejscowej hiperfruktozemii w tkankach
przewodu pokarmowego [1].
Z hiperglikemią skorelowany jest również wzrost poziomu metyloglioksalu, będącego dwualdehydową pochodną kwasu pirogronowego. Jego głównym źródłem jest cykl glikolityczny.
Bezpośrednimi jego prekursorami są 3-fosfo-gliceraldehyd oraz
fosfo-dwuhydroksyaceton – metabolity pośrednie glikolizy. Metyloglioksal jest niezwykle toksyczny – tworzy trwałe wiązania
z resztami aminowymi argininy i lizyny oraz sulfhydrylowymi cysteiny. Dlatego tkanki posiadają odpowiednie mechanizmy detoksykacyjne. Jednym z nich jest droga metaboliczna glioksalazy:
metyloglioksal reaguje z glutationem tworząc hemitioacetal, który
jest metabolizowany przez glioksalazy I i II do D-jabłczanu. Wzrost
syntezy metyloglioksalu w cukrzycy jest uważany za główny ele-
żywieniowych współczesnego człowieka prowadzą do wzrostu
zawartości fruktozy diecie. Zwiększa to prawdopodobieństwo
ment glikacyjno-oksydacyjnego patomechanizmu miażdżycy
naczyń u cukrzyków.
213
www.diagnostykalaboratoryjna.eu
Hemoglobina glikowana, a w szczególności jej podfrakcja HbA1c
jest powszechnie stosowanym retrospektywnym wskaźnikiem
wyrównania cukrzycy w okresie 2-3 miesięcy poprzedzających
badanie. Frakcyjna zawartość HbA1c wykazuje prostoliniową zależność od średniego poziomu glukozy w tym okresie. W związku
z tym, sugeruje się, że podwyższona frakcyjna zawartość HbA1c
może być również wartościowym markerem w diagnostyce i badaniach przesiewowych w kierunku cukrzycy, ponieważ odpowiada
średniemu poziomowi glikemii w długim okresie czasu.
Podobnym, lecz sięgającym tylko14 dni wstecz, markerem kontroli
glikemii jest glikowana albumina – fruktozamina. Jednak należy
pamiętać, że w niewyrównanej cukrzycy nadmiernej glikacji ulegają wszystkie białka z N-końcowymi resztami L-lizyny. Co więcej
śladowe ilości metali takich jak Fe2+ lub Cu1+ mogą powodować
dalszą modyfikację tych białek poprzez ich oksydację Zarówno
jeden jak i drugi proces zmienia właściwości fizyko-chemiczne,
a więc strukturę i funkcję białek. Połączenie obu patologicznych
modyfikacji nasila te procesy prowadząc do powstawania trwałych końcowych produktów glikacji (AGE; advanced glycation
end-products).
Rycina 1. Współdziałanie nadmiernej glikacji białek i amyloidu-β w powstawaniu uszkodzeń narządowych w przebiegu cukrzycy i choroby-Alzheimera.
Produkty zaawansowane glikacji i ich oddziaływania zaznaczono na czerwono,
oddziaływania pośrednie i działanie innych patogenów zaznaczono na niebiesko, zmiany ekspresji genów na zielono. Glikacja bezpośrednio hamuje
aktywności dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, mutazy-2,3-fosfoglicerynianowej, dehydrogenazy NADP-izocytrynianowej, białek kompleksów
łańcucha oddechowego itp. AGE wywierają oddziaływania pośrednie poprzez
wzrost stężenia wolnych rodników tlenowych, nitrozylowych i nadtlenków
kwasów tłuszczowych, oraz zmiany ekspresji genów regulowanych przez
czynnik transkrypcyjny NF-κB. Pośród cytokin, AGE zwiększają ekspresję: interleukiny-1a, interleukiny-6, czynnika martwicy nowotworów -1a (TNFa),
chemotaktyczne białko monocytów-1 (MCP-1) itp. Zwiększa się ekspresja
antygenów powierzchniowych: cząstek adhezyjnych komórek śródbłonka
naczyniowego (VCAM-1), międzykomórkowych cząstek adhezyjnych (ICAM-1),
enzym rozbijający białko prekursorewe amyloidu w miejscu beta β (BACE-1).
PPK, przestrzeń pozakomórkowa; PWK, przestrzeń wewnątrzkomórkowa.
214
W cukrzycy nadmiernej glikacji, podlegają w różnym stopniu
wszystkie białka przestrzeni pozakomórkowej jak i wewnątrzkomórkowej. U pacjentów ze słabo kontrolowaną cukrzycą,
z poziomami HbA1c 12-19%, wykazano 19% glikację immunoglobulin G (zdrowi ok. 5%), 6% fibrynogenu (zdrowi około
2%), 6% dopełniacza C3 (zdrowi ok. 2,5%), 5,5% transferryny
zdrowi około 1,5%) oraz 16% albuminy (zdrowi około 1,5%) [2].
Stopień glikacji innych białek osocza był dużo niższy. Wydaje się
że zależy on od biologicznego czasu półtrwania poszczególnych
białek. IgG i albumina, które mają stosunkowo długie czasy
półtrwania (14-30 dni) wykazywały jednocześnie największy stopień glikacji [2]. Również białka bardziej zasadowe wykazywały
większą glikację niż białka kwaśne. Jednakże nie było korelacji
między zawartością procentową lizyny w poszczególnych białkach i stopniem ich glikacji. Wskazuje to, że stopień hiperglikacji
różnych białek osocza w cukrzycy jest złożoną funkcją średniej
glikemii w czasie, ich czasu półtrwania oraz struktury pierwszo
i drugorzędowej.
Glikacja zachodzi przy każdym poziomie glukozy, w tempie proporcjonalnym do jej stężenia. W tkankach istnieją receptory dla
zaawansowanych produktów glikacji (RAGE; receptor advaced
glycation end products), które wiążą i internalizują glikowane nieenzymatycznie białka (AGE). Poza AGE, wiążą one niektóre białka
S100, amyloid-β, antygen makrofagów-1 (Mac-1, CD11b/CD18)
oraz fosfatydyloserynę. W cukrzycy dochodzi do zwiększonego
wiązania AGE i nadmiernej aktywacji związanych z nim dróg wewnątrzkomórkowego przekaźnictwa sygnału (ryc. 1) [3].
Glikacje białek przestrzeni pozakomórkowej
1. Albumina
Albumina jest białkiem wielofunkcyjnym wiążącym szereg ksenobiotyków i związków endogennych redukując ich cytotoksyczność. Dzięki wysoce-nukleofilowym właściwościom albumina posiada liczne miejsca podatne na glikację w postaci 18 łańcuchów
bocznych lizyny, 7 argininy oraz cysteiny. Głównymi miejscami
glikacji są łańcuchy boczne Liz525 oraz Arg410 [4]. Szybkość glikacji
albuminy jest około 10 razy szybsza niż hemoglobiny [5]. Dzięki
temu, mimo krótkiego czasu półtrwania względny poziom glikacji
albuminy u cukrzyków jest wyższy niż HbA1c. Albumina glikowana in vitro przez 8 tygodni w obecności 250 mmol/L glukozy, po
dodaniu do pierwotnej hodowli komórek śródbłonka żyły pępowinowej powodowała zwiększenie ich aktywności prozapalnej
i proagregacyjnej. Zjawisko to obserwowane było już przy niskich
stężeniach glikowanej albuminy rzędu 0,1 g/L co odpowiada frakcyjnemu poziomowi glikacji około 2%. Glikowana (AGE) albumina
ma zdolność wiązania z receptorami RAGE, przyczyniając się do
nadmiernej syntezy ROS. Pierwszym etapem jest zwiększona ekspresja /aktywacja oksydazy NADPH, która prowadzi zwiększenia
stresu oksydacyjnego komórek śródbłonka [6]. Uruchamia to wewnątrzkomórkową kaskadę aktywacji białka p21RAS, MAP-kinazy,
kinazy ERK, prowadzącą do aktywacji czynnika transkrypcyjnego
NF-kB, który wywiera działanie prozapalne poprzez zwiększenie
ekspresji genów cytokin prozapalnych. Jest możliwe, że nadmierna aktywacja endotelium wywołuje, a następnie nasila i przedłuża
aktywację płytek krwi w przebiegu cukrzycy.
Diagn Lab 2015; 51(3): 213-220
Opisane oddziaływania glikowanej albuminy na endotelium skutkują zahamowaniem ich metabolizmu energetycznego, proporcjonalnym do stopnia glikacji albuminy, wynikającego z czasu
ekspozycji na wysokie stężenie glukozy [7]. Ze względu na to,
że albumina jest głównym białkiem osocza jej hiperglikacja ma
bardziej istotne niż hiperglikacja innych białek osocza znaczenie
w powstawaniu uszkodzeń komórek endotelium i generowaniu
ich reakcji prozakrzepowych i prozapalnych. Te ostatnie polegają
na zwiększonej ekspresji antygenów powierzchniowych takich jak
wewnątrzkomórkowe cząstki adhezyjne-1 (ICAM-1; intracellular
ahesion molecule-1), trombomodulina czy czynnik tkankowy [7].
Glikowana albumina i inne białka PPK mogą odgrywać również
rolę w rozwoju chorób neurodegeneracyjnych takich jak choroba
Alzheimera.
2. Lipoproteiny
Dzięki powszechnemu stosowaniu statyn i fibratów u osób z cukrzycą poziom cholesterolu całkowitego jest u nich podobny lub
niższy niż u skorelowanej wiekowo populacji ludzi zdrowych [8, 9].
Jednakże wiele osób z cukrzycą przy prawidłowym poziomie LDL
w osoczu wykazuje złą kontrolę glikemii. W takich przypadkach
zarówno apo-lipoproteiny jak i komponenty lipidowe lipoprotein podlegaja glikacji i peroksydacji, co zmienia zasadniczo ich
właściwości biologiczne. Wykazano, że uszkodzenie LDL przez
glioksalację-glikację może kilkakrotnie zwiększać ryzyko zmian
miażdżycowych naczyń krwionośnych, niezależnie od zwiększonego stosunku stężeń [cholesterol LDL]/[cholesterol HDL]
[10]. Glikowane VLDL wykazują dłuższy czas pobytu w osoczu
krążącym i są gorszymi substratami dla lipazy lipoproteinowej
niż cząstki nieglikowane VLDL [10]. Wykazano, że glikowane LDL
modyfikują skład i funkcję płytek krwi. Glikowane LDL zwiększały
ponad dwukrotnie syntezę NO, aktywowały Ca-ATPazę płytkową.
Z drugiej strony w ponad 50% hamowały aktywność NaKATP-azy,
co ułatwiało napływ Ca do płytek [11]. Mechanizm ten może tłumaczyć wzrost aktywności płytek krwi u pacjentów z cukrzycą.
Również glikacja LDL in vitro przez metyloglioksal powodowała
zmniejszenie rozmiaru tych cząstek oraz wzrost ich aterogenności
mierzonej jej wiązaniem do proteoglikanów powierzchni komórek
i następczą agregacją [12]. Glioksalowane LDL były przy tym usuwane z krążenia z tą samą szybkością co cząstki nieglioksalowane. Jednakże znacznie większa frakcja glioksalowanych LDL była
zatrzymywana (akumulowana) w ścianie aorty [13]. Glikowane
apoB traciło zdolność rozpoznawania LDL-R. Nie przekraczająca
24 godzin ekspozycja hodowlanych komórek endotelium naczyń
wieńcowych świni na glikowane LDL powodowała inhibicję kilkunastu enzymów cyklu kwasów trójkarboksylowych i łańcucha
oddechowego w tym reduktaz cytochromowych kompleksów
I-IV, jak również spadek zużycia tlenu, obniżenie stosunku [NAD+]/
[NADH], obniżenie kontroli oddechowej i potencjału błon mitochondrialnych. Wzrastała natomiast synteza wolnych rodników
i nadtlenku wodoru. [14].
Natomiast glikacja każdej z izoform apoE w głównym miejscu Liz75,
nie zmieniała ich siły wiązania z LDL-R oraz scavenger receptor A.
Zmniejszała natomiast maksymalną zdolność wiązania apoE2,3
i 4 z immobilizowaną heparyną i siarczanem heparanu o 20-23%
[10]. Te wielocukry decydują w powinowactwie i wzajemnych
interakcjach między błonami plazmatycznymi a znajdującymi się
w PPK białkami, lipoproteinami czy też glikoproteinami.
Glikacja apoE znajdujących się w przestrzeni śródmiąższowej
mózgu może utrudniać transport cholesterolu i lipidów do błon
plazmatycznych neuronów przyczyniając się do ich uszkodzenia,
stymulacji amyloidogennej przemiany białka prekursorowego
amyloidu-β i rozwoju choroby Alzheimera [10].
Z kolei glikowane-utlenione in vitro HDL, w obecności suprapatologicznych 50-100 mmol/L stężeń glukozy, wywoływały apoptozę
komórek śródbłonka naczyniowego aorty. Dochodziło do tego
poprzez aktywację kaspazy 3, oraz wzrost poziomu cytochromu c w przedziale cytoplazmatycznym komórek śródbłonka [15]
Glikowane HDL izolowane z surowicy pacjentów z cukrzycą typu
2, traciły również swoje właściwości przeciwzapalne takie jak inhibicja wydzielania czynnika martwicy nowotworów-α (TNF-α),
interleukiny 1β (IL-1β), przez ludzkie monocyty stymulowane
lipopolisacharydami bakteryjnymi. Stopień utraty tej właściwości
zależał przy tym od stopnia glikacji HDL [16].
3. Białko amyloidu surowicy A
Akumulacja białka amyloidu surowicy A (SAA) w nerkach jest jedną z przyczyn występowania nefropatii cukrzycowej. Postuluje się,
że gliko-oksydatywna modyfikacja SAA przyspiesza jego odkładanie zarówno w kłębkach jak i w przestrzeni śródmiąższowej nerek
[17]. Wykazano, że podawanie glikooksydowanej (AGE) albuminy
zdrowym (nie cukrzycowym) myszom powodowało zgrubienie
błony podstawnej kłębków nerkowych, ekspansję mezangium,
zwłóknienie śródmiąższu około cewkowego, wzrost poziomu
kolagenu IV i czynnika wzrostu guza-β (TGF-β) [18]. Podobne
zmiany histopatologiczne obserwowano w nerkach chorych z nefropatią cukrzycową.
Inny białkiem związanym z patogenezą nefropatii cukrzycowej
jest nieprawidłowo glikozylowana IgA1 [19].
4. Immunoglobuliny G
IgG są główną fakcją immunoglobulin zawierająca duża liczbę
reszt lizynowych podatnych na glikację i modyfikację oksydacyjną
[2, 20]. Stają się one wysoce immunogenne wskutek powstawania na nich glikowanych, a przez to rozpoznawanych jako obce,
epitopów [6]. Powstające przeciwciała przeciw AGE-IgG są mało
specyficzne i reagują z glikowanymi epitopami różnych białek
komórkowych uruchamiając błędne koło reakcji autoimmunizacyjnych. Hiperglikacja IgG może odgrywać rolę w patomechanizmie reumatoidalnego zapalenia stawów [21]. Również inne
glikowane białka stają się immunogenne powodując powstawanie autoprzeciwciał. W ten sposób uruchamiane jest błędne
koło samonapędzających się reakcji autoimmunologicznych odgrywających rolę w patomechanizmach angiopatii, nefropatii
i neuropatii cukrzycowej [22].
5. Fibrynogen
U pacjentów ze niedostateczną kontrolą glikemii całkowity poziom fibrynogeny był podobny jak u osób zdrowych. Jednakże
poziom jego glikacji u osób z cukrzycą typu 2, był 2-3 krotnie
215
www.diagnostykalaboratoryjna.eu
wyższy niż w grupie osób zdrowych [2, 23]. Wykazano, że na
swoich trzech łańcuchach αβg, fibrynogen posiada 12 reszt lizynowych, z których tylko 2 podlegają glikacji, a pozostałe 10
może być acetylowane przez aspirynę. Ten ostatni proces przyspiesza proces degradacji fibrynogenu, co pozostaje w synergii z niezależnym przeciwpłytkowym działaniem tego leku [24].
Z drugiej strony włóknik powstający z glikowanego fibrynogenu
jest mniej wrażliwy na działanie plazminy, co może zwiększać
gotowość zakrzepową u pacjentów z cukrzycą [21]. Ta oporność
na proteolizę może być wykorzystana w leczeniu białaczek i guzów litych. Wiadomo bowiem, że naczynia włosowate w obrębie
guza są bardziej niż prawidłowe, przepuszczalne dla fibrynogenu,
który po wynaczynieniu ulega konwersji do fibryny. Dlatego też
podejmowane są próby stosowania koniugatów metotreksatu
z fibrynogenem w celu osiągnięcia wysokiego stężenia tego leku
w przestrzeni śródmiąższowej guza. Taka metoda ogranicza toksyczność ogólną metotreksatu, a utrzymuje jego wysokie stężenie
w tkance nowotworowej. Glikowane fibrynogeny zachowywały
zdolność tworzenia skrzepów, które dłużej pozostawały w guzie
dzięki oporności na plazminę. W efekcie koniugaty metotreksatu
z glikowanym fibrynogenem wykazywały większą skuteczność
przeciwnowotworową i niższą toksyczność ogólnoustrojową niż
koniugaty metotreksatu z fibrynogenem natywnym [25].
Patomechanizmy hiperglikacji w przestrzeni wewnątrzkomórkowej
Stężenie wolnej glukozy w przestrzeni wewnątrzkomórkowej jest
dużo niższe niż w zewnątrzkomórkowej, wskutek jej konwersji do
glukozo-6-fosforanu przez heksokinazę i glukokinazę. Jednak,
w źle kontrolowanej cukrzycy zarówno wewnątrzkomórkowe
stężenia glukozy jak i glukozo-6-fosforanu wzrastają proporcjonalnie do wzrostu glikemii w przestrzeni pozakomórkowej, powodując wzrost glikacji zarówno hemoglobiny w erytrocytach
jak i innych białek w różnych komórkach [26]. Co więcej, fosforylowane pochodne glukozy i fruktozy glukozo-6-fosforan oraz
fruktozo-6-fosforan są dużo silniejszymi związkami glikującymi
niż sama glukoza [27, 28]. Badanie przesiewowe przeprowadzone
w USA sugerują, że dieta zawierająca duże ilości fruktozy (np. soki
owocowe, napoje słodzone fruktozą, itp.) powoduje zaburzenia
jej wchłaniania i powstawanie fruktozo-AGE w przewodzie pokarmowym co może wiązać się z odległymi reakcjami alergicznymi
w postaci astmy i przewlekłego zapalenia oskrzeli odpowiednio
u dzieci i osób dorosłych [1].
Istnieje kilka tysięcy doniesień dotyczących modyfikacji funkcji
i aktywności białek wewnątrzkomórkowych i związanych z nimi
dróg metabolicznych. Przytoczone przykłady pozwolą czytelnikowi zorientować się w podstawowych rodzajach zmian metabolizmu wewnątrzkomórkowego spowodowanych przez tą nieenzymatyczną modyfikację.
1. Erytrocyty
I tak, w erytrocytach glikacja mutazy 2,3-difosfoglicerynianowej
w pozycji Liz158 powoduje jej inhibicję. Ten wielofunkcyjny enzym
wykazuje trzy aktywności: syntetazy 2,3-DPG, mutazy fosfoglicerynianowej oraz fosfatazy 2,3 DPG. Wykazano, że ekspozycja in vitro
216
tego enzymu na 100 mmol/L glukozę powodowała glikację 6 reszt
lizynowych i ponad 50% inhibicję wszystkich jego aktywności.
Przy czym kluczowa była tutaj glikacja w pozycji Liz158. Inhibicja
enzymu może zakłócać procesy modulacji powinowactwa Hb
do tlenu w różnych warunkach fizjologicznych i patologicznych
wskutek zwolnienia obrotu metabolicznego 2,3 DPG [29]. Z drugiej strony wyraźna hiperglikemia in vivo u ludzi z cukrzycą, na
poziomie 9 mmol/L (HbA1c ok. 10%) nie powodowała ani zmian
w poziomie 2,3 DPG ani w pO2/pCO2 we krwi [30].
2. Mięśnie szkieletowe
W mięśniach szkieletowych nagromadzający się glukozo-6-fosforan wiąże się z łańcuchami ciężkimi miozyny powodując inhibicję
jej aktywności ATP-azowej. ATP obecne w mięśniach częściowo
zapobiegało tej inhibicji. Niemniej przy długotrwałej hiperglikemii
glikacja miozyny może powodować upośledzenie funkcji białek
kurczliwych mięśni [31].
3. Naczynia krwionośne
W przestrzeni okołonaczyniowej glikowane/utlenione LDL, w patofizjologicznie odpowiednich stężeniach, zwiększały wielokrotnie
wydzielanie fruktozy, jak również G-6-P i F-6-P z mięśni gładkich
naczyń. Powodowało to znaczy wzrost glikacji białek pozakomórkowych w tym mikrokompartmencie i wzrost uwalniania LDH
z włókien mięśniowych, świadczący o ich uszkodzeniu [28]. Natywne nieoksydowane LDL nie miały takich właściwości.
Glukozo-6-fosforan poprzez dehydrogenazę glukozo-6-fosforanową i cykl pentozomonofosforanowy jest głównym źródłem
NADPH do syntezy glutationu, podstawowego metabolitu chroniącego tkanki przed stresem oksydacyjnym. Homeostaza glutationu ma szczególne znaczenie w komórkach cechujących się
wysokim tempem metabolizmu tlenowego takich jak komórki
neuronalne, mięśnia sercowego, kanalików zbiorczych rdzenia
nerki czy też komórki endotelium naczyniowego. AGE-Albumina
powodowała inhibicję aktywności oraz spadek poziomu białka
i ekspresji genu dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej, oraz
wzrost stężenia wolnych rodników tlenowych w komórkach endotelium żył pępowinowych [32]. Obniżenie poziomu glutationu jak
i inhibicja G-6-PDH zwiększają glikację białek i stres oksydacyjny
w endotelium naczyniowym, przez co stają się istotnym elementem błędnego koła w patomechanizmie miażdżycy naczyń w cukrzycy [33]. Drugim enzymem dostarczającym NADPH do syntezy
glutationu jest dehydrogenaza izocytrynianowa NADP-zależna.
Aktywność tego enzymu ulega inhibicji po glikacji domeny Liz212,
znajdującej się w jego centrum aktywnym. Glukoza jest stosunkowo słabym inhibitorem tego enzymu. Działanie glukozo-6-fosforanu i fruktozy jest kilkakrotnie silniejsze zarówno do w stosunku
do enzymu mitochondrialnego jak i cytoplazmatycznego (ryc.
1) [34]. Nadmierną glikację ICDH stwierdzano zarówno in vitro
w hiperglikemicznych hodowlach komórek HEK203, jak i w nerkach szczurów cukrzycowych oraz soczewkach oczu pacjentów
z cukrzycą cierpiących na zaćmę [34]. Inhibicja obu form ICDH
hamuje zarówno metabolizm energetyczny związany z cyklem
kwasów trójkarboksylowych w mitochondriach jak i syntezę glutationu w przedziale cytoplazmatycznym komórek. Transfekcja genu
Diagn Lab 2015; 51(3): 213-220
i nadekspresja ICDH w ludzkich epitelialnych komórkach HEK203
chroniła je przed działaniem stresu oksydacyjnego związanego
z hiperglikacją i inhibicją tego enzymu [34]. W cukrzycy typu 2,
nadmierny wzrost poziomu wolnych rodników i AGE w mięśniach
gładkich naczyń krwionośnych aktywuje czynnik NF-κB, który poprzez wzrost ekspresji genów związanych z drogami sygnałowymi
Akt Erk1/2 prowadzi do ich hipertrofii oraz do zmian w macierzy
pozakomórkowej naczyń krwionośnych [35].
4. Mózg
Szczególnym rodzajem śródbłonka naczyniowego są komórki
endotelialne mózgu, które wraz z astrocytami tworzą barierę krew-mózg. Zabezpiecza ona przedziały wewnątrz i zewnątrzkomórkowe mózgu przed szkodliwym oddziaływaniem znajdujących
się w przestrzeni pozamózgowej różnych drobno i wielkocząsteczkowych, endo i egzogennych związków cytotoksycznych.
Metyloglioksal indukował apoptozę tych komórek, poprzez zahamowanie metabolizmu energetycznego. Zwiększał on również
przestrzenie międzykomórkowe wskutek glikacji licznych białek
zewnątrzkomórkowej macierzy bariery krew-mózg takich jak laminina, okludyna, fibronektyna oraz białka ZO1-3 [36]. Powodowało to obniżenie oporności elektrycznej błony endotelialnej oraz
wzrost jej przepuszczalności. Uszkodzenie to zmniejszało się po
zastosowaniu N-acetylocysteiny i innych związków chroniących
reszty –SH glutationu, a nasilane przez inhibitory syntezy glutationu [36].
Badania epidemiologiczne na dużych grupach, ponad 600.000
cukrzyków i odpowiedniej liczbowo, wiekowo i pod względem płci
grupie kontrolnej, wykazały że cukrzyca zwiększa ryzyko wystąpienia choroby Alzheimera o około 40%, które zwiększa się z wiekiem
i czasem trwania choroby [37]. Uszkodzenie bariery krew mózg
przez hiperglikację i AGE wydaje się mieć istotne znaczenie dla
tego zjawiska. Zarówno glikowana jak i natywna albumina w płynie mózgowo rdzeniowym pochodzi z osocza, a jej gradient płyn/
osocze wynosi około 7 x 10-3, co odpowiada stężeniu 300 mg/L.
Przy 15% poziomie glikacji w osoczu stężenie glikowanej albuminy
w płynie mózgowo-rdzeniowym wynosiłoby ponad 40 mg/L [2].
Tymczasem, już stężenia 2 razy niższe wywoływały u zwierząt
doświadczalnych zmiany patologiczne, typowe dla choroby Alzheimera [38]. Co więcej, ostatnie badania wykazały, że mikroglej
hodowany w środowisku hiperglikemicznym i eksponowany na
amyloid-β może syntetyzować wydzielać znaczne ilości AGE–
albuminy [39]. Ta forma albuminy jest głównym AGE-białkiem
w mózgach dotkniętych chorobą Alzheimera [40]. AGE-albumina
zwiększała ekspresję RAGE i napływ Ca do neuronów mózgu,
powodując ich apoptozę. Indukowała również hiperfosforylację
białka tau, poprzez aktywację kinazy 3 syntazy glikogenu (GSK-3)
w neuronach [37]. Zmiany te były indukowane przez AGE-albuminę za pośrednictwem RAGE. Również amyloid-β wywiera swoje
neurotoksyczne działanie poprzez RAGE działając synergistycznie z AGE-albuminą [38, 41, 42]. Ostatnie badania wykazują, że
amyloid-β może podlegać glikacji, która przyspiesza oligomeryzację zwiększając jego działanie cytotoksyczne [43]. Związanie tych
ligandów z RAGE na powierzchni astrocytów i endotelium naczyń
mózgowych, aktywuje wewnątrzkomórkową drogę przekaźnic-
twa sygnału: kinaza białkowa aktywowana mitogenem – kinaza
białkowa regulowana przez sygnał pozakomórkowy (MAPK/ERK)
– czynniki transkrypcyjne w tym NFκB, CREB i jądrowy czynnik
transkrypcyjny, które aktywują szereg genów związanych z reakcjami zapalnymi i apoptozą/ śmiercią komórek [41]. Należy przy
tym zaznaczyć, że amyloid-β, oprócz wiązania z RAGE powoduje
patologiczną aktywację lub inhibicję kliku innych receptorów
takich jak NMDA-R, p75NTR, a7-nAChR czy też receptory prionowe
[44]. W efekcie dochodzi do zahamowania metabolizmu energetycznego, funkcji neuroprzekaźniczych i żywotności neuronów
i innych komórek mózgu na których te receptory występują. W sumie cukrzyca typu 2 i choroba Alzheimera mają wspólne punkty
patomechanizmu w postaci obniżonej ekspresji transporterów
Glut-1 i 3, zaburzeń homeostazy Ca, zapalnego pobudzenia mikrogleju w którym istotna rolę odgrywają zarówno amyloid-β jak
i AGE-albumina wywierające swoje działania neurodgeneracyjne
poprzez RAGE (ryc. 1) [45, 46].
Glikowane białka a „pamięć metaboliczna” w cukrzycy
Duże próby kliniczne wykazały, że wczesna i rygorystyczna kontrola glikemii redukuje i opóźnia wystąpienie późnych powikłań
związanych z makro i mikroangiopatią. Istotna rolę w tym zjawisku odgrywa utrzymanie właściwego poziomu AGE-białek.
Długotrwały brak właściwej kontroli glikemii powoduje bowiem
powstanie stosunkowo trwałych zmian w poziomie glikacji białek
strukturalnych i fukcjonalnych, jak również zmiany epigenetyczne w jądrowym i mitochondrialnym DNA komórek chorych na
cukrzycę (ryc. 1) [47, 48]
W doświadczeniach na zwierzętach cukrzycowych wykazano, że
po kilkumiesięcznym okresie hiperglikemii, długotrwała normalizacja poziomu glukozy i HbA1c, nie przywracała do normy wielu
parametrów metabolicznych związanych z rozwojem angiopatii.
Przy opóźnionej interwencji, pomimo powrotu do ścisłej kontroli
glikemii poziomy potencjalnie szkodliwych związków takich jak
AGE w mitochondriach, kolagenu w podścielisku tkankowym,
kinazy białkowej C, NFκB, kaspazy 3, nadtlenków lipidów oraz
rodników nitrozylowych pozostawały podwyższone, a poziom
glutationu pozostawał obniżony. Przy skróceniu okresu niekontrolowanej hiperglikemii powrót do normoglikemii powodował
częściowe odwrócenie opisanych zaburzeń metabolicznych. Dane
te tłumaczą zależny od AGE-białek mechanizm powstawania powikłań naczyniowych w cukrzycy. Świadczy to o tym, że wiele
zmian wywołanych glikacją ma charakter trwały (epigenetyczny)
i nie może być łatwo odwrócona przez późną kontrolę glikemii.
Uzasadnia to konieczność jak najszybszego rozpoczynania terapii
cukrzycy i prowadzenia jej w sposób rygorystyczny przez całe
życie pacjenta. W grupach ryzyka optymalizacja kontroli metabolicznej powinna być prowadzona jeszcze przed wystąpieniem
jawnej cukrzycy [49].
Nie ma dowodu na to, aby HbA1c wykazywała właściwości istotne
dla patofizjologii cukrzycy. Jest jednak najłatwiejszym do oznaczenia i dobrze zestandaryzowanym markerem długoczasowej
glikacji wewnątrzkomórkowej w cukrzycy. Dzięki długiemu czasowi półtrwania jest markerem „pamięci metabolicznej”. Jej wysoki
poziom świadczy o tym, że zarówno w PPK jak i w PWK doszło
217
www.diagnostykalaboratoryjna.eu
już do wielokierunkowych zmian funkcji i aktywności licznych
białek biologicznie czynnych (ryc. 1), które jeszcze przez długi czas
po normalizacji glikemii, mogą indukować zmiany patologiczne
prowadzące do późnych powikłań narządowych w tej chorobie.
23. Pieters M, van Zyl DG, Rheeder P, et al. Glycation of fibrinogen in uncontrolled
diabetic patients and the effects of glycaemic control on fibrinogen glycation.
Thromb Res 2007; 120: 439-446.
24. Svennson J, Bergmann AC, Adamson U, et al. Acetylation and glycation of
fibrinogen in vitro occur at specific lysine residues in a concentration dpendent
manner: A mass spectrometric and isotope labeling study. Biochem Biophys
Res Commun 2012; 421: 335-342.
Piśmiennictwo
1.
Robalo-DeChristopher L, Uribarri J, Tucker KL. Intake of high fructose corn
syrup sweetened soft drinks is associated with prevalent chronic bronchitis in
US adults ages 20-55 y. Nutrition J 2015; 14:107.
2.
Austin GE, Mullins RH, Morin LG. Non-enzymic glycation of individual plasma
proteins in normoglycemic and hyperglycemic patients. Clin Chem 1987; 33:
2220-2224.
3.
Hudson BI, Hofamnn MA, Bucciarelli L, et al. Glycation and diabetes: The RAGE
connection. Curr Sci 2002; 83: 1515-1521.
4.
Rondeu P, Bourdon E. The glycation of albumin: Structural and functional impacts. Biochimie 2011; 93: 645-658.
5.
Iberg N, Flückiger R. Nonenzymatic glycosylation of albumin in vivo. Identification of multiple glycosylated sites. J Biol Chem 1986; 261: 13542-13545.
6.
Rodino-Janeiro BK, Gonzalez-Pereiro M, Ucieda-Somosa R, et al. Glycated albumin, a precursor of advanced glycation end-products, up-regulates NADPH
oxidase and enhances oxidative stress in human endothelial cells: molecular
correlate of diabetic vasculopathy. Diabets Metab Res Rev 2010; 26: 550-558.
7.
Rubenstein DA, Zahra M, Wen Y. Glycated albumin modulates endothelial cell
thrombogenic and inflammatory responses. J Diab Sci Technol 2011; 5: 700-713.
8.
Hara K, Omori K, Sumioka Y, Aso Y. Spontaneous platelet aggregation evaluated
by laser light scatter in patients with type 2 diabetes: Effects of short-term
improved glycemic control and adiponectin. Transl Res 2012; 159: 15-24.
9.
Michno A, Bielarczyk H, Pawełczyk T, Jankowska-Kulawy A, Klimaszewska J,
Szutowicz A. Alterations of adenine nucleotide metabolism and function of
bloodplatelets in patients with diabetes. Diabetes 2007; 56: 462-467.
10. Laffont I, Shuvaev VV, Briand O, et al. Early-glycation of apolipoprotein E: effect
on its binding to LDL receptor, scavenger receptor A and heparin sulfates.
Biochim Biophys Acta 2002; 583: 99-107.
11. Ferretti G, Rabini RA, Bacchetti T, et al. Glycated low density lipoproteins modify
platelet properties: A compositional and functional study. J Clin Endocrin Metab
2002; 87: 2180-2184.
12. Rabbani N, Chittari MV, Bodmer CW, et al. Increased glycation and oxidative
damage to apolipopratein B100 of LDL cholesterol in patients with type 2
diabetes and effect of metformin. Diabetes 2010; 59: 1038-1045.
13. Rabbani N, Godfrey L, Xue M, et al. Glycation of LDL by methyglioxal increases
arterial atherogenicity. Diabetes 2011; 60: 1973-1980.
14. Sangle GV, Chowdbury SKR, Xie X, et al. Impairment of mitochondrial respiratory chain activity in aortic endothelial cells induced by glycated low-density
lipoprotein. Free Radic Biol Med 2010; 48: 781-790.
15. Matsunaga T, Iguchi K, Nakajima T, et al. Glycated high density lipoprotein induces apoptosis of endothelial cells via a mitochondrial dysfunction. Biochem
Biophys Res Commun 2001; 287: 714-720.
16. Liu D, Ji L, Zhang D, et al. Nonenzymatic glycation of high-density lipoprotein
impairs its anti-inflammatory effects in innate immunity. Diabetes Metab Res
Rev 2012; 28: 186-195.
17. Uesugi N, Sakata N, Nagai R, Jono T, Horiuchi S, Takebayashi S. Glycoxidative
modification of AA amyloid deposits in renal tissue. Nephrol Dial Transplant
2000; 15: 355-365.
18. Goh SY, Cooper ME. The role of advanced glycation end products in progression
and complications of diabetes. J. Clin. Endocrinol Metab 2008; 93: 1143-1152.
19. Tanaka M, Seki G, Someya T, Nagata M, Fujita T. Aberrantly glycosylated IgA1
as a factor in the pathogenesis of IgA nephropathy. Clin Devel Immunol 2011;
doi:10.1155/2011/470803.
20. Lapolla A, Fedele D, Traldi P. The role of mass spectrometry in the study of non-enzymatic protein glycation in diabetes. Mass Spectrom Rev 2000; 19: 279-304.
21. Ahmad S, Ali MA. Immunological studies on glycated human IgG. Life Sci 2012;
90: 980-987.
22. Shcheglova T, Makker SP, Tramontano A. Covalent binding antibodies suppress
advanced glycation: On the innate tier of adaptative immunity. Acta Naturae
2009; 2: 66-72.
218
25. Kanska U, Omar MA, Budzynska R, et al. Antileukemic activity of glycated fibrynogen-methotrexate conjugates. Anticancer Res 2005; 25: 2229-2234.
26. Duarte JMN, Carvahlo RA, Cunha RA, Gruetter R. Caffeine consumption attenuates neurochemical modifications in the hippocampus of streptozotocin-induced diabetic rats. J Neurochem 2009; 111: 368-379.
27. O’Harte FPM, Penney AC, Flatt PR. Glycation of insulin by phosphorylated and
nonphosphorylated reducing sugars. Biochem Soc Trans 1997; 25: 150S.
28. Takeda H, Higashi T, Nishikawa T, et al. Release of fructose and hexose phosphates from perivascular cells induced by low density lipoprotein and acceleration
of protein glycation in vitro. Diabetes Res Clin Pract 1996; 31:1-8.
29. Fuita T, Suzuki K, Tada T, et al. Human erythrocyte bisphosphoglycerate mutase:
Inactivtion by glycation in vivo and in vitro. J Biochem 1998; 124: 1237-1244.
30. Castilho EM, Glass ML, Manco JC. The effects of 2,3-diphosphoglycerate, adenosine triphosphate, and glycosylated hemoglobin on the hemoglobin-oxygen
affinity of diabeti patients. Brazil J Med Biol Res 2003; 36: 731-737.
31. Avigad G, Kniep A, Bailin G. Reaction of rabbit skeletal myosin with D-glucose
6-phosphate. Biochem Mol Biol Int 1996; 40: 273-284.
32. He MH, Zang Y. Advanced glycation end products inhibit glucose-6-phosphate
dehydrogenase activity and expression in human umbilical vein endothelial
cells. Acta Physiol Sinica 2012; 64: 646-650.
33. Jain SK. Glutathione and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency can
increase protein glycation. Free Radic Biol Med 1998; 24:197-201.
34. Kil IS, Lee JH, Shin AH, Park JW. Glycation-induced inactivation of NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase: Implications for diabetes and aging. Free
Radic Biol Med 2004; 37: 1765-1778
35. Casella S, Bieli A, Mauriello A, Orlandi A. Molecular pathways regulating macrovascular pathology and vascular smooth muscle cell phenotype in type 2
diabetes. Int J Mol Sci 2015; 16: 24353-24368.
36. Li W, Maloney RE, Circu ML, Alexander JS, Aw TY. Acute carbonyl dtress occluding glycation and brain microvascular endothelial barrier dysfunction: Role
for glutathione-dependent metabolism of methylglyoxal. Free Rad Biol Med
2013; 54: 51-61.
37. Wang KC, Woung LC, Tsai MT, et al. Risk of Alzheimer’s disease in relation to diabetes: A population-based cohort study. Neuro-epidemiology 2012; 38:237-244.
38. Li XH, Lv BL, Xie JZ, et al. AGEs induce Alzheimer-like tau pathology and memory deficit via RAGE-mediated GSK-3 activation. Neurobiol. Aging 2012; 33:
1400-1410.
39. Byun K, Bayarsaikhan E, Kim D, et al. Activated microglial cells synthesisze and
secrete AGE-albumin. Anat Cell Biol 2012a, doi.org/10.5115/acb.2012.15.1.47
40. Byun K, Bayarsaikhan E, Kim D, et al. Induction of neuronal death by microglial
AGE-albumin: implications for Alzheimer’s disease. Plos one 2012b; 7: e37917.
41. Askarova S, Yang X, Sheng W, Sun GY, Lee JCM. Role of Aβ-receptor for advanced
glycation endproducts intreraction in oxidative stress and cytosolic phospholipase A2 activation in astrocytes and cerebral endothelial cells. Neuroscience
2011; 199: 375-385.
42. Kroner Z. The relationship between Alzheimer’s disease and diabetes: Type 3
diabetes? Alter Med Rev 2009; 14: 373-379.
43. Fawver JN, Schall HE, Chapa RDP, Zhu X, Murray IVJ. Amyloid-β metabolite
sensing: Biochemical linking of glycation modification and misfolding. J Alzheimer’s Dis 2012; 30: 63-73.
44. Dinamarca MC, Rios JA, Inastrosa NC. Postsynaptic receptors for amyloid-β
oligomers as mediators of neuronal damage in Alzheimer’s disease. Front Physiol 2012; 3:1-7.
45. Ahmad W. Overlapped metabolic and therapeutic links between Alzheimer and
diabetes. Mol Neurobiol 2013; 47: 399-424.
46. Srikanth V, Maczurek A, Phan T, et al. Advanced glycation endproducts and
their receptor RAGE in Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging 2011; 32: 763-777.
47. Ceriello A, Ihnat MA, Thrope JE. The “metabolic memory”: Is more than just tight
glucose control necessary to prevent diabetic complications? J Clin Endocriol
Metab 2009; 9: 410-415.
Diagn Lab 2015; 51(3): 213-220
48. Ihnat MA, Thrope JE, Ceriello A. Hypothesis: the ‘metabolic memory’, the new
challenge of diabetes. Diabetic Med 2007; 24: 582-586.
49. Aschner PJ, Ruiz AJ. Metabolic memory for vascular disease in diabetes. Diabetes
Technol Therap 2012;14: S-68-S74.
Adres do korespondencji:
prof. dr hab. Andrzej Szutowicz
Zakład Medycyny Laboratoryjnej
Katedra Biochemii Klinicznej
Gdański Uniwersytet Medyczny
80-211 Gdańsk, ul. Dębinki 7 bud. 27
Tel. +48 58 3491771
e-mail: [email protected]
Zaakceptowano do druku: 21.10.2015
219
www.diagnostykalaboratoryjna.eu
220