Rola receptorów adenozynowych w cukrzycy typu 2

Andrzej Zieleniak, Renata Dymitrowa Georgiewa, Marzena Wójcik
PRACA POGLĄDOWA
Zakład Biologii Strukturalnej, Wydział Nauk Biomedycznych i Kształcenia Podyplomowego Uniwersytetu Medycznego w Łodzi
Rola receptorów adenozynowych
w cukrzycy typu 2
The role of adenosine receptors in type 2 diabetes mellitus
Mgr Andrzej Zieleniak
Absolwent Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego w Łodzi. Tytuł magistra biologii uzyskał
w zakresie biologii środowiskowej (2003 r.) i genetyki (2006 r.). Przewód doktorski otwarty w 2009 roku: „Ekspresja
receptorów adenozynowych w leukocytach pacjentek z cukrzycą ciążową”. Od początku działalności naukowej związany z Zakładem Biologii Strukturalnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi.
Renata Dymitrowa Georgiewa
Studentka Wydziału Nauk Biomedycznych i Kształcenia Podyplomowego Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, kierunek
— biotechnologia, specjalność — medycyna molekularna. Pracę licencjacką pt. „Rola receptorów adenozynowych
w cukrzycy typu 2” realizowała pod kierunkiem dr Marzeny Wójcik.
Dr n. chem. Marzena Wójcik
Absolwentka Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytetu Łódzkiego w Łodzi. Tytuł doktora nauk chemicznych
uzyskała w 2001 roku w Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych Polskiej Akademii Nauk w Łodzi,
gdzie przedmiotem jej działalności naukowej była biochemia kwasów nukleinowych, biologia molekularna
i biotechnologia oraz mechanizmy działania enzymów zaangażowanych w metabolizm kwasów nukleinowych.
W latach 2003–2004 odbyła staż podoktorski w Norris Cotton Cancer Center, Dartmouth College Medical School
(Stany Zjednoczone). Od 2007 roku jest związana z Zakładem Biologii Strukturalnej Uniwersytetu Medycznego
w Łodzi, gdzie we współpracy z Kliniką Diabetologii i Chorób Przemiany Materii Centrum Zdrowia Matki Polki
Uniwersytetu Medycznego w Łodzi zajmuje się głównie identyfikacją białek uczestniczących w patofizjologii
cukrzycy ciążowej oraz wyjaśnieniem molekularnych mechanizmów insulinooporności u kobiet chorych na cukrzycę ciążową. Jest współautorką ponad 40 publikacji w renomowanych czasopismach o międzynarodowym
zasięgu.
Adres do korespondencji:
dr n. chem. Marzena Wójcik
Zakład Biologii Strukturalnej, Wydział Nauk Biomedycznych
i Kształcenia Podyplomowego Uniwersytetu Medycznego w Łodzi
ul. Żeligowskiego 7/9, 90–752 Łódź
tel.: 42 639 32 38, faks: 42 639 32 21
e-mail: [email protected]
Diabetologia Doświadczalna i Kliniczna 2011, 11, 2: 69–77
Copyright © 2011 Via Medica, ISSN 1643–3165
www.ddk.viamedica.pl
69
Diabetologia Doświadczalna i Kliniczna 2011, Vol. 11, No. 2
Abstract
In recent years an increasing incidence of type 2 diabetes
mellitus (T2DM), associated with genetic, environmental,
and ethnic factors, has led to serious social and economic
consequences. Therefore, of particular interest is the development of new, effective, and safe antidiabetic drugs. In
this context, several selective and high affinity synthetic
agonists of adenosine receptor A1 (such as SDZ WAG-994,
GR79236, ARA, CPA, CHA i CVT-3619), with the antilipolytic properties have been the subject of long-term intensive
studies in vitro and in vivo. These compounds have been
Wstęp
Cukrzyca typu 2 (T2DM, diabetes mellitus 2) jest
chorobą metaboliczną, która charakteryzuje się hiperglikemią wynikającą ze zwiększonej oporności
tkanek obwodowych na działanie insuliny i/lub
zmniejszeniem wydzielania tego hormonu przez komórki b wysp trzustki (tj. defekt wysp trzustkowych).
O tym, jak poważnym problemem zdrowotnym
współczesnej medycyny jest cukrzyca, świadczą
dane statystyczne opublikowane przez Światową Organizację Zdrowia (WHO, World Health Organization)
wskazujące, że liczba chorych na cukrzycę w 2000
roku wynosiła prawie 171 mln i zgodnie z przewidywaniami ulegnie ona podwojeniu do 2030 roku [1].
Szacuje się, że największy wzrost zachorowań nastąpi w krajach rozwijających się wśród populacji
w wieku 45–64 lat, podczas gdy w krajach rozwiniętych choroba ta dotknie w największym stopniu osoby powyżej 65. roku życia [1]. W Polsce liczba chorych na cukrzycę osiągnęła prawie 2 mln (co stanowi 5,6% dorosłej populacji), z czego około 1,5 mln
stanowią chorzy na T2DM. Drastycznie wzrastająca
zachorowalność na T2DM na całym świecie spowodowała, że od wielu lat trwają badania nad poznaniem molekularnych mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie i rozwój tej choroby oraz nad
odkryciem nowych związków, które mogłyby być wykorzystane w jej leczeniu. W tym kontekście zainteresowanie wzbudziły receptory adenozynowe (ARs,
adenosine receptors), a wśród nich najdokładniej do
tej pory funkcjonalnie scharakteryzowany receptor
adenozynowy A 1. Dotychczasowe badania wykazały
regulacyjną funkcję receptora A 1 w centralnym układzie nerwowym [2, 3], układzie krwionośnym [4],
moczowym [5] i oddechowym [6, 7]. Ponadto stwierdzono, że jego stymulacja w obecności agonisty, jakim jest adenozyna (Ado), hamuje lipolizę w adipocytach [8]. W związku z tym od wielu lat trwają badania nad poszukiwaniem selektywnego agonisty re-
70
chosen and tested in various biological systems since it
has been shown that stimulation of adenosine receptor A1
present in cell membranes of adipocytes resulted in lipolysis inhibition in these cells. In this review, characteristics
adenosine receptors is demonstrated with a special emphasis on the role of adenosine receptor A1 in lipolysis.
Moreover, a potential therapeutic utility of synthetic agonists of adenosine receptor A1 to treat insulin resistance
and T2DM is outlined.
Diabet Dośw Klin 2011; 11, 2: 69–77
key words: diabetes, adenosine receptors, agonist, lipolysis
ceptora A 1 o silnych właściwościach antylipolitycznych i korzystnych parametrach farmakokinetycznych, który mógłby być wykorzystany w leczeniu cukrzycy.
Celem tego artykułu jest przedstawienie aktualnego
stanu wiedzy o roli receptora adenozynowego A1 w procesie lipolizy oraz omówienie perspektyw wykorzystania syntetycznych agonistów tego receptora w leczeniu
insulinooporności i T2DM.
Receptory adenozynowe (ARs)
Receptory adenozynowe należą do grupy receptorów sprzężonych z białkami G (GPCRs, G-protein coupled receptors), które są zlokalizowane w błonach prawie wszystkich komórek organizmu ludzkiego. Dotychczas zidentyfikowano 4 podtypy receptorów adenozynowych, oznaczone jako A1, A2A, A2B i A3, które różnią się
między sobą zarówno dystrybucją tkankową, jak i właściwościami biochemicznymi oraz farmakologicznymi
(tab. 1) [9, 10]. Homologia w sekwencji aminokwasowej
między poszczególnymi ludzkimi podtypami ARs wynosi
40–61%, przy czym najwyższa, 61-procentowa homologia występuje między receptorami A2A i A2B [11].
Wspólną cechą wszystkich podtypów ARs jest ich aktywacja w obecności naturalnego liganda — Ado — prowadząca do inhibicji cyklazy adenylowej (AC, adenylate
cyclase) (w przypadku receptorów A1 i A3) lub aktywacji
tego enzymu (w przypadku receptorów A2A i A2B). Do tej
pory ustalono, że również inne mechanizmy transdukcji
sygnału są zaangażowane w działanie tych receptorów,
jak np. kanały wapniowe czy potasowe. Należy zaznaczyć, że ARs wykazują zróżnicowane powinowactwo do
Ado: receptory A1 i A2A charakteryzują się wysokim powinowactwem do Ado i mogą być aktywowane wyłącznie przez zewnątrzkomórkowe nanomolowe stężenie
tego agonisty, podczas gdy receptory A2B i A3 cechujące się niskim powinowactwem do Ado wymagają do
swojej aktywacji mikromolowych stężeń Ado (tab. 1).
www.ddk.viamedica.pl
Andrzej Zieleniak, Renata Dymitrowa Georgiewa, Marzena Wójcik, Rola receptorów adenozynowych w cukrzycy typu 2
Tabela 1. Charakterystyka receptorów adenozynowych (ARs)
Table 1. Characteristics of adenosine receptors (ARs)
Charakterystyka ARs
Wysoki poziom
ekspresji
Wtórne przekaźniki
sygnału
A1
A2A
A2B
A3
Mózg (kora mózgowa,
móżdżek, hipokamp),
tylna część rdzenia
kręgowego, oczy,
nadnercza, przedsionki
Śledziona, grasica,
leukocyty (limfocyty
i granulocyty), płytki krwi,
prążkowie (neurony
GABA-ergiczne),
opuszki węchowe
Jelito ślepe,
okrężnica, pęcherz
moczowy
Jądra i komórki tuczne
(szczur)
ØcAMP
≠Ca2+
≠cAMP
≠IP3
≠cAMP
≠IP3/DAG (PLC)
ØcAMP
≠IP3/DAG (PLC)
Wysokie
Wysokie
Niskie
Niskie
GiGo
GsGolf,
Gs,
GiG0
G(15/16)
GqG11
≠IP3/DAG (PLC)
Powinowactwo do Ado
Udział białek G
Ado — adenozyna; IP3 — inozytolo-1,4,5-trifosforan; DAG — 1,2-diacyloglicerol; PLC (phospholipase C) — fosfolipaza C; ≠ — wzrost, Ø — spadek
Budowa i dystrybucja ARs
Receptory adenozynowe są zbudowane z 7 transmembranowych domen o silnie konserwatywnej sekwencji aminokwasowej, z których każda zawiera 21–
–28 hydrofobowych aminokwasów. Wolna grupa karbo-ksylowa łańcucha polipeptydowego (C-terminalny
koniec) jest zlokalizowana wewnątrz komórki, natomiast
koniec N-terminalny występuje po stronie zewnątrzkomórkowej. Określone domeny transbłonowe są połączone ze sobą za pomocą 3 zewnątrzkomórkowych
oraz 3 cytoplazmatycznych pętli. Domeny transmembranowe tworzą kieszeń, do której wiąże się ligand.
Każdy z podtypów ARs zawiera miejsca dla glikozylacji (NXS/T, gdzie X oznacza każdy aminokwas z wyjątkiem proliny) w drugiej zewnątrzkomórkowej pętli [12].
Ponadto wśród wszystkich podtypów ARs tylko receptor A3 posiada dodatkowe miejsce glikozylacji w pobliżu
N-końca [13].
Zewnątrzkomórkowe pętle zawierają reszty cysteiny, które poprzez zdolność do tworzenia mostków disiarczkowych wpływają na stabilizację konformacji białka receptorowego [11, 14]. Zaobserwowano, że C-końce receptorów A1, A2B i A3 charakteryzują się obecnością reszty cysteiny, która poprzez zdolność do ulegania palmitylacji może być zaangażowana w tworzenie
czwartej wewnątrzkomórkowej pętli. Jednak znaczenie
funkcjonalne tej pętli nie zostało dotychczas zdefiniowane [15].
Uważa się, że białko G jako główny efektor ARs oddziałuje z każdym podtypem receptora w obrębie jego
trzeciej pętli wewnątrzkomórkowej. Ustalono, że receptory A1 i A3 wiążą się z podrodziną białek G-wrażliwych
na toksynę krztuśca (Gi1–3 oraz Go), natomiast receptory
A2A i A2B oddziałują z inną podrodziną białek G, które są
wrażliwe na toksynę cholery (Gs). W przypadku receptorów A2B i A3 zaobserwowano także ich oddziaływania
z białkiem Gq/G11 prowadzące do aktywacji fosfolipazy
C (PLC, phospholipase C) typu b (tab. 1).
Badania z wykorzystaniem metody reakcji łańcuchowej polimerazy z analizą ilości produktu w czasie rzeczywistym wykazały, że ARs ulegają ekspresji prawie
we wszystkich typach komórek organizmu ludzkiego,
ale poziomy tej ekspresji na poziomie mRNA są różne
w poszczególnych typach komórek. Najwyższy poziom
ekspresji receptora A1 wykryto w pre- i postsynaptycznych błonach neuronów takich struktur, jak kora mózgowa, hipokamp, móżdżek, prążkowie i rdzeń kręgowy, podczas gdy najwyższy poziom mRNA receptora
A2A obserwowano w komórkach śledziony, grasicy, prążkowia, opuszek węchowych oraz leukocytach i płytkach
krwi (tab. 1) [16]. Najwyższym stężeniem receptora A2B
charakteryzują się błony komórek jelita ślepego, okrężnicy i pęcherza moczowego [16]. W przypadku receptora A3 — najpóźniej zidentyfikowanego receptora adenozynowego — stwierdzono, że występuje on w znacznej ilości w jądrach i komórkach tucznych szczura [16].
Należy zaznaczyć, że jeden typ komórki może zawierać
więcej niż jeden podtyp receptora adenozynowego [17].
Aktywacja ARs
Adenozyna jest endogennym nukleozydem purynowym o dużej aktywności biologicznej, który poprzez stymulację ARs bierze udział w regulacji wielu układów,
w tym oddechowego, nerwowego, krwionośnego, immunologicznego i wydalniczego. Adenozyna jest obecna zarówno w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, jak i
wewnątrzkomórkowej. Zewnątrzkomórkowym źródłem
www.ddk.viamedica.pl
71
Diabetologia Doświadczalna i Kliniczna 2011, Vol. 11, No. 2
Ado są nukleotydy adeninowe uwolnione z komórek.
Zarówno zewnątrzkomórkowe adenozynotrifosforany
(ATP), jak i adenozynodifosforany (ADP) ulegają hydrolizie do adenozynomonofosforanów (AMP) w obecności
ektonukleotydazy CD39 (ectonucleoside triphosphate
diphosphohydrolase 1), a uwolniony AMP jest defosforylowany do Ado przez 5’-ektonukleotydazę (CD73,
ecto-5’-nucleotidase) — enzym, który charakteryzuje się
wysokim powinowactwem do AMP (wartość Km jest
w zakresie mikromolarnym) [18]. Innym źródłem zewnątrzkomórkowej Ado może być degradacja pozakomórkowego cAMP [19].
Wewnątrzkomórkowe tworzenie Ado zachodzi
przede wszystkim w wyniku defosforylacji AMP przez
5’-ektonukleotydazę lub w wyniku reakcji hydrolizy
S-adenozylohomocysteiny (SAH, S-adenosylhomocysteine) katalizowanej przez hydrolazę SAH. Wewnątrzkomórkowa Ado może ulec przekształceniu do AMP
w reakcji fosforylacji katalizowanej przez kinazę adenozyny lub może być degradowana do inozyny w obecności
deaminazy adenozyny. Należy zaznaczyć, że kinaza
adenozyny ze względu na wysokie powinowactwo do
Ado (Km ~ 0,5 µM) odpowiada za utrzymanie niskiego
stężenia adenozyny w komórce w warunkach fizjologicznych [20].
Poziom zewnątrzkomórkowej i wewnątrzkomórkowej
Ado jest utrzymywany w równowadze dzięki działaniu
błonowych transporterów: ENT (equilibrative nucleoside
transporters), czyli transporterów nukleozydowych przemieszczających nukleozydy przez błonę plazmatyczną
zgodnie z gradientem stężenia nukleozydu, oraz CNT
(concentrative nucleoside transporters), czyli transporterów nukleozydowych przemieszczających nukleozydy
w kotransporcie z jonem Na+ [21].
Aktywacja ARs zachodzi w wyniku działania zewnątrzkomórkowej Ado, prowadząc do inicjacji mechanizmu transdukcji sygnału związanego z białkami G.
Aktywacja receptora A1, podobnie jak receptora A3,
prowadzi do zahamowania aktywności AC i obniżenia
stężenia cAMP (wtórny przekaźnik sygnału) poprzez
białko Gi. Ponadto aktywacja receptora A1 może powodować stymulację PLC, kinazy 3-fosfatydyloinozytolu (PI-3K) lub kinazy aktywowanej mitogenami poprzez białko Gi [22]. Innym bezpośrednim efektorem
białka Gi związanego z receptorem A1 są kanały potasowe i chlorkowe. W przypadku receptora A3 stwierdzono, że może on oddziaływać również z białkiem
Gq i aktywować PLC [23].
Aktywacja receptorów zarówno A2A, jak i A2B prowadzi do stymulacji aktywności AC i zwiększenia wytwarzania cAMP poprzez białka Gs. Zaobserwowano ponadto, że aktywacja receptora A2B zachodzi także poprzez oddziaływanie z białkiem Gq, prowadząc do aktywacji PLC [24].
72
Rola receptora A1 w hamowaniu
lipolizy
Oprócz hiperglikemii istotnym czynnikiem prowadzącym do insulinooporności charakterystycznej w przebiegu T2DM jest podwyższone stężenie wolnych kwasów tłuszczowych (FFA, free fatty acid) we krwi wynikające ze wzmożonej hydrolizy triacylogliceroli (TG) w adipocytach. Obecnie wiadomo, że długotrwałe podwyższenie stężenia FFA we krwi prowadzi do wzrostu produkcji glukozy (stymulacja glukoneogenezy w wątrobie), zmniejszonej efektywności transportu glukozy
w mięśniach szkieletowych oraz zahamowania sekrecji
insuliny przez komórki b wysp trzustki. Intensywne badania podjęte w ostatnich latach nad molekularnymi mechanizmami działania podwyższonego stężenia FFA na
komórki tkanek insulinozależnych pozwoliły ustalić
istnienie kilku metabolicznych zaburzeń w tych tkankach prowadzących do ich insulinooporności (ryc. 1).
Uważa się że, dysfunkcja substratu receptora insulinowego 1 (IRS-1, insulin receptor substrate 1) w hepatocytach powoduje hiperglikemię poposiłkową, wzmożoną
syntezę glukozy oraz zaburzenia w syntezie lipidów, natomiast dysfunkcja IRS-1 w miocytach mięśni szkieletowych prowadzi do zahamowania aktywacji PI-3K, co
wpływa na osłabienie translokacji receptora glukozy 4
(GLUT4) z cytoplazmy do błony komórkowej i związane
z tym upośledzenie dokomórkowego transportu glukozy
oraz jej utylizacji. W odniesieniu do roli FFA w hamowaniu sekrecji insuliny przez komórki b wysp trzustki przypuszcza się, że nadekspresja genu ucp2, kodującego
mitochondrialne białko rozprzęgające 2, w obecności
FFA prowadzi do zmniejszenia ilości cytosolowego ATP,
otwarcia kanałów potasowych zależnych od ATP (KATP)
i w konsekwencji osłabienia wydzielania insuliny [25, 26].
Alternatywny mechanizm zakłada stymulację apoptozy
poprzez aktywację stresu retikulum endoplazmatycznego i obniżenie ekspresji antyapoptotycznego białka Bcl-2
[27] (ryc. 1). Jako że podwyższone stężenie FFA odgrywa istotną rolę w powstawaniu insulinooporności charakterystycznej w przebiegu T2DM, inhibicja lipolizy może
stanowić obiecujące podejście terapeutyczne w leczeniu
tej choroby. Z tego względu uwaga badaczy skupiła się
na receptorze adenozynowym A1, o którym było wiadomo, że jego aktywacja w obecności Ado prowadzi do
zahamowania lipolizy w adipocytach w wyniku inhibicji
aktywności AC poprzez białko Gi powodującej redukcję
stężenia cAMP, a następnie zahamowania aktywności
kinazy białkowej A, prowadzącego do inhibicji hormonowrażliwej lipazy i/lub adipocytowej lipazy triacyloglicerolowej (ryc. 2) [8]. Ponadto nadekspresja genu receptora A1 w adipocytach zwierząt opornych na insulinę przyczyniała się do obniżenia stężenia FFA we krwi i zwiększenia wrażliwości na insulinę [28]. Znajomość tych fak-
www.ddk.viamedica.pl
Andrzej Zieleniak, Renata Dymitrowa Georgiewa, Marzena Wójcik, Rola receptorów adenozynowych w cukrzycy typu 2
Rycina 1. Wpływ wolnych kwasów tłuszczowych na komórki tkanek insulinozależnych;≠ — wzrost, Ø — spadek.
Figure 1. The effect of free fatty acids on insulin-dependent tissues
Rycina 2. Mechanizm hamowania lipolizy w adipocytach z udziałem receptora adenozynowego A1. AC (adenylate cyclase) — cyklaza adenylanowa; ATGL (adipose triglyceride lipase) — adipocytowa lipaza triacyloglicerolowa; TG — triacyloglicerole FFA (free fatty acid — wolne
kwasy tłuszczowe; HSL (hormone-sensitive lipase) — hormonowrażliwa lipaza; PKA (protein kinase A) — kinaza białkowa A; Ø — spadek
Figure 2. The mechanism of adenosine A1 receptor-mediated inhibition of lipolysis in adipocytes
tów stworzyła możliwość wykorzystania syntetycznych
ligandów tego receptora do hamowania lipolizy w komórkach tłuszczowych. Do tego czasu zsyntetyzowano
wiele agonistów receptora A1 będących analogami Ado,
jednak tylko kilka z nich charakteryzujących się wysoką
selektywnością w stosunku do tego receptora testowano
w warunkach in vivo. Należy zaznaczyć, że trudność
w projektowaniu wysoko specyficznych agonistów ARs jest
uwarunkowana między innymi ich obecnością w błonach
plazmatycznych wielu typów komórek oraz jednoczesnym występowaniem podtypów tych receptorów w błonach komórkowych tych samych komórek.
www.ddk.viamedica.pl
73
Diabetologia Doświadczalna i Kliniczna 2011, Vol. 11, No. 2
Całkowici agoniści receptora A1
Antylipolityczny efekt Ado stał się punktem wyjścia
do badań nad projektowaniem i syntezą analogów Ado,
które podobnie jak ona będą hamowały lipolizę poprzez
oddziaływanie z receptorem, ale w przeciwieństwie do
niej będą wykazywały długi okres półtrwania we krwi.
Jednym z pierwszych potencjalnych i wysoko selektywnych agonistów receptora A1 testowanych w hodowlach
komórkowych i na modelach zwierzęcych był SDZ
WAG-994 [29]. Ustalono, że związek ten działa zarówno
hipoglikemicznie, jak i hipotensyjnie. Ishikawa i wsp.
[30] wykazali, że SDZ WAG-994 powodował obniżenie
stężenia glukozy we krwi szczurów, u których stwierdzono hiperglikemię i nadciśnienie, a także zmniejszał
ciśnienie tętnicze oraz częstość akcji serca, a te efekty
były skorelowane ze znacznym obniżeniem stężeń FFA,
TG, fosfolipidów i cholesterolu. W badaniu in vitro odkryto również, że SDZ WAG-994 hamował lipolizę w hodowli adipocytów izolowanych ze szczurów chorych na
cukrzycę [31]. Ponadto doustne podanie tego związku
szczurom chorym na cukrzycę indukowaną streptozotocyną (STZ) obniżało stężenie FFA i TG we krwi tych
zwierząt oraz redukowało ciśnienie tętnicze i pracę ich
serca w sposób zależny od dawki SDZ WAG-994, sugerując, że związek ten mógłby być wykorzystany jako
potencjalny terapeutyk w leczeniu schorzeń metabolicznych i układu sercowo-naczyniowego. W tych samych
badaniach podobne farmakologiczne efekty jak w przypadku SDZ WAG-994 obserwowano, analizując innego
specyficznego agonistę receptora A1 — RG14202 [31].
Kolejnym agonistą receptora A1, którego aktywność
metaboliczną testowano w badaniach in vitro i in vivo,
był GR79236. Ustalono, że związek ten hamował lipolizę stymulowaną przez aminy katecholowe w adipocytach izolowanych od człowieka, psa i szczura [32]. Ponadto GR79236 obniżał stężenie FFA o ok. 50%, TG
o ok. 55% i glukozy o ok. 25% we krwi szczurów zdrowych, podczas gdy podanie tego agonisty szczurom
charakteryzującym się rozwiniętą insulinoopornością,
dyslipidemią i nadciśnieniem tętniczym prowadziło do
zmniejszenia stężenia FFA i TG we krwi tych zwierząt
oraz poprawy tolerancji glukozy i obniżenia ciśnienia
tętniczego [33]. Korzystny wpływ GR79236 zarówno na
stężenie lipidów i glukozy we krwi, jak i hemodynamiczne parametry sugeruje, że związek ten mógłby znaleźć
zastosowanie w leczeniu insulinooporności i T2DM.
Innym testowanym doświadczalnie agonistą receptora A1 o właściwościach antylipolitycznych był ARA
— charakteryzujący się wysokim powinowactwem nie
tylko do receptora A1, ale również do obydwu podtypów
receptora A2, Stwierdzono, że podanie tego związku genetycznie otyłym szczurom Zucker prowadziło do obniżenia stężenia FFA, TG i glicerolu w ich krwi, a także
74
zwiększenia wrażliwości tkanek peryferyjnych na insulinę [34]. Korzystne działanie tego związku na redukcję
stężenia FFA obserwowano również w pierwszej fazie
badań klinicznych, podczas której 13 zdrowym ochotnikom podano ARA za pomocą 6-godzinnej iniekcji dożylnej [35]. Farmakokinetyczne parametry określone dla
tego agonisty wskazują, że ulegał on szybkiemu przemieszczeniu z krwi do tkanek, a jego biologiczny okres
półtrwania wynosił ok. 1 godziny. Ponadto pojedyncza
dawka tego agonisty podawana pacjentom była dla
nich całkowicie bezpieczna. Należy zaznaczyć, że długotrwałe stosowanie ARA rozwija tolerancję na jego
działanie. Z tego względu, aby odzyskać efektywność
tego związku w hamowaniu lipolizy, jest wymagana 11-godzinna przerwa w jego przyjmowaniu [35].
Badania Cheng i wsp. [36] z wykorzystaniem pochodnej adenozyny określonej jako CPA wykazały, że
związek ten w sposób zależny od dawki obniżał stężenie glukozy we krwi głodzonych szczurów chorych na
cukrzycę indukowaną STZ. Równocześnie obserwowano wpływ CPA na znaczącą redukcję stężenia FFA
i cholesterolu we krwi tych zwierząt. Oprócz zdolności
CPA do hamowania lipolizy stwierdzono także, że związek ten wpływał na zwiększenie wydajności syntezy glikogenu w izolowanym mięśniu płaszczkowatym, co
może sugerować jego rolę w pobudzaniu obwodowego
zużycia glukozy poprzez wzrost dokomórkowego transportu glukozy i wzmożonej syntezy glikogenu [36].
W odniesieniu do hipoglikemizujących właściwości
agonistów receptora A1 najnowsze badania przeprowadzone na linii komórkowej INS-1 komórek b z wykorzystaniem CHA jako agonisty receptora A1 wskazują, że
związek ten hamował uwalnianie insuliny z komórek
INS-1 i prawdopodobnie w procesie tym istotną rolę
odgrywał system przekaźników II rzędu [37].
Częściowy agonista receptora A1
W porównaniu z całkowitymi agonistami częściowi
agoniści charakteryzują się niższym powinowactwem
do receptora oraz mniejszą aktywnością wewnętrzną.
Mimo że agonista całkowity zapewnia większą siłę działania niż częściowy, to jednak znacznie częściej wywołuje desensytyzację receptora skutkującą zmniejszeniem efektywności leku. Z tego względu stymulacja receptora przez częściowego agonistę może się okazać
bardziej skuteczna. W tym kontekście sugerowano, że
częściowi agoniści GPCRs wykazują mniejszą zdolność
do wywołania desensytyzacji niż całkowici agoniści
[38]. Obecnie duże nadzieje wiąże się z antylipolitycznymi właściwościami częściowego agonisty receptora
A1 — CVT-3619, którego skuteczność oraz bezpieczeństwo są weryfikowane przez CV Therapeutics podczas
www.ddk.viamedica.pl
Andrzej Zieleniak, Renata Dymitrowa Georgiewa, Marzena Wójcik, Rola receptorów adenozynowych w cukrzycy typu 2
trwającej I fazy badań klinicznych [39]. Dotychczas ustalono, że CVT-3619 wykazuje wysoką selektywność
w stosunku do receptora A1 obecnego w błonie plazmatycznej adipocytów szczura, czyli warunkuje jego bezpieczeństwo stosowania poprzez zmniejszenie wystąpienia skutków ubocznych. Ponadto związek ten obniżał zawartość cAMP w adipocytach szczura i hamował
uwalnianie FFA z tych komórek [40]. Doświadczenia
prowadzone na szczurzym modelu wyindukowanej insulinooporności wykazały, że 2-tygodniowe karmienie
CVT-3619 prowadziło do redukcji stężenia FFA i TG we
krwi oraz podwyższenia wrażliwości tkanek obwodowych na insulinę [41]. Co więcej, związek ten nie wykazywał negatywnego wpływu na układ sercowo-naczyniowy. Jeśli weźmie się pod uwagę powyższe właściwości CVT-3619, coraz bardziej realne wydaje się zastosowanie tego związku w leczeniu insulinooporności.
Rola innych podtypów ARs
w cukrzycy
Z badań przeprowadzonych w kilku ostatnich latach
wynika, że oprócz receptora A1 również pozostałe podtypy tych receptorów mogą odgrywać istotną rolę
w cukrzycy. Świadczą o tym między innymi tkankowo specyficzne zmiany w poziomie ekspresji poszczególnych
podtypów ARs, które zachodzą w przebiegu tej choroby. W doświadczeniach przeprowadzonych na szczurach chorych na cukrzycę indukowaną STZ obserwowano, że ekspresja ARs w wątrobie tych zwierząt była
zróżnicowana: poziom ekspresji receptorów A2A i A3 był
podwyższony, podczas gdy ekspresja receptora A2B
była obniżona, a receptora A1 nie uległa zmianie. Podawanie szczurom chorym na cukrzycę insuliny przez
4 dni prowadziło do normalizacji poziomu ekspresji tych
receptorów w wątrobie, co może sugerować, że zmiany
w poziomie tej ekspresji mogły być spowodowane hipoinsulinemią i/lub hiperglikemią [42]. Wyniki badań
nad określeniem wpływu glukozy na poziom ekspresji
ARs w hodowli limfocytów B izolowanych z krwi szczura
wskazują, że wysokie stężenie tego cukru powoduje
zahamowanie ekspresji receptorów A1, A2B i A3, podczas
gdy poziom ekspresji receptora A2A nie ulega zmianie,
co może sugerować istotną rolę receptorów A2A w cukrzycy [43]. Jednak precyzyjne określenie znaczenia
zmienionego poziomu ekspresji ARs w badanych komórkach wymaga dalszych badań.
Należy również podkreślić interesujące rezultaty, jakie uzyskali Nemeth i wsp. [44] w odniesieniu do znaczenia ARs w cukrzycy typu 1. Autorzy, wykorzystując
model zwierzęcy z indukowaną cukrzycą typu 1, wykazali, że nieselektywny agonista ARs — NECA — powodował redukcję hiperglikemii, prawdopodobnie w wyni-
ku zahamowania ekspresji kilku prozapalnych mediatorów w komórkach trzustki, w tym czynnika martwicy
nowotworu a, MIP-1a (macrophage inflammatory protein-1a), interleukiny-12 oraz interferonu-g.
Podsumowanie
Sklonowanie receptorów adenozynowych oraz identyfikacja ich specyficznych ligandów (agonistów i antagonistów) stały się punktem wyjścia do badań nad poznaniem funkcji tych receptorów. Ustalono, że ARs
uczestniczą w wielu procesach fizjologicznych, takich
jak przewodzenie sygnałów w synapsach, agregacja
płytek krwi oraz utrzymanie homeostazy cukrów i lipidów. Ponadto odgrywają one istotną rolę w patogenezie kilku poważnych chorób, w tym niewydolności krążenia, astmie, przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc,
chorobie Parkinsona, nowotworach i cukrzycy. W odniesieniu do cukrzycy dobrze udokumentowany jest
związek między stymulacją receptora adenozynowego
A1 w obecności Ado a hamowaniem lipolizy w adipocytach prowadzącej do zwiększenia insulinowrażliwości
tkanek obwodowych. Jednak mimo intensywnych wieloletnich badań nad syntezą oraz biochemiczną i farmakologiczną charakterystyką pochodnych adenozyny
o właściwościach antylipolitycznych nie udało się do tej
pory wprowadzić na rynek farmaceutyczny żadnego
agonisty tego receptora jako leku. Obecnie duże nadzieje wiąże się z częściowym agonistą receptora A1
— CVT-3619, którego skuteczność i bezpieczeństwo są testowane w I fazie badań klinicznych. W przypadku znaczenia pozostałych podtypów ARs w cukrzycy badania
molekularne przyniosły wiele informacji, które jednak
nie wystarczają do sporządzenia pełnego obrazu ich
udziału w patogenezie tej choroby. Z tego względu należy kontynuować badania nad ich pełniejszą funkcjonalną charakterystyką.
Praca została wykonana w ramach grantu promotorskiego N N407177839 przyznanego przez MNiSW.
Streszczenie
W ostatnich latach na świecie obserwuje się znaczący
wzrost zachorowalności na cukrzycę typu 2 (T2DM) wynikający z działania zarówno czynników genetycznych, środowiskowych, jak i etnicznych, który wiąże się ze znacznymi konsekwencjami społecznymi i ekonomicznymi. Z tego
względu wzrasta zainteresowanie odkrywaniem nowych,
skutecznych i bezpiecznych leków hipoglikemizujących. W
tym kontekście selektywni syntetyczni agoniści receptora
adenozynowego A1 (SDZ WAG-994, GR79236, ARA, CPA,
CHA i CVT-3619) o właściwościach antylipolitycznych stali
się przedmiotem intensywnych i wieloletnich badań in vitro
oraz in vivo. Wybór tych związków i ich testowanie w róż-
www.ddk.viamedica.pl
75
Diabetologia Doświadczalna i Kliniczna 2011, Vol. 11, No. 2
nych modelach biologicznych był podyktowany tym, że stymulacja receptora adenozynowego A1 w błonie plazmatycznej adipocytów przez jego naturalnego agonistę — adenozynę — prowadziła do hamowania lipolizy w tych komórkach. W pracy zaprezentowano charakterystykę receptorów adenozynowych ze szczególnym uwzględnieniem roli,
jaką odgrywa receptor A1 w procesie lipolizy w adipocytach, oraz omówiono perspektywy wykorzystania syntetycznych agonistów receptora adenozynowego A1 w leczeniu
insulinooporności i T2DM.
Diabet. Dośw. Klin. 2011; 11, 2: 69–77
słowa kluczowe: cukrzyca, receptory adenozynowe,
agonista, lipoliza
Piśmiennictwo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
76
Wild S., Roglic G., Green A., Sicree R., King H. Global prevalence of diabetes: estimates for the year 2000 and projections for 2030. Diabetes Care 2004; 27: 1047–1053.
Ribeiro J.A., Sebastião A.M., de Mendonça A. Adenosine
receptors in the nervous system: pathophysiological implications. Prog. Neurobiol. 2002; 68: 377–392.
Impagnatiello F., Bastia E., Ongini E., Monopoli A. Adenosine receptors in neurological disorders. Emerging Therapeutic Targets 2000; 4: 635–664.
Evans D.B., Schenden J.A. Adenosine receptors mediating
cardiac depression. Life Sci. 1982; 31: 2425–2432.
Murray R.D., Churchil P.O. Concentration dependency of
the renal vascular and renin secretory responses to adenosine receptor agonists. J. Pharmacol. Exp. Ther. 1985;
232: 189–193.
Nadeem A., Objefuna P.C.M., Wilson C.N., Mustafa S.J.
Adenosine A 1 receptor antagonist versus montelukast on
airway reactivity and inflammation. Eur. J. Pharmacol.
2006; 3: 1–19.
Baraldi P.G., Tabrizi M.A., Gessi S., Borea P.A. Adenosine receptor antagonists: translating medical chemistry
and pharmacology into clinical utility. Chem. Rev. 2008;
108: 238–263.
Dhalla A.K., Chisholm J.W., Reaven G.M., Belardinelli L. A1
adenosine receptor: role in diabetes and obesity. Handb.
Exp. Pharmacol. 2009; 193: 271–295.
Fredholm B.B., Arslan G., Halldner L., Kull B., Schulte G.,
Wasserman W. Structure and function of adenosine receptors and their genes. Naunyn Schmiedebergs Arch. Pharmacol. 2000; 362: 364–374.
Dixon A.K., Gubitz A.K., Sirinathsinghji D.J.S., Richardson P.J., Freeman T.C. Tissue distribution of adenosine
receptor mRNAs in the rat. Br. J. Pharmacol. 1996; 118:
1461–1468.
Poulsen S.A., Quinn R.J. Adenosine receptors: new opportunities for future drugs. Bioorg. Med. Chem. 1998; 6:
619–641.
Olah M.E., Stiles G.L. Adenosine receptor subtypes: characterization and therapeutic regulation. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 1995; 35: 581–606.
Hill R.J., Oleynek J.J., Hoth Ch.F. i wsp. Cloning, expression and pharmacological characterization of rabbit adenosine A1 and A3 receptors. J. Pharmacol. Exp. Ther. 1997;
280: 122–128.
Olah M.E., Stiles G.L. The role of receptor structure in determining adenosine receptor activity. Pharmacol. Ther. 2000;
85: 55–75.
Linden J., Auchampach J.A., Jin X., Figler R.A. The structure and function of A1 and A2b adenosine receptors. Life
Sci. 1998; 62: 1519–1524.
16. Fredholm B.B., Ijzerman A.P., Jacobson K.A., Klotz K.N.,
Linden J. International union of pharmacology. XXV. Nomenclature and classification of adenosine receptors. Pharmacol. Rev. 2001; 53: 527–552.
17. Hasko G., Cronstein B.N. Adenosine: an endogenous regulator of innate immunity. Trends Immunol. 2004; 25: 33–39.
18. Picher M., Burch L.H., Hirsh A.J., Spychala R.C. Ecto
5’-nucleotidase and nonspecific alkaline phosphatase. Two
AMP-hydrolyzing ectoenzymes with distinct roles in human
airways. J. Biol. Chem. 2003; 278: 13468–13479.
19. Jackson E.K., Raghvendra K.D. Role of the extracellular
cAMP-adenosine pathway in renal physiology. Am. J. Physiol.
Renal. Physiol. 2001; 281: F597–F612.
20. Kroll K., Deussen A., Sweet I.R. Comprehensive model of
transport and metabolism of adenosine and S-adenylhomocysteine in the guinea pig heart. Circ. Res. 1992; 71:
590–604.
21. Molina-Arcas M., Casado F.J., Pastor-Anglada M. Nucleoside transporter proteins. Curr. Vasc. Pharmacol. 2009; 7:
426–434.
22. Jacobson K.A., Gao Z.G. Adenosine receptors as therapeutic targets. Nat. Rev. Drug Discov. 2006; 5: 247–264.
23. Gessi S., Merighi S., Varani K., Leung E., Mac Lennan S.,
Borea P.A. The A3 adenosine receptor: an enigmatic player
in cell biology. Pharmacol. Ther. 2008; 117: 123–140.
24. Feoktistov I., Biaggioni I. Adenosine A2B receptors. Pharmacol. Rev. 1997; 49: 381–402.
25. Zhang C.Y., Baffy G., Perret P. i wsp. Uncoupling protein-2
negatively regulates insulin secretion and is a major link
between obesity, beta cell dysfunction, and type 2 diabetes. Cell 2001; 105: 745–755.
26. Chan C.B., De Leo D., Joseph J.W. i wsp. Increased uncoupling protein-2 levels in a-cells are associated with impaired
glucose-stimulated insulin secretion: mechanism of action.
Diabetes 2001; 50: 1302–1310.
27. Zhao Y.F., Feng D.D., Chen C. Contribution of adipocytederived factors to beta-cell dysfunction in diabetes. Int. J.
Biochem. Cell Biol. 2006; 38: 804–819.
28. Dong Q., Ginsberg H.N., Erlanger B.F. Overexpression of
the A1 adenosine receptor in adipose tissue protects mice
from obesity related insulin resistance. Diabetes Obes.
Metab. 2001; 3: 360–366.
29. Wagner H., Milavec-Krizman M., Gradient F. i wsp. General
pharmacology of SDZ WAG 994, a potent selective and orally
active adenosine A1 receptor agonist. Drug Dev. Res. 1995;
34: 276–288.
30. Ishikawa J., Mitani H., Bandoh T., Kimura M., Totsuka T.,
Hayashi S. Hypoglycemic and hypotensive effects of 6-cyclohexyl-2'-O-methyl-adenosine, an adenosine A1 receptor
agonist, in spontaneously hypertensive rat complicated with
hyperglycemia. Diabetes Res. Clin. Pract. 1998; 39: 3–9.
31. Cox B.F., Clark K.L., Perrone M.H. i wsp. Cardiovascular
and metabolic effects of adenosine A1-receptor agonists in
streptozotocin treated rats. J. Cardiovasc. Pharmacol. 1997;
29: 417–426.
32. Strong P., Anderson R., Coates J. i wsp. Suppression of
non-esterified fatty acids and triacylglycerol in experimental
animals by the adenosine analogue GR79236. Clin. Sci.
(Lond.) 1993; 84: 663–669.
33. Qu X., Cooney G., Donnelly R. Short-term metabolic and
haemodynamic effects of GR79236 in normal and fructosefed rats. Eur. J. Pharmacol. 1997; 338: 269–276.
34. Schoelch C., Kuhlmann J., Gossel M. i wsp. Characterization of adenosine-A1 receptor-mediated antilipolysis in rats
by tissue microdialysis, 1H-spectroscopy, and glucose
clamp studies. Diabetes 2004; 53: 1920–1926.
www.ddk.viamedica.pl
Andrzej Zieleniak, Renata Dymitrowa Georgiewa, Marzena Wójcik, Rola receptorów adenozynowych w cukrzycy typu 2
35. Zannikos P.N., Rohatagi S., Jensen B.K. Pharmacokinetic-pharmacodynamic modeling of the antilipolytic effects
of an adenosine receptor agonist in healthy volunteers.
J. Clin. Pharmacol. 2001; 41: 61–69.
36. Cheng J.T., Chi T.C., Liu I.M. Activation of adenosine A1
receptors by drugs to lower plasma glucose in streptozotocin-induced diabetic rats. Auton. Neurosci. 2000; 83:
127–133.
37. Töpfer M., Burbiel C.E., Müller C.E., Knittel J., Verspohl
E.J. Modulation of insulin release by adenosine A1 receptor agonists and antagonists in INS-1 cells: the possible
contribution of 86Rb+ efflux and 45Ca2+ uptake. Cell Biochem. Funct. 2008; 26: 833–843.
38. Vachon L., Costa T., Herz A. Opioid receptor desensitization in NG 108–15 cells. Differential effects of a full and
a partial agonist on the opioid-dependent GTPase. Biochem. Pharmacol. 1987; 36: 2889–2897.
39. Elzein E., Zablocki J. A1 adenosine receptor agonists and
their potential therapeutic applications. Expert Opin.
Emerg. Drugs 2008; 17: 1901–1910.
40. Fatholahi M., Xiang Y., Wu Y. i wsp. A novel partial agonist of
the A1-adenosine receptor and evidence of receptor homogeneity in adipocytes. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2006; 317:
676–684.
41. Dhalla A.K., Wong M.Y., Voshol P.J., Belardinelli L., Reaven
G.M. A1 adenosine receptor partial agonist lowers plasma
FFA and improves insulin resistance induced by high-fat diet
in rodents. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2007; 292:
E1358–E1363.
42. Grden M., Podgorska M., Szutowicz A., Pawelczyk T. Diabetes induced alterations of adenosine receptors expression level in rat liver. Exp. Mol. Pathol. 2007; 83: 392–398.
43. Sakowicz-Burkiewicz M., Kocbuch K., Grden M., Szutowicz A.,
Pawelczyk T. Protein kinase C mediated high glucose effect
on adenosine receptors expression in rat B lymphocytes. J.
Physiol. Pharmacol. 2009; 60: 145–153.
44. Nemeth Z.H., Bleich D., Csoka B. i wsp. Adenosine receptor activation ameliorates type 1 diabetes. FASEB J. 2007;
21: 2379–2388.
www.ddk.viamedica.pl
77