The impact of glucotoxicity on pancreatic β-cell function

Abstract

Type 2 diabetes mellitus is connected with elevated plasma glucose levels which negatively influence β-cells and cause impaired glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). The aim of present thesis was to investigate the impact of long-term hyperglycemia on the pancreatic islet β-cell function.

The data showed abnormally increased expression of inducible nitric oxide synthase (iNOS) protein in the islets from diabetic donors as well as in the islets exposed to chronic hyperglycemia. cAMP analogue or PDE inhibitors counteract these abnormalities and restore β-cell function at least in part, by activating cyclic AMP/PKA system. Using two different diabetic animal models i.e. mild hyperlipidemic ZDF (fa/fa) and hyperglycemic GK rat, we found that chronic hyperglycemia in the absence of hyperlipidemia almost abolish GPR40 expression in the islet cells and abrogate the FFA-induced secretory effects. We suggest that this might be an important contributing factor for dysfunction of β-cells seen in human type 2 diabetes (T2D).

Furthermore we also observed that prolonged exposure of INS-1E and INS-1 832/13 cells or isolated human islets to high glucose concentration are associated with increased level of VDAC1 and reduced level of VDAC2 accompanied with marked reduction of GSIS. Similar to glucose, 2-deoxy-glucose also increased the expression of VDAC1. Addition of glycogen synthase kinase 3β (GSK-3β) inhibitor reversed the alteration in VDAC1/VADC2 expression and improved GSIS. Islets of type 2 diabetic donors showed increased expression of VDAC1 and a marked reduction of VDAC2. Diabetic islets also displayed increased expression of ChREBP and TXNIP. Down-regulation of ChREBP and TXNIP in INS-1 832/13 cells cultured at high glucose suppressed high glucose-induced increase in VDAC1 expression. The cultured INS-1 832/13 cells also exhibited a reduced expression of VADC1 when resveratrol (a polyphenolic compound) was present.

The data suggest that an increased expression of iNOS, increased expression of VDAC1 and reduced expression of VDAC2 are the main causative factors in the pathogenesis of glucotoxicity. The GPR40 protein is interactively modulated by both hyperlipidemia and hyperglycemia. Taken together, these contributing signaling factors are promising targets for pharmacotherapy in different variants of type 2 diabetes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Typ 2-diabetes mellitus ökar över hela världen med en trend av minskande debutålder. Sjukdomen är ett komplext natur som kan ses som en rad olika metabola sjukdomar med delvis lika symtom, men med helt olika bakgrundsorsaker. Gemensamt för alla varianter av diabetes är att blodsockret är förhöjt även vid fasta. Typ 2-diabetes kännetecknas av insulinresistens och en progressiv förlust av insulinfrisättning från de pankreatiska β-cellerna. Förmågan att utsöndra tillräckliga mängder insulin bestäms av den funktionella kapaciteten hos pankreatiska β-celler och deras totala massa.

Glukos, eller druvsocker, är den huvudsakliga regulatorn av insulinproduktion och dess utsöndring i blodet.Om glukoskoncentrationerna är förhöjda över en längre period, har detta negativa effekter på β-cellfunktion, som sammanfattas med begreppet "glucotoxicitet". Denna leder till metaboliska avvikelser i β-cellen som endast är delvis kartlagda, men klart är att glukotoxicitet förknippas med ökad basal insulinfrisättning, minskad respons på stimuli att utsöndra insulin, och en gradvis utarmning av insulinproduktion. Glukotoxicitet leder också till minskad β-cellmassa genom induktion av apoptos, om denna inte kompenseras av en kompensatorisk ökning av β-cellproliferation och neogenes (nybildning).

Hos alla typ 2-diabetiker ser man, trots aggressiv läkemedelsbehandling, med tiden en obeveklig nedgång i den insulinproducerande β-cellens funktion. Nedgången beror åtminstone delvis på induktion av vissa enzymer som ökar produktionen av en rad reaktiva molekyler som kväveoxid (NO) och reaktiva syreradikaler (ROS), vilka är etablerade stressfaktorer och påverkar β-cellerna negativt.

Mitokondrierna är centrala i energiomsättningen genom att tillverka energirika föreningar såsom ATP och GTP, och helt oundgängliga för optimal β-cellsfunktion. Hur glucotoxicitet påverkar mitokondriefunktionen är inte känt i detalj.

Med hjälp av olika tekniker såsom immunohistokemi, Western blot, kvantitativ PCR, masspektrometri, cellviabilitet- och hormon-analys, har jag undersökt de mekanismer som kan vara av intresse och presenterat våra senaste fynd angående de strukturella och funktionella förändringar som glucotoxicitet leder till i β-celler. Obehandlade kan dessa förändringar leda till β-cellsdysfunktion som kommer att kulminera i diabetes mellitus typ 2.



Beskrivning av delarbete 1-4

I den första studien upptäckte jag ett onormalt ökat uttryck av det inducerbara enzymet kväveoxidsyntas (iNOS) i pankreatiska öar från typ 2 diabetiska donatorer samt från öar som utsattes för kronisk hyperglykemi (in vitro). Induktionen av iNOS leder till produktion av mycket höga nivåer av NO som är toxiskt för β-cellen. Vi föreslår att detta kan vara en bidragande faktor för β-cell dysfunktion som ses vid typ 2-diabetes (T2D). Jag visade också att en ökning av den intracellulära signalmolekylen cAMP kunde motverka induktionen av iNOS och åtminstone delvis återställa β-cellsfunktionen genom aktivering av cykliskt AMP/PKA-systemet.

I den andra studien fann vi att GPR40, en membranbunden receptor som binder vissa fettsyror, är rikligt uttryckt i de Langerhanska ö-cellerna hos råtta och att GPR40 är av stor vikt vid reglering av insulin-, glukagon- och somatostatinutsöndring medierad av fettsyran palmitat. En mild hyperlipidemi ökar GPR40 uttrycket i de pankreatiska ö-cellerna hos råtta. Hyperglykemi har motsatt effekt och nedreglerar uttryck av GPR40 och motverkar palmitat-inducerad hormonsekretion. Vidare fann vi också att GPR40 är lågt uttryckt i pankreatiska ö-celler från den diabetiska råttstammen GK. Vi tror att GPR40 protein uttrycket påverkas olika av både FFA och glukos och är en lovande måltavla för läkemedelsbehandling (GPR40-antagonister och agonister) inom olika varianter av typ 2-diabetes.

I de tredje och fjärde delstudierna fann vi att kronisk glukosexponering av insulinproducerande β-celler (INS-1E och INS-1 832/13 celler) eller isolerade humana pankreatiska öar är förknippad med ökad nivå av det mitokondriella kanalproteinet VDAC1, medan den liknande molekylen VDAC2 har minskat uttryck. Samtidigt observerades en tydlig minskning av glukosstimulerad insulin-frisättning (GSIS). I likhet med dessa experiment, visade pankreatiska öar tagna från typ 2-diabetiska donatorer ett ökat uttryck av VDAC1 och ett minskat uttryck av VDAC2. Jag fann också att uttrycket av VDAC1 kunde vara direkt eller indirekt under kontroll av transkriptionsfaktorerna ChREBP och TXNIP. Denna idé stöddes av observationen att nedreglering av ChREBP eller TXNIP i INS-1 832/13 celler odlade vid hög glukoshalt ledde till en kraftigt minskad glukosinducerad ökning av VDAC1. Uttryck av VDAC1 kan också nedregleras farmakologiskt av substansen resveratrol som utvinns ur grapefruktskal, vilket motverkade effekten av högt glukos.

Sammanfattningsvis föreslår vi att ett förändrat uttryck av VDAC1 och VDAC2, eventuellt via ökade intracellulära stresssignaler, är en nyckelkomponent i patogenesen av glucotoxicitet vilket leder till strukturella och funktionella förändringar i pankreatiska insulin-producerande celler som resulterar i försämrad insulinutsöndring.

• author: Jabar Muhammed, Sarheed
• supervisor: S Albert Salehi; Lena Eliasson; Erik Renström
• opponent: Sjöholm, Åke, Karolinska Institute
• organization: Islet cell physiology (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: cAMP/PKA system, iNOS, Type 2 diabetes, GSIS, PDE, GK rat, ZDF (fa/fa)rat, GPR40, VDAC1, VDAC2, GSK-3β, ChREBP, TXNIP, resveratrol.
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:82
• pages: 174 pages
• defense location: Lecture hall Medelhavet, Wallenberglaboratoriet,Skåne university hospital, Malmö, Sweden
• defense date: 2012-10-19 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-45-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c7d730aa-80a3-4750-b3c3-be37825beac1 (old id 3158162)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:09:11
• date last changed: 2019-05-22 03:56:26