The neuropeptides GRP and PACAP and the function of the endocrine pancreas - A study on receptor deficient mice

Abstract

The parasympathetic nerves are important for the regulation of insulin secretion, in particular after meal intake. Apart from acetylcholine, several neuropeptides can be found in the parasympathetic nerves innervating the islets of Langerhans, including gastrin-releasing peptide (GRP) and pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP). Exogenous administration of either GRP or PACAP has been shown to increase insulin secretion in a glucose dependant manner. To establish the importance of GRP and PACAP for the function of the endocrine pancreas, we studied mice lacking either the GRP receptor (GRPR-/Y) or the PACAP-specific receptor PAC1 (PAC1-/-), with regard to insulin secretion, both after metabolic or neural stimuli. GRPR-/Y had an impaired insulin secretion and glucose tolerance after oral administration of glucose, due to a combination of impaired secretion of islet hormones after autonomic neural activation and impaired release of incretin hormones from the gut. However, they did not have an impaired glucose-stimulated insulin secretion after intravenous glucose. Instead, it was exaggerated, possibly as a result of increased cholinergic responsiveness, which might be a result of a long-standing glucose tolerance. PAC1-/- mice had an impaired glucose stimulated insulin secretion. PAC1-/- also had an impaired glucagon secretion after hypoglycemia, supporting the role of PACAP as an important neuropeptide in the parasympathetic nervous system. Hence, GRP and PACAP are important for the parasympathetic regulation of islet function, like after a meal. GRP is also involved in the release of endocrine hormones from the gut, and PACAP seems important for islet function.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vid diabetes råder en oförmåga att hålla nere blodsockret, i synnerhet efter en måltid. Under normala förhållanden orsakar en höjning av blodsockret att insulinfrisättningen stimuleras. Insulin ökar upptaget av glukos i vävnaderna i kroppen, vilket sänker blodsockret. Under vissa förhållanden, såsom fetma, minskar effekten av insulin, ett fenomen som även kallas insulinresistens. För att bibehålla ett normalt blodsocker måste insulinfrisättningen öka. Hos vissa predisponerade individer klarar inte kroppen av att producera tillräckligt med insulin. I ett tidigt skede är insulinfrisättningen otillräcklig framför allt när det ställs högre krav, som när blodsockret går upp efter en måltid. Insulinnivåerna är för låga i jämförelse med behoven och detta leder till att blodsockret sjunker långsammare än hos friska individer; detta tillstånd kallas för glukosintolerans. Så småningom blir även fasteblodsockret förhöjt och då uppstår diabetes mellitus typ 2, eller åldersdiabetes. Insulin frisätts från b-cellerna i de Langerhanska öarna som man finner i bukspottskörteln. I de Langerhanska öarna finner man även andra celltyper, bland annat a-celler som frisätter glukagon, ett hormon som höjer blodsockret. Blodsockret är den viktigaste faktorn som reglerar insulinfrisättningen, men inte den enda. Efter en måltid aktiveras nerver från magtarmkanalen till de Langerhanska öarna, vilket främjar insulinfrisättningen. Insulinnivåerna i blodet efter en måltid stiger snabbare än blodsockret, vilket delvis beror på en aktivering av dessa nerver som ingår i det autonoma nervsystemet. När näringsämnen når magtarmkanalen frisätts även viktiga hormoner från tarmen, så kallade inkretiner. Dessa hormoner har också en positiv effekt på insulinfrisättningen. Det autonoma nervsystemet består av både sympatiska och parasympatiska nerver. Generellt sett hämmar de sympatiska nerverna insulinfrisättningen, men främjar frisättningen av glukagon, medan de parasympatiska nerverna har en stimulerande effekt både på insulin- och glukagonfrisättningen. Dessa nerver har betydelse för funktionen av de Langerhanska öarna bland annat efter en måltid och vid hypoglykemi. I dessa nerver finner man många signalsubstanser, dels de klassiska neurotransmittorerna acetylkolin och noradrenalin, dels en rad neuropeptider. I de parasympatiska nerverna finner man bland annat neuropeptiderna gastrin-releasing peptide (GRP) och pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP). Behandling med GRP eller PACAP främjar insulinfrisättningen, både hos människor och hos försöksdjur. Det är fortfarande oklart vad dessa peptider har för betydelse för funktionen av de Langerhanska öarna. För att få en större klarhet i detta använde jag möss hos vilka antingen GRP eller PACAP saknar helt eller delvis effekt. Den ena stammen möss jag använde mig av saknade receptorn för GRP. Detta innebär att GRP inte har någon effekt hos dessa djur. Eftersom genen som kodar för GRP receptorn sitter på X-kromosomen och jag använde mig av hanmöss, benämns dessa möss GRPR-/Y. Den andra musstammen som studerades saknade en specifik receptor för PACAP, PAC1 receptorn, och dessa benämns PAC1-/-. För att studera insulinfrisättningen behandlades mössen med glukos, därefter togs blodprov som analyserades för blodsocker och hormoner, såsom insulin eller glukagon. Detta ger en dynamisk bild av vad som händer efter en glukos injektion. Glukos kan ges antingen intravenöst, vilket är ett sätt att studera funktionen av b-cellerna, eller enteralt med hjälp av en sond, vilket är en modell för en måltid. Även frisättningen av insulin och glukagon efter aktivering av de autonoma nerverna studerades. Jag fann att möss med avsaknad av GRPR hade en dålig insulinfrisättning och var glukosintoleranta när glukos tillfördes enteralt. Nervaktivering spelar en stor roll för insulinfrisättningen efter en måltid och det är troligt att frisättning av GRP är nödvändig i detta sammanhang. Vi fann dock också att mössen som saknade GRPR hade låga nivåer av tarmhormonet GLP-1 efter enteralt glukos. Det är sedan tidigare känt att GRP kan främja frisättningen av GLP-1 från tarmen och att GLP-1 har en stark insulinfrisättande effekt. Således är GRP nödvändigt för en normal insulinfrisättning och glukostolerans efter det man ätit, och detta beror troligtvis delvis på GRP:s effekt på frisättningen av GLP-1. GRPR-/Y mössen har en bevarad funktion hos de Langerhanska öarna, vilket inte minst märks när man studerar dem in vitro. När glukos tillförs intravenös ser man till och med en uppreglering av insulinfrisättningen, vilket kan bero på en ökad känslighet för neurala stimuli. Detta är ett fenomen som kan ses även vid andra modeller av glukosintolerans, såsom möss som fötts upp på extra fettrik kost och på så sätt utvecklat glukosintolerans. Skillnaden gentemot GRPR-/Y mössen är att andra modeller av glukosintolerans också har en försämrad ö-funktion och insulinresistens. PAC1-/- mössen uppvisar också glukosintolerans och en försämrad insulinfrisättning efter enteralt glukos. Detta kan delvis bero på PACAP:s roll för nervaktivering efter enteralt glukos. Men till skillnad från GRPR-/Y mössen, har PAC1-/- mössen också en försämrad ö-funktion, vilket uppenbaras när man studerar insulinfrisättningen efter intravenöst tillförd glukos eller från isolerade öar. Det verkar därför som om PACAP även har betydelse för välmåendet hos de Langerhanska öarna, möjligtvis genom att reglera uttrycket av gener i b-cellerna. PAC1-/- är markant glukosintoleranta, vilket kan förklaras med en låg insulinfrisättning. Med hjälp av en matematisk modell utvecklad för att utvärdera insulinkänsligheten hos möss, fann jag att PAC1-/- även hade en sänkt insulinkänslighet. PACAP har alltså inte bara betydelse för frisättningen utav insulin utan också för dess verkan. GRP och PACAP är båda neuropeptider i parasympatiska nerver och det var därför också angeläget att studera deras roll vid en aktivering av det autonoma nervsystemet. Jag använde mig av två olika strategier. I det första fallet använde jag mig av ett ämne som heter 2-deoxyglukos (2-DG). Detta är ett glukosliknande ämne som orsakar en övergående glukosbrist i nerverna vilket aktiverar det autonoma nervsystemet. Detta i sin tur leder till en ökad insulin- och glukagonfrisättning från de Langerhanska öarna. När GRPR-/Y mössen behandlades med 2-DG, var både insulin- och glucagonfriättningen hämmad i jämförelse med kontrollmössen, vilket styrker GRP:s betydelse för ö-funktionen efter neural aktivering. I det andra fallet använde jag en injektion av insulin för att orsaka hypoglykemi, vilket också leder till en aktivering av det autonoma nervsystemet och en frisättning av insulin och glukagon. PAC1-/- mössen hade ett försämrat glukagonsvar vid hypoglykemi, vilket tyder på att PACAP har en skyddande effekt vid hypoglykemi. Dessa resultat tyder på att både PACAP och GRP är viktiga för insulinfrisättningen och glukostoleransen efter en måltid. Betydelsen av GRP kan delvis förklaras av dess effekt på frisättningen av hormonet GLP-1, som i sin tur främjar insulinfrisättningen. PACAP, däremot, verkar ha en direkt betydelse för funktionen av b-cellerna. PACAP främjar också insulinets effekt på glukosupptaget i kroppen. Både PACAP och GRP medverkar i de autonoma nerverna som reglerar frisättningen av hormoner från de Langerhanska öarna.

• author: Persson, Kristin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Lindström, Per
• organization: Medicine, Lund
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Clinical Medicine
• keywords: Endocrinology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, hypoglycemia, glucagon, insulin, islet of Langerhans, diabetes, PACAP, neuropeptides, GRP, diabetologi
• pages: 118 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, Lund, Sweden
• defense date: 2003-12-12 10:15:00
• ISBN: 91-628-5909-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: I. Persson, K., Pacini, G., Sundler, F., Ahrén, B. Islet function phenotype in gastrin-releasing peptide receptor gene deficient mice. Endocrinology, 2002. 143:3717-3726. II. Persson, K., Gingerich, R., Nayak, S., Wada, K., Wada, E., Ahrén, B. Reduced GLP-1 and insulin responses and glucose intolerance after gastric glucose in GRP receptor-deleted mice. Am J Physiol, 2000. 279:E956-E962. III. Jamen, F., Persson, K., Bertrand, G. Rodriguez-Henche, N., Puech, R., Bockaert, J., Ahrén, B., Brabet, P. PAC1 receptor-deficient mice display impaired insulinotropic response to glucose and reduced glucose tolerance. J Clin Invest, 2000. 105:1307-1315. IV. Persson, K., Ahrén, B. The neuropeptide PACAP contributes to the glucagon response to insulin-induced hypoglycemia in mice. Acta Physiol Scand, 2002. 175:24-28.
• id: 64c0a327-5d9c-4a7f-a70c-6dd27e6a986e (old id 466386)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:34:10
• date last changed: 2023-04-18 18:38:57