Biotechnologia pl: Skąd państwa zainteresowanie cukrzycą typu 2, która jest jednym z tych schorzeń metabolicznych bezpośrednio związanym z otyłością?
Prof. nadzw. dr hab. Agnieszka Dobrzyń: Liczba osób otyłych na całym świecie wzrasta i co najgorsze zwiększa się również odsetek otyłych dzieci. Otyłość i nadwaga są czynnikami ryzyka wielu chorób, w tym cukrzycy typu 2. Nie należy zapominać, że cukrzyca jest bardzo groźna w skutkach. Przewlekła hiperglikemia wiąże się z uszkodzeniem, zaburzeniem czynności i niewydolnością różnych narzadów, w szczególności mogą pojawić się zaburzenia sercowo-naczyniowe, neuropatie czy zaburzenia pracy nerek. W konsekwencji cukrzyca jest chorobą przewlekłą, która nie leczona prowadzi do śmierci. Mało wiemy o związku otyłości z cukrzycą. W dużej mierze nie znamy mechanizmów molekularnych, które przekładają się na patogenezę cukrzycy i jej rozwój. Cukrzyca typu 2 jest chorobą, która rozwija się przez lata i jest bezpośrednio związana z dwoma zaburzeniami: (1) insulinoopornością tkanek obwodowych oraz (2) dysfunkcją komórek beta trzustki, które wydzielają insulinę. Insulinooporność, czyli obniżona odpowiedź komórek na krążącą we krwi insulinę, dotyczy głównie tkanek, które w sposób zależny od insuliny wychwytują glukozę z krwi, t.j. mięśni szkieletowych i tkanki tłuszczowej. Zaburzenie funkcjonowania komórek β-trzustki rozwija się najczęściej w odpowiedzi na insulinooporność tkanek obwodowych. W sytuacji, kiedy komórki beta trzustki nie wydzielają wystarczającej ilości insuliny w stosunku do zwiększonego zapotrzebowania insulinoopornych tkanek, dochodzi do hiperglikemii, t.j. podwyższonego stężenia glukozy we krwi. Szacuje się, że od momentu pojawienia się insulinooporności, czyli pierwszych zaburzeń funkcjonowania szlaku insulinowego w tkankach obwodowych, do podwyższenia poziomu glukozy we krwi i diagnozy cukrzycy typu 2 upływa średnio 10 lat!
Czy stan insulinooporności jest możliwy do zaobserwowania u pacjenta?
W stanie insulinooporności, nasze tkanki nie reagują w sposób prawidłowy na krążącą we krwi insulinę i aby w sposób adekwatny zaktywować receptory i szlaki insulinowe, potrzebna jest większa ilość tego hormonu. I faktycznie, w pierwszej fazie rozwoju insulinooporności, komórki beta trzustki przystosowują się do większego zapotrzebowania tkanek obwodowych na insulinę i wydzielają większą ilość tego hormonu. Zjawisko to nazywamy adaptacją wysp trzustkowych do obwodowej insulinooporności. Tak długo, jak długo komórki beta trzustki są w stanie przystosować się do aktualnego zapotrzebowania na insulinę, stężenie glukozy we krwi jest prawidłowe, mimo rozwijającej się insulinooporności. Taki stan określamy mianem stanu przedcukrzycowego, który jest bardzo groźny, ponieważ jego diagnoza nie jest możliwa na podstawie standartowo wykonywanego testu stężenia glukozy we krwi. Wydaje się, że dobrym testem stanu przedcukrzycowego byłoby określenie stężenia insuliny we krwi – takie testy są dostępne jednak są drogie, więc nie są wykonywane przy standartowych badaniach okresowych. W naszych badaniach staramy się określić precyzyjny mechanizm dysfunkcji mięśni szkieletowych i tkanki tłuszczowej, której skutkiem jest oporność na insulinę tych tkanek. Mamy nadzieję, że uda nam się odkryć markery, które mogłyby być w przyszłości wykorzystane do wczesnej diagnostyki insulinooporności.
Jaka jest zależność między nadmiernie akumulującą się tkanką tłuszczową, a dysfunkcją komórek β trzustki?
Tego właśnie próbujemy się dowiedzieć, bo mimo, że badania kliniczne jednoznacznie wskazują na związek między akumulacją tkanki tłuszczowej i dysfunkcją komórek beta trzustki, mechanizm tego zjawiska nie jest jasny. Długo sądzono, że główną przyczyną występowania schorzeń zespołu metabolicznego u ludzi otyłych jest nadmiernie rozwinięta tkanka tłuszczowa, która poprzez wydzielanie adipocytokin takich jak np.: TNFα czy rezystyna zaburza funkcjonowanie innych narządów. Tymczasem badania ostatnich lat wykazały, że to nie nadmiernie rozwinięta tkanka tłuszczowa, lecz lipidy, które akumulują się w takich tkankach, jak mięśnie szkieletowe i komórki beta trzustki są główną przyczyną występowania cukrzycy typu 2 u ludzi otyłych. Tkanki te w przeciwieństwie do tkanki tłuszczowej są nieprzystosowane do magazynowania tłuszczu. Nadmierna akumulacja wolnych kwasów tłuszczowych oraz ich metabolitów działa niekorzystnie na ich funkcję. Przypuszcza się, że toksyczne działanie wewnątrzkomórkowych kwasów tłuszczowych prowadzi bezpośrednio do insulinooporności oraz zaburzeń wydzielania insuliny, a co za tym idzie do rozwoju cukrzycy typu 2.
Czy pacjent ma wpływ na to, że nie przejdzie on ze stanu przedcukrzycowego w stan pełnej cukrzycy?
W momencie kiedy mamy do czynienia z zaburzeniami metabolicznymi związanymi z otyłością, spadek masy ciała jest czymś co naprawdę działa. Mamy świetne badania, wykonane nie tylko w naszej pracowni, ale także przez inne zespoły, w Polsce i na świecie, pokazujące, że obniżenie masy ciała o 10 kg istotnie poprawia naszą tolerancję glukozy. Jest to jeden z powodów, dla których pierwszą rzeczą, którą zwykle słyszymy, gdy zgłaszamy się do diabetologa, to zalecenie obniżenia masy ciała oraz zwiększenie aktywności fizycznej. Biorąc pod uwagę fakt, że nie mamy świetnie działającego skutecznego leku na cukrzycę, to zmiana sposobu życia jest jedyną rzeczą, która nam zostaje. Utrzymanie prawidłowej masy ciała może spowodować, że nie będziemy mieli problemów z cukrzycą typu 2 czy z innymi zaburzeniami metabolicznymi, ponieważ związek pomiędzy nadmierną akumulacją lipidów i otyłością, a cukrzycą jest absolutnie bezsprzeczny.
Co jest bezpośrednim molekularnym celem państwa badań?
Nasze badania skupiają się na wewnątrzkomórkowych szlakach sygnałowych, które mogą mieć istotne znaczenie w mechanizmie łączącym zahamowanie szlaku insulinowego oraz dysfunkcję komórek beta trzustki z otyłością t.j. z nadmierną akumulacją tkanki tłuszczowej. Zahamowanie szlaku insulinowego może mieć miejsce w kilku różnych miejscach i jednym z takich białek, nad którym od kilku lat pracujemy jest desaturaza stearoilo-CoA. Jest to enzym, który wprowadza podwójne wiązanie do nasyconych kwasów tłuszczowych i jego aktywność zwiększa się wraz z otyłością. Kwasy tłuszczowe kojarzą się nam zwykle z materiałem energetycznym. Jednakże warto zdawać sobie sprawę, że kwasy tłuszczowe to bardzo aktywne związki sygnałowe, czyli nie tylko substraty energetyczne, ale również takie związki, które aktywują, albo inaktywują cały szereg enzymów i mogą wpływać na aktywność szlaku insulinowego. Zaobserwowaliśmy, że w momencie, kiedy zmieniamy metabolizm kwasów tłuszczowych wewnątrz komórki poprzez wyciszenie ekspresji genu desaturazy stearoilo-CoA (SCD1), obserwujemy zwiększenie wrażliwości komórek na insulinę.
Czy Państwa badania prowadzone są tylko na liniach komórkowych?
Mój zespół prowadzi badania zarówno na liniach komórkowych jak i na modelach zwierzęcych. Mamy myszy z knockoutem genu SCD1 oraz myszy z tkankowo-specyficzną nadekspresją SCD1, które zostały stworzone specjalnie w ramach projektu TEAM. Mamy nadzieję, że gdy uda się nam określić precyzyjnie miejsca, poprzez które SCD1 reguluje szlak insulinowy, co będzie można w przyszłości wykorzystać w terapii. Profil naszych badań jest jak najbardziej podstawowy. Eksperymenty wykonujemy na modelach komórkowych (liniach komórek mięśniowych, adipocytach, komórkach beta trzustki, i in.), w których wyciszamy lub aktywujemy ekspresję poszczególnych genów, by określić ich funkcję.
A jaka w tym wszystkim jest rola receptora insulinowego?
Receptor insulinowy, występuje prawie w każdym typie komórek. Przyłączenie insuliny do receptora aktywuje szlaki sygnałowe, które regulują szereg procesów wewnątrzkomórkowych m.in. syntezę białek, lipogenezę, ekspresję genów a także, w niektórych komórkach, wychwyt glukozy. Coś z czego nie wszyscy zdają sobie sprawę jest fakt, że dokomórkowy wychwyt glukozy regulowany jest przez insulinę tylko w czterech tkankach naszego ciała: mięśniach szkieletowych, żółtej tkance tłuszczowej, brunatnej tkance tłuszczowej oraz w sercu.
A co z pozostałymi komórkami naszego organizmu?
Wszędzie indziej, czyli w każdej innej komórce naszego ciała glukoza jest transportowana do komórek za pośrednictwem transporterów, które są na stałe zlokalizowane w błonie komórkowej. Transport glukozy do tych komórek nie jest regulowany i jego tempo jest wprost proporcjonalne do stężenia glukozy w osoczu. W taki sposób glukoza transportowana jest do komórek β i jest to jeden z sygnałów aktywujących sekrecję insuliny. Z drugiej jednak strony, brak regulacji transportu glukozy jest paradoksalnie jednym z głównych problemów w cukrzycy, ponieważ w stanie hiperglikemii transport glukozy oraz jej akumulacja w takich komórkach jak np.: komórki nerwowe, nerkowe, hepatocyty czy naczyń krwionośnych, są bardzo wysokie. Warto tu podkreślić, że glukoza w dużych ilościach jest toksyczna dla komórek naszego organizmu i właśnie toksyczne działanie glukozy jest jednym z powodów występowania powikłań towarzyszących cukrzycy. Co więcej, przypuszcza się, że glukotoksyczność jest także jednym z powodów dysfunkcji komórek beta trzustki prowadzącej do cukrzycy typu 2. I dlatego tak ważne jest, aby utrzymać stały poziom glukozy, który na czczo nie powinien przekraczać we krwi 100mg%.
Rozumiem, że państwa materiałem badawczym są modele zwierzęce i linie komórkowe, a czy pracujecie Państwo także na materiale pochodzącym od pacjentów?
Nasze eksperymenty wykonujemy na modyfikowanych genetycznie zwierzętach i linach komórkowych, ale także ex vivo na wyizolowanych wyspach trzustkowych czy mięśniach szkieletowych. Nie prowadzimy badań na materiale pochodzącym od pacjentów. Jednakże, dzięki współpracy nawiązanej z prof. Wojciechem Młynarskim z Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, mamy możliwość przełożyć nasze badania in vitro na materiał badawczy pochodzący od pacjentów ze zdiagnozowaną cukrzycą monogenową. My wykonujemy badania na ludzkich liniach komórkowych: są to hepatocyty i linie komórek nerkowych, z kolei zespół pod kierunkiem prof. Wojciecha Młynarskiego analizuje próby pobrane od pacjentów. Nasz projekt polega na tym, że równolegle prowadzimy badania i we wzajemnej korelacji próbujemy określić jak zmienia się metabolizm komórek w kontekście zmiany ekspresji (nadekspresja lub wyciszenie przy użyciu siRNA) interesujących nas genów.
Czy są już jakieś sukcesy, którymi może się Pani pochwalić?
Jednym z naszych największych sukcesów jest wykazanie, że desaturaza stearoilo-CoA jest jednym z głównych enzymów regulujących adipogenezę oraz metabolizm węglowodanowo-lipidowy w wątrobie, mięśniach szkieletowych i w sercu. Im więcej badań prowadzimy nad tym enzymem i genem, tym bardziej jesteśmy przekonani, że zmiana aktywności SCD może przynieść realną korzyść dla pacjentów. Udało nam się wykazać, że wyciszenie genu SCD1 u myszy, powoduje, że zwierzęta te są oporne na otyłość, niezależnie od rodzaju stosowanej diety, włączając w to dietę wzbogaconą w tłuszcze i węglowodany. Co ważniejsze, myszy te są oporne na zaburzenia metaboliczne związane z otyłością, w tym cukrzycę typu 2. Teraz udało nam się stworzyć model zwierząt, z nadekspresją genu SCD1 występującą w mięśniach szkieletowych. Na tę chwilę mogę zdradzić, że w sytuacji gdy mamy podwyższoną ekspresję genu SCD1 w mięśniach szkieletowych, to mięśnie te funkcjonują prawidłowo. Natomiast w stanach patologicznych, w mięśniach tych zdecydowanie szybciej rozwija się oporność na insulinę. Utwierdza nas to w przekonaniu, że gen SCD1 w kontekście otyłości jest enzymem odgrywającym kluczową rolę w patogenezie insulinooporności. Innym naszym ważnym odkryciem jest wykazanie, że szlak endokanabinoidowy, poprzez rearanżację wewnątrzkomórkowego cytoszkieletu, pełni istotną rolę w regulacji sekrecji insuliny w komórkach beta trzustki. Wykazaliśmy także, że SCD pełni bardzo ważną rolę w regulacji funkcjonowania komórek beta trzustki w cukrzycy typu 2.
W jaki sposób doszli państwo do takich wniosków?
Pracowaliśmy nad czynnikiem transkrypcyjnym FOXO1, który jest bardzo istotny w funkcjonowaniu komórek β trzustki. Odgrywa on istotną rolę w regulacji m.in. apoptozy komórek β trzustki. Do tej pory jedną z nierozwiązanych zagadek w progresji cukrzycy była indukcja śmierci komórek β trzustki. Udało nam się udowodnić, że translokacja do jądra komórkowego czynnika transkrypcyjnego FOXO1 jest regulowana przez kwasy tłuszczowe, powstające w wyniku aktywności SCD. Jeżeli pojawia się za duża ilość kwasów tłuszczowych z jednonienasyconym wiązaniem podwójnym, to zwiększają one translokację czynnika FOXO1 do jądra komórkowego i jednocześnie aktywują jego aktywność transkrypcyjną. Pokazaliśmy także, że SCD może być jednym z tych enzymów, który reguluje lipogenezę w tkance tłuszczowej i jest odpowiedzialny, za epigenetyczną regulację ekspresji genów lipogennych w tkance tłuszczowej oraz genów związanych z czynnikami prozapalnymi np.: interleukiną 6. W cukrzycy te czynniki prozapalne mają ogromne znaczenie, ponieważ pojawiają się w osoczu i mogą prowadzić do dysfunkcji bardzo wielu komórek, w tym komórek beta trzustki.
Czy w związku z tak wybitnymi osiągnięciami w dziedzinie schorzeń metabolicznych, udało się państwu złożyć jakieś zastrzeżenia patentowe?
Patentów na razie nie mamy, ale myślimy o tym, by część naszych wyników opatentować. Uważam, że naukowcy powinni patentować. Mam bardzo dobre doświadczenie z USA, gdzie patent moich kolegów z grupy, w której odbywałam staż podoktorski, został zakupiony przez jedną z firm farmaceutycznych, za niebagatelną kwotę dziesiątków mln dolarów. Lwią część, bo aż 70% zyskał uniwersytet, ale pozostałe 30% trafiło bezpośrednio do naukowców i była to zacna kwota. Moim zdaniem jest to jeden ze sposobów, dzięki któremu naukowcy, także w Polsce, mogą czerpać satysfakcję finansową związaną z wykonywaną pracą.
Jakie są państwa perspektywy i plany na przyszłość?
W niedalekiej przyszłości będziemy kontynuować nasze badania nad poznaniem molekularnego mechanizmu odpowiedzialnego za rozwój insulinooporności i dysfunkcji komórek beta w cukrzycy typu 2 z nadzieją na zaproponowanie w przyszłości skutecznej terapii zespołu metabolicznego. Chcielibyśmy także sprawdzić czy, a jeśli tak, to w jaki sposób zaburzenia metaboliczne determinują rozwój trzustki. Obecnie testujemy środki farmakologiczne, które skutecznie eliminują choroby lipotoksyczne u zwierząt laboratoryjnych. Kolejne badania pokażą, czy są one równie skuteczne i bezpieczne dla ludzi.
Wszelkiej pomyślności w zdobywaniu nowych funduszy oraz wytrwałości w pracy naukowo-badawczej życzy portal Biotechnologia.pl
Wywiad przeprowadziła dr Marzena Szwed, redaktor naukowy portalu Biotechnologia.pl
Prof. nadzw. dr hab. Agnieszka Dobrzyń – kierownik Pracowni Sygnałów Komórkowych i Zaburzeń Metabolicznych, Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego, PAN, Warszawa, laureatka programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, uczestniczka programu EMBO Young Investigator, członek dwóch zespołów eksperckich MNiSW: ‘Mobilność Plus’ oraz zespołu ds. działalności upowszechniających naukę.
KOMENTARZE