Betydelsen av Interleukin-1 och NO för uppkomsten av Typ 1 diabetes

Av Åke Sjöholm, Stockholm

Sammanfattning
Insulinberoende diabetes mellitus (IDDM) är en folksjukdom i västvärlden och dess incidens ökar fortfarande, speciellt i Skandinavien. I denna artikel sammanfattas hållpunkter för betydelsen av cytokinen interleukin-1 (IL-1) och kvävemonoxid (NO) i patogenesen för IDDM.

De toxiska effekterna av IL-1 och NO, genererat via autoimmuna reaktioner, på de insulin-producerande ß-cellernas funktion vid IDDM, samt olika farmakologiska möjligheter att blockera dess toxicitet, diskuteras. I IDDM, frisätter makrofager IL-1 som utövar cytotoxiska effekter specifikt mot ß-cellen, parallellt med induktion av NO-syntes.
Substanser blockerande IL-1- receptorer och NO-syntas kan visa sig värdefulla för att skydda ß-cellen i IDDM. Om IL-1 orsakar ß-cellsdysfunktion i human IDDM genom NO-produktion, är flera processer i IL-1-NO-systemet potentiella mål för droger skyddande ß-cellen för den destruktion och funktionella hämning som sker vid IDDM.

Introduktion
Identifierad som en sjukdomsentitet sedan flera tusen år, utgör diabetes mellitus fortfarande ett betydande hälsoproblem i västvärlden. Ca 2-5 % av befolkningen beräknas lida av diabetes. Sjukdomen karakteriseras av en absolut eller relativ brist på insulin, resulterande i omfattande vaskulära organ-komplikationer beroende på derangerad glukos- och lipidomsättning.

Insulinberoende
diabetes mellitus (IDDM) svarar för ca 10 % av all diabetes i industrialiserade länder, är osedvanligt prevalent i Skandinavien, och ökar fortfarande i incidens hos barn och ungdomar. IDDM är en kronisk sjukdom som karakteriseras av en gradvis destruktion av de insulinproducerande ß-cellerna i endokrina pankreas (1). Även om de direkta orsakerna till sjukdomen är ofullständigt kända, talar mycket för en autoimmun attack på ß-cellerna hos genetiskt predisponerade individer, möjligen utlöst av viral infektion.

Histologiskt uppvisar endokrina pankreas kraftig infiltration av immunceller innan det kliniska utbrottet av diabetes. Det anses numera att patogenesen för IDDM är primärt cellmedierad, involverande såväl CD4+ (helper/ inducer) och CD8+ (suppressor/cytotoxic) T-celler, som monocyter och makro-fager.

I denna artikel samman fattar jag data som indikerar att cytokinen interleukin-1 (IL-1) och den fria radikalen kväve-monoxid (NO) kan utgöra nyckelfaktorer för uppkomsten av IDDM. En avsiktlig begränsning har gjorts till att belysa händelser efter att immunsystemet väl har aktiverats. Emellertid har utmärkta översikter rörande IDDM’s autoimmina etiologi publicerats (1,3).

IL-1
Interleukin-1: effekter på den insulinproducerande ß-cellen och betydelsen för IDDM För drygt tio år sedan påvisades, genom pionjärstudier av Mandrup-Poulsen och medarbetare, att supernatanter från aktiverade makro-fager är cytotoxiska för ß-celler in vitro (2). Dessa leukocyter har visats producera ett antal cytokiner (4), en grupp lösliga peptider med betydelsefulla funktioner inom immunsystemet.

Interleukin-1ß (IL-1ß) är den bäst karakteriserade av dessa och har studerats extensivt under ett decennium med avseende på effekter på ß-cellen in vitro (se översikter i [2,5]). IL-1 utövar såväl cytotoxiska effekter som funktionell inhibition av ß-cellen in vitro (2,5). På ett tidigt stadium visades att IL-1 hämmar insulinsekretionen genom att selektivt interferera med mitokondriell substrat-oxidation, resulterande i reducerad nivå av NAD+ och en minskad energiproduktion (5).

Den glukoskänsliga insulinsekretionen påverkades preferentiellt, liknande situationen i tidig IDDM som karakteriseras av en progredierande glukosintolerans. Dessutom hämmas uttrycket av insulingenen och biosyntesen av insulin selektivt av IL-1, sannolikt ledande till den insulinopeni som utmärker IDDM.

IRAP

Dessa resultat sammantagna ledde till hypotesen att IL-1 är involverat i uppkomsten av IDDM (2). På såväl normala som tumör-omvandlade ß-celler har specifika cellytereceptorer identifierats som binder IL-1 med hög affinitet. Det verkar som dessa, liksom i makrofager, är av typ 1 och ca 80 kDa i storlek (5). Dessutom har en peptid, kallad IRAP, som verkar antagonistiskt på IL-1- receptorn identifierats och frisätts parallellt med IL-1 från makrofager (2).
IRAP är = 22 kDa i storlek och uppvisar 72 % sekvenshomologi med IL-1 (2).

Kanske inte så förvånande befanns IRAP skydda ß-cellen från effekterna av IL-1 in vitro (5). IL-1 utövar sina hämmande och toxiska effekter på ß-cellen genom multipla och komplexa signalsystem som uppenbarligen kräver gentranskription, translation av mRNA och de novo proteinsyntes, eftersom cytokinens toxicitet kan blockeras av hämmare av dessa processer (7).
Uttrycket av åtminstone 33 olika proteiner i ß-cellen har visats ändras av IL-1 (2). Induktionen av vissa av dessa proteiner speglar sannolikt försvarsmekanismer mot IL-1. Exempelvis induceras i andra vävnader olika heat-shockproteiner, katalas, hemoxygenas, glutathionperoxidas och superoxiddismutas (MnSOD) av stress och toxiner, och dessa induceras även i ß-cellen av IL-1 .

Det är emellertid notabelt att ß-cellen under normala betingelser har ett slående lågt uttryck av dessa försvarsproteiner, vilket kan bidraga till ß-cellens känslighet autoimmun attack och dess oförmåga att tolerera fria radikaler (8). För att kunna intervenera i utbrottet och sjukdoms-förloppet av IDDM, är det naturligtvis av största vikt att först klarlägga de signalsystem genom vilka de toxiska effekterna av IL-1 medieras. Liksom i flertalet immunceller, har det föreslagits att ett lågmolekylärt GTP-bindande protein medierar kopplingen mellan cellytereceptorn och det intracellulära maskineriet (2).
Detta är en attraktiv hypotes eftersom interferens med GTP-bindande proteiner förmedlar de hämmande effekterna av adrenalin, somatostatin, galanin och prostaglandiner (9).

Ga-subenheter
Minst sju Ga subenheter har lokaliserats i ß-cellen medelst PCR-strategier och in situ hybridisering (10). Emellertid verkar det inte vara konventionella pertussistoxinkänsliga, heterotrimeriska GTP-bindande proteiner, reglerande t.ex. adenylatcyklas och fosfolipas C (11), som förmedlar IL-1’s effekter i ß-cellen (2). Således förmådde pertussistoxin skydda ß-cellen mot de hämmande effekterna av adrenerga agonister, men inte mot IL-1 (12-17). Halten av cAMP är sänkt i IL-1- exponerade ß-celler (12-15), och detta kan misstänkas medverka till reduktionen i DNA-syntes och insulinsekretion orsakat av IL-1, eftersom bägge dessa processer stimuleras av cAMP (15,16,18- 20).

Tillsats av cAMP-agonisten Sp-cAMP[S] ökade ß-cellens DNA-syntes och insulinsekretion (21,22), men kunde inte blockera IL-1’s hämning av dessa parametrar (12,14). Således visar detta att reduktionen i cAMP inte kan förklara varför IL-1 inhiberar ß-cellens tillväxt och funktion. Nyligen visades att IL-1 kan signalera genom aktivering av tyrosinkinaser, eftersom cytokinens effekter i ß-cellen kunde förebyggas med inhibitorer av tyrosinkinaser (23).

Uttrycket av ett flertal gener och transkriptions-faktorer i ß-cellen ändras av IL-1. Till dessa hör bl.a. »early-response»- generna c-fos och c- jun(24). Dessutom aktiverar IL-1 den antiproliferativa genen p53, vilket kan bidraga till den tillväxthämmande effekten av IL-1 i ß-cellen (12,14,25).
IL-1 orsakar också en snabb translokation av transkriptionsfaktorn NF-KB till cellkärnan via en tyrosinkinas-beroende mekanism (6). I andra vävnader har IL-1 visats aktivera intracellulära proteaser. Även i ß-cellen förefaller proteasaktivering vara inblandad i IL-1’s effekter, eftersom ett fullständigt skydd mot cytokinens toxicitet kunde bibringas av vissa inhibitorer av serinproteaser (12,26), t.ex.Na-p- tosyl-L-lysinklorometylketon (TLCK).

IL-1 stimulerar produktionen av NO och orsakar apoptotisk ß-cell-död?
Efter den första rapporten om att den toxiska fria radikalen kvävemonoxid (NO) är inblandad i IL-1’s toxicitet i ß-cellen (27), antyder en mängd data att ett obligatoriskt primärt steg i IL-1’s hämning av ß-cellen utgörs av produktion av NO (2,28). Detta kan vara av särskild klinisk relevans eftersom epidemiologiska data har påvisat en ökad incidens av IDDM hos befolkningsgrupper med högt dietärt intag av nitrit, möjligen orakat av bildningen av diabetogena nitrosaminer (29-31).

NO är mycket instabilt och omvandlas snabbt till sina stabila slutprodukter nitrit och nitrat (32). Enligt rådande uppfattning, ökar IL-1 ß-cellens bildning av NO genom att inducera uttrycket av enzymet NO-syntas (iNOS [28]) efter 3-6 timmar. Detta enzym katalyserar frisättningen av NO från L-arginin (32). I de Langerhanska cellöarna, förefaller uttrycket av iNOS vara begränsat till ß-cellen (6,28). ß-cellens 130 kDa stora, Ca2+-oberoende iNOS liknar det som uttrycks i makrofager och är lokaliserat till kromosom 17 (6). Enzymet feedback-hämmas av NO självt, sannolikt genom minskad iNOS transkription (6).

Nedbrytningen av iNOS mRNA sker däremot snabbt och påverkas inte av IL-1 (6). Betydelsen av NO understryks av att specifika hämmare av iNOS, t.ex. arginin-analoger och aminoguanidin, förmår fullständigt skydda mot IL-1’s toxicitet i odlade ß-celler (23,27). I sin egenskap av en reaktiv, lågmolekylär, fri radikal, kan NO snabbt interagera med ett antal målproteiner (32). Exempelvis orsakar NO ultrastrukturella skador och DNA-fragmentering, karakteriskt för apoptotisk celldöd, i ß-cellen (3).

Radikaler
Förutom NO, bildas även syreradikaler såsom väteperoxid och superoxid i ö-cellsinflammationen (2). Emellertid verkar enzymer neutraliserande syreradikaler inte kunna skydda mot IL-1, när de introducerats i ß-cellen medelst liposomer (33). Flertalet studier av IL-1 och NO har gjorts i isolerade ß-celler från gnagare, och deras betydelse i human IDDM är fortfarande under debatt (6,34). Utifrån de få undersökningar som gjorts med humant material, verkar dock dessa ß-celler vara förhållandevis motståndskraftiga mot IL-1 och NO (34). I humana ß-celler, verkar det krävas kombinationer av ett flertal cytokiner producerade inom den inflammatoriska ö-cellslesionen (IL-1, interferon-g och tumor necrosis factor a).

Den humana ß-cellen är dessutom mindre benägen att bilda NO efter exposition för cytokiner, och förefaller också mindre känslig för NO, än motsvarande från försöksdjur (6,34). Detta förhållande kan möjligen betingas av ett högre uttryck av skyddande enzymer som neutraliserar radikaler, t.ex. heat-shockproteiner, katalas, hemoxygenas, glutathionperoxidas och MnSOD (8).
Intressant nog innehåller serum från patienter med nydiagnosticerad IDDM, vars ß-celler utsatts för autoimmun attack, inte endast förhöjda nivåer av IL-1 (35) utan orsakar också onormalt kraftigt Ca2+-inflöde i ß-celler resulterande i DNA-fragmentering typisk för apoptos (36). IL-1 initierar apoptos i dessa celler genom NO-produktion (3). Helt nyligen har ett flertal artiklar visat att ß-cellen dör genom apoptos vid IDDM, möjligen orsakat genom IL-1- medierad uppreglering av Fas (37,38).

.

E-vitamin Tidigare rapporter visade också att E-vitamin (g-tokoferol), en betydande dietär antioxidant i västvärlden, kan skydda ß-celler in vitro från effekterna av IL-1, sannolikt genom att förhindra lipidperoxidation (40). Även in vivo orsakar tillförsel av E-vitamin en minskad incidens eller senareläggning av debuten av IDDM i BB-råttan och NOD-musen, två modeller för human autoimmun diabetes

Våra tidigare studier rörande prooxidanter i ß-cellen har dessutom visat att kinoninducerad oxidativ stress inducerar apoptos odlade ß-celler . NO har ju mycket stor betydelse ur cardiovaskulär synpunkt, bl.a. såsom nitroglycerin vid behandlingen av angina pectoris. Hos diabetiker tycks det föreligga en primär resistens mot NO, vilket kan vara en förklaring till att diabetiker med ischemisk hjärtsjukdom förefaller vara relativt nitrattoleranta och därmed svårbehandlade med nitropreparat .

I figur 1 presenteras schematiskt en förenklad bild av intracellulära processer som påverkas av IL-1 och NO i ß-cellen.

Lipid-signalering i IL-1- exponerade ß-celler Lipid-signalering utgör ett sinnrikt system genom viket cellen snabbt kan förmedla stimuli utifrån till biologiska svar (45,46). Förutom NO-syntes, är bildning av ceramid katalyserat av enzymet sfingomyelinas ett tidigt och karakteristiskt fenomen efter exposition för IL-1 och andra cytokiner (47), även i ß-cellen (24).
Länge ansågs sfingolipiderna endast utgöra strukturella komponenter i plasmamembranet. Emellertid har en snabbt växande kunskapsmassa visat att ceramid, bildat genom hydrolys av sfingomyelin, fungerar som en ny »second messenger» som förmedlar antiproliferativa signaler från cytotoxiska molekyler som IL-1 (47). Ceramide motverkar effekterna av klyvningsprodukten av fosfoinositider, diacylglycerol, som aktiverar enzymet PKC vars aktivering leder till stimulerad celltillväxt och insulinfrisättning. Specifika målproteiner för ceramid har identifierats, inkl. aktivering av ett serin/treonin-proteinfosfatas som av oss nyligen identifierats i ß-cellen.

NÄSTA

[Innehåll] [Redaktören] [Ordföranden] [Sett & Hört] [Aktuell Info] [Redaktionen] [Arkivet] [Länkar] [Diskussionsforum] [Diabetes Update]