Insulin resistance as a protective mechanism
If the muscle tissues of the heart are overwhelmed by nutrients, they run the risk of collapsing metabolically, and will no longer be able to do their job, which is to keep the heart beating. One hypothesis is therefore that cardiomyocytes develop insulin resistance to protect themselves against this fatal outcome (12, 13). Different degrees of insulin resistance may be induced in a similar manner in the liver, adipose tissue or skeletal muscle. When viewed thus, insulin resistance is not part of the pathogenesis of type 2 diabetes in the traditional sense, i.e. something which must be overcome by increasing doses of insulin, but rather a physiological defence mechanism against intracellular metabolic stress.
When insulin resistance is induced however, the beta cells respond by increasing insulin production to maintain blood glucose at a normal level. This enables the body to partition energy specifically between different organs, for example with increased relative insulin effect in adipose tissue and increased storage of energy, while the heart is better protected because increased exposure to insulin there is matched by reduced insulin sensitivity. For the body this is a choice between two evils, because the defence of the heart increases the burden on the other organs.
Although an insulin resistant heart is somewhat protected against caloric intoxication, the risk of cardiovascular disease is still elevated. This is due to the many other risk factors which are associated with metabolic disease, e.g. hypertension, dyslipidaemia and inflammation. These may cause atherosclerosis, which may lead to coronary disease, with an increased risk of myocardial infarction and cardiovascular death. Over time, metabolic overload may lead to ectopic storage of fat in the heart, so-called «fatty heart», which is harmful for its function. Furthermore, diabetic cardiomyopathy is associated with an increased risk of heart failure.
This pathogenesis contrasts with that of uncontrolled type 1 diabetes, in which there is also hyperglycaemia, relative hypertension and inflammation, and therefore increased risk of cardiovascular disease. In type 1 diabetes, however, the body does not suffer from caloric surplus and caloric intoxication, which is the case in type 2 diabetes. On the contrary, the cells are starving due to the absolute lack of insulin, and insulin resistance is therefore seldom observed.
Insulin resistance is controlled precisely by intracellular signalling mechanisms, and may be induced by many different conditions and stimuli, e.g. oxidative stress, glucocorticoids and hyperinsulinemia (18). There are several examples of insulin resistance being induced naturally in the body, such as during puberty and pregnancy, most likely due to prioritising energy for the development of the brain and the foetus respectively. It has been shown that reduced insulin sensitivity can be induced in healthy people of normal weight after only one month of overeating with a 40 % increase in caloric intake, and this happens before overweight is established (19). The condition is reversible upon subsequent caloric restriction, which shows that the system has a considerable degree of plasticity, and may be scaled upwards or downwards based on the energy balance in the body.
The problems arise, however, when caloric surplus is maintained over time. This provokes a higher degree of insulin resistance in metabolically stressed organs, among them adipose tissue. When the body reaches its maximum storage capacity, the upper limit of insulin resistance is also reached, and further beta cell compensation with increased insulin production is futile. Further hyperinsulinemia in such a case may be detrimental, for example for heart muscle tissue, because it will become subject to metabolic overload (12, 13). In light of this scenario, it has recently been proposed that «beta cell failure» in itself may also represent an adaptive physiological defence mechanism, where the beta cells do not necessarily collapse due to overwork, but reduce their insulin production actively to protect vital organs, and themselves, from overexposure to insulin (20). This is still only an hypothesis, but what is clear is that the beta cells are in a precarious position: They are set to monitor blood glucose and respond to increases in blood glucose by secreting insulin. When this no longer works because the effect of insulin has diminished, the resulting hyperglycaemia may also harm them. By reducing their uptake of glucose, and thereby their insulin production, acute beta cell death may be prevented. This may contribute to maintaining some level of insulin production, and may therefore delay an even more rapid progression to serious diabetes. If the beta cells in the body are subjected to chronic hyperglycaemia under experimental conditions, insulin production is reduced, but the beta cells do not die, because the condition is reversible upon release of the hyperglycaemic pressure (21). Whether the hypotheses around adaptive beta cell failure have any validity remains to be seen, but they are interesting because they are in radical conflict with the current paradigm on the role of the beta cells in the pathogenesis of type 2 diabetes.
Trond Methi og Per Medbøe Thorsby presenterer i Tidsskriftet nr. 11 (1) en hypotese om at insulinresistens reflekterer en adaptiv fysiologisk forsvarsmekanisme, og kronikken representerer en interessant utfordring av den etablerte sykdomsforståelsen. Argumentasjonen har imidlertid en grunnleggende logisk brist. Som forfatterne selv skriver, er energioverskudd «en situasjon menneskeheten sjelden har møtt på gjennom evolusjonen». Vi har derfor «ikke utviklet adekvate forsvarsmekanismer for å beskytte oss mot tilstanden.» Hvorfor og hvordan cellene våre skal ha utviklet insulinresistens som en adaptiv beskyttelsesmekanisme, fremstår derfor som et mysterium. Biologisk adaptasjon forutsetter evolusjon ved naturlig seleksjon, og som forfatterne selv understreker, er det ingen grunn til å tro at genene våre, har blitt selektert for å motstå energioverskudd. Tvert imot, dagens livsstilsykdommer kan i stor grad relateres til at vi ikke er tilpasset en verden hvor inaktivitet og kvelende overflod har erstattet sult og fysisk slit som vår største helseutfordring (2). På prinsipielt grunnlag kan man konkludere at insulinresistens ikke representerer en adaptasjon, men en reaksjon på energioverskudd, og forfatternes uklare argumentasjon kan relateres til en upresis anvendelse av begrepet «adaptiv». For å unngå forvirring, både i og uten for det medisinske fagmiljøet, bør den fremsatte hypotesen derfor forkastes.
Litteratur
1. Methi T, Thorsby PM. Insulinresistens - kroppens forsvar mot kaloriforgiftning? Tidsskr Nor Legeforen 2016; 136:1015 - 7.
2. Breivik J. Når Darwin møter Hippokrates. I: Hessen DO, Lie T, Stenseth NC, red. Darwin - Verden ble aldri den samme. Oslo: Gyldendal, 2009: 165 - 95.
Vi takker Jarle Breivik for hans kommentar. Hvorvidt induksjon av insulinresistens som følge av kaloriforgiftning er en "evolusjonistisk adaptasjon" eller en "reaksjon" er ikke kronikkens hovedpoeng, men snarere om insulinresistens er en "defekt" ved type 2-diabetes, eller en ønsket respons fra kritiske organer med formål om å beskytte seg mot metabolsk stress. Insulinresistens som tilstand er etter vår mening dårlig patofysiologisk forklart, og de fremlagte hypotesene utfordrer det gjeldende paradigmet i så måte. Breivik gjengir oss ikke korrekt når han siterer oss på at energioverskudd er en situasjon menneskeheten sjelden har møtt på gjennom evolusjonen. Faktisk møter kroppens systemiske sirkulasjon et "energioverskudd" etter hvert måltid i form av postprandiale økninger i glukose, lipider og aminosyrer. Dette håndteres gjennom utskillelse av insulin, men også midlertidig insulinresistens i skjelett -og hjertemuskulatur. Denne fysiologiske adaptasjonen favoriserer energilagring i fettvev til senere bruk. Hypotesen er at denne induserte insulinresistensen også kan beskytte hjertemuskulaturen mot næringsindusert dysfunksjon (1-5). Det vi ikke er tilpasset til, og som vi sjelden har møtt på gjennom evolusjonen, er et vedvarende kalorioverskudd som går over mange år, og som kan resultere i type 2-diabetes. Breiviks argumenter er etter vår mening ikke nok til å forkaste hypotesen om at insulinresistens kan være en kronisk reaksjon på energioverskudd over tid, ganske enkelt fordi insulinresistens utvikles lenge før type 2-diabetes (6-7). Vi har muligens feilaktig, fra et evolusjonsteoretisk ståsted, brukt ordet "adaptiv" i vår argumentasjon, men kroppen har også en rekke metthetsinduserende hormoner som beskytter mot overinntak av mat, f.eks. leptin som utskilles fra fettvev proporsjonalt i forhold til fettvevets masse. Hvis det er, som Breivik hevder, «ingen grunn til å tro at genene våre har blitt selektert for å motstå energioverskudd» er det vanskelig å forstå hvorfor fettcellene skulle produsere leptin, et hormon som gir metthetsfølelse, og dermed begrenser energioverskuddet.
Litteratur
1. Nolan CJ et al. Insulin resistance as a physiological defense against metabolic stress: implications for the management of subsets of type 2 diabetes. Diabetes 2015; 64: 673-86
2. Taegtmeyer H et al. Insulin resistance protects the heart from fuel overload in dysregulated metabolic states. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2013; 305: H1693-7
3. Schenk S et al. Insulin sensitivity: modulation by nutrients and inflammation. J Clin Invest 2008;118:2992-3002
4. Unger RH. Lipid overload and overflow: metabolic trauma and the metabolic syndrome. Trends Endocrinol Metab 2003;14:398-403
5. Hoehn KL et al. Insulin resistance is a cellular antioxidant defense mechanism. Proc Natl Acad Sci USA 2009;106:17787-17792
6. Jallut D et al. Impaired glucose tolerance and diabetes in obesity: a 6-year follow-up study of glucose metabolism. Metabolism 1990;39:1068-1075
7. Brands M et al. Effects of a hypercaloric diet on β-cell responsivity in lean healthy men. Clin Endocrinol (Oxf) 2013; 78: 217-25
Methi og Thorsby gir et godt og begrunnet forsvar til Breiviks kritikk. Breivik mener at energioverskudd ikke kan ha utviklet seg i henhold til evolusjonen da det neppe har eksistert som et problem før i moderne tid. ”Hvorfor og hvordan cellene våre skal ha utviklet insulinresistens som en adaptiv beskyttelsesmekanisme, fremstår derfor som et mysterium”. Han mener at genene våre ikke har vært oppdratt til en adaptiv insulinresistens som beskyttelsesmekanisme.
Mennesket har blitt fremstilt som en marionette av sine gener. Epigenetikken har endret denne noe fatalistiske tankegangen. Insulinresistens, diabetes type 2 og uttalt kardiovakulær risiko er en kompleks interaksjon mellom genetiske faktorer og miljøets epigenetiske påvirkning av genene og derav genuttrykket. Miljøet, ved livsstil og kosthold, kan enten akselerere eller dempe sykdomsprosessen (1). En genetisk predisponering kan derfor påvirkes av miljøfaktorer. Disse kan trigge bl.a. en inflammatorisk respons som fremmer inflammasjons-mediert insulinresitens og endotelial dysfunksjon. Dette er adaptive prosesser og lagrer et ”metabolsk minne” og et vaskulært stress, også ved normalisering av blodsukkeret. Denne ”minneeffekten” er grunnlaget for at vi ennå ikke har klart å overvinne den makrovaskulære skaden med medikamenter og god blodsukkerkontroll ved type 2 diabetes (2).
Beivik mener det ikke er evolusjonært å definere dette som en biologisk adaptiv prosess, ut fra at overernæring er en moderne livsstil. For det første består epigenetikken av flere adaptive tilpassinger, som seleksjonsbasert og deteksjonsbasert fenotypisk plastisitet, begge deler er transgenerasjonelle prosesser (3). For det andre er glukoseopptaket i muskulaturen begrenset til ca. 1 000 kcal og vil brukes opp i løpet av én dags utholdenhetstrening eller tidligere jakt og fiske. Overføring av glukose til adipocyttene er ment som en rasjonell lagring av energi som forsvar mot sult (4).
Litteratur
1. Prattichizzo F, Giuliani A, Ceka A et al. Epigenetic mechanisms of endothelial dysfunction in type 2 diabetes. Clinical Epigenetics 2015; 7: 56-67.
2. Shea N, Pen I, Uller T. Three epigenetic informatio channels and their different roles i evolution. J Evol Biol 2011; 24: 1178-1187.
3. Booth FW, Laye MJ, Lees SJ et al. Reduced physical activity and risk og chronic disease: the biology behind the consequences. Eur J Appl Physiol 2008; 102: 381-390.