Avanserte glykerte endeprodukter og hyperglykemi

Tone Kristin Omsland, Hans-Jacob Bangstad, Tore Julsrud Berg, Svein Olav Kolset Om forfatterne
Artikkel

Pasienter med diabetes utvikler mikrovaskulære senkomplikasjoner som nefropati, retinopati, nevropati samt makrovaskulære forandringer som aterosklerose. Denne artikkelen tar for seg mulige mekanismer for hvordan avanserte glykerte endeprodukter (AGE) kan bidra til utvikling av vaskulære senkomplikasjoner ved diabetes med spesielt fokus på bindevevet i blodåreveggene.

Avanserte glykerte endeprodukter

Avanserte glykerte endeprodukter er en gruppe molekyler som dannes ved at proteiner blir irreversibelt modifisert av sukker og lipider (1). Glykeringen bidrar til at proteiner og vev endrer både struktur og funksjon. Danning av glykeringsproduktene skjer både i sirkulasjonen og i vev hos friske individer hele tiden. Ved ukontrollert diabetes vil høye blodsukkernivåer føre til økt danning av sukkermodifiserte molekyler, og akkumuleringen i ulike vev tiltar (2). Prosessen er også aldersrelatert. De vanligste avanserte glykeringsproduktene er karboksymetyllysin, pentosidin og pyrralin. Ramme 1 viser ulike varianter som er karakterisert til nå (3 – 5).

Ramme 1

Karakteriserte avanserte glykerte endeprodukter

  • Karboksymetyllysin

  • Karboksyetyllysin

  • Pentosidin

  • Pyrralin

  • Imidazolon

  • 2-(2-furoyl)-4(5)-furanyl-1H-imidazol

  • 1-alkyl-2-formyl-3,4-diglykosyl pyrrol

  • Glyoxallysindimer

  • Metylglyoxallysindimer

Ekstracellulær glykering skjer hovedsakelig med utgangspunkt i glukose. Nyere studier viser at avanserte glykeringsprodukter også kan dannes fra intracellulære intermediater som fruktose, glukose-6-fosfat og glyseraldehyd-3-fosfat. Disse dannes mye raskere enn tilsvarende avanserte glykeringsprodukter fra glukose (6). Den raske intracellulære danningen av glykeringsprodukter kan påvirke funksjonen til proteiner, lipider og DNA. In vitro kan avanserte glykeringsprodukter som dannes på DNA, føre til mutasjoner (7).

Ved hyperglykemi vil muligheten for intracellulær danning av avanserte glykerte endeprodukter være størst i celler som har systemer som muliggjør stor transport av glukose inn i cellene, som for eksempel endotelceller (8).

I serum og vev

Nivået av avanserte glykerte endeprodukter er økt i vev hos pasienter med diabetes (9, 10). Karboksymetyllysin er den kvantitativt viktigste avanserte glykeringsepitopen in vivo (11). Sammenliknet med unge, friske individer var mengden karboksymetyllysin i bindevev fra hud økt sju ganger hos eldre pasienter uten diabetes, mens det ble vist en 20 ganger økning hos eldre pasienter med diabetes (9). McCance og medarbeidere fant en økning av glykert kollagen (av typen karboksymetyllysin og pentosidin) i hud fra pasienter med diabetes, og at mengden glykeringsprodukter økte med alvorlighetsgraden av retinopati og nefropati (12).

Serumnivåene av avanserte glykeringsprodukter og karboksymetyllysin er økt hos pasienter med type 1-diabetes. Denne økningen følger utviklingsgraden av nefropati og retinopati (13). Hos pasienter med type 2-diabetes er det også funnet liknende økning i serumnivåene (3, 14).

Til tross for at nivåene av avanserte glykeringsprodukter korrelerer med grad av senkomplikasjoner, brukes de ikke klinisk som markører for komplikasjoner. En av årsakene til dette kan være problemer med kvantitering. Med bedre metoder kan målinger av avanserte glykeringsprodukter vise seg å være til nytte i en klinisk sammenheng (6).

Reseptorer

En rekke reseptorer som binder avanserte glykerte endeprodukter, er beskrevet i litteraturen (ramme 2). Med unntak av reseptorer for avanserte glykerte endeprodukter som er involvert i intracellulær signaloverføring, er disse reseptorene trolig involvert i degradering av produktene (15). Makrofager, vaskulære endotelceller og mesangialceller kan også ta opp avanserte glykerte endeprodukter via reseptorer, bryte dem ned og skille ut delvis degraderte produkter (16). I mus er det vist at Kupffer- og endotelceller i leveren tar opp glykeringsprodukter fra sirkulasjonen (17). Delvis degraderte glykeringsprodukter er svært reaktive intermediater som kan bidra til stor skade dersom de ikke blir fjernet fra sirkulasjonen. Nyrene fjerner disse intermediatene. Ved nyresvikt ses en opphopning av både glykeringsprodukter og delvis degraderte glykeringsprodukter i plasma og vev (7). Reseptoren for avanserte glykerte endeprodukter har en molekylvekt på 45 kDa og tilhører superfamilien immunoglobulinliknende reseptorer (3). Denne type reseptorer kan også binde en rekke andre ligander enn avanserte glykeringsprodukter (18).

Ramme 2

Reseptorer for avanserte glykerte endeprodukter

  • Reseptor for avanserte glykerte endeprodukter

  • Scavenger-reseptor II (ScRII)

  • AGE-R1 (Ost-48)

  • AGE-R2 (p-90)

  • AGE-R3 (galectin-3/p60/p90)

  • CD36

Danning

Danningen av avanserte glykerte endeprodukter skjer gjennom en kompleks serie av kjemiske reaksjoner og kalles Maillard-reaksjonen eller bruningsreaksjonen. Glykeringen er en spontan reaksjon, avhengig av tid og glukosekonsentrasjon (1). Glykeringen starter med at et reduserende sukker reagerer med aminogrupper i proteiner og danner Schiff-baser (19) (fig 1). Reduserende sukker kan også reagere med aminogrupper på nukleinsyrer og lipider. Schiff-basene blir raskt omdannet til mer stabile amadoriprodukter. Amadoriproduktene gjennomgår ulike reaksjoner som dehydrering, oksidering, syklisering og rearrangering og danner til slutt ulike avanserte glykerte endeprodukter.

Figur 1  Danning av avanserte glykerte endeprodukter

Hvert enkelt glykeringsprodukt har sin spesielle reaksjonsvei. Danningen av avanserte glykerte endeprodukter er irreversibel, og disse kompliserte prosessene tar opptil flere uker. Glykosylert HbA1c, som er det mest brukte målet på blodsukkerregulering over tid ved diabetes, er et amadoriprodukt som er på vei til å bli et avansert glykeringsprodukt, men reaksjonen har ikke nådd så langt. Det at danningen av amadoriprodukter er delvis reversibel og at levetiden til røde blodlegemer er ca. 120 dager, gjør at HbA1c kan brukes til å vurdere reguleringen av blodsukkeret de siste 2 – 3 månedene (6).

Oksidativt stress har betydning for danning av avanserte glykeringsprodukter (6). Denne reaksjonsveien kalles ofte glykooksidasjon, fordi danningen innebærer både oksidasjon og glykering (4). Et økt oksidativt stress bidrar til skaping av reaktive karbonylforbindelser som stammer fra autooksidasjon av karbohydrater, proteiner og lipider. Avanserte glykeringsprodukter kan dannes ved hjelp av slike reaktive karbonylforbindelser ved at de reagerer med aminogrupper på proteiner.

Metylglyoxal er en karbonylforbindelse med høy reaktivitet, og det er funnet høye nivåer i sirkulasjonen. Metylglyoxal kan dannes fra intermediater fra glykolyse, metabolisme av ketonlegemer og fra katabolisme av treonin (6). Økte serumnivåer av et glykeringsprodukt (hydroimidazolon) som stammer fra metylglyoxal er funnet hos pasienter med type 2-diabetes (20). Undersøkelser av humane plasmaproteiner viser signifikant høyere nivåer av avanserte glykeringsprodukter dannet ved oksidasjon hos type 2-diabetikere sammenliknet med friske kontrollpersoner (21).

I matvarer vil nivåene av glykeringsprodukter øke med høye temperaturer og oppvarmingstid. Betydningen av disse eksogene glykeringsproduktene i sirkulasjonen hos friske individer er omdiskutert. Hos pasienter med diabetes eller redusert nyrefunksjon kan nivåene av glykeringsprodukter i kosten tenkes å ha betydning, men det er behov for flere studier for å undersøke denne sammenhengen (4).

Intracellulær signaloverføring

Interaksjoner med reseptor for avanserte glykerte endeprodukter kan endre uttrykk av gener (3). Ved binding av avanserte glykeringsprodukter til reseptor, vil transkripsjonsfaktoren NFκB bli aktivert og regulere uttrykket av proinflammatoriske gener (22, 3). Interaksjon mellom avanserte glykerte endeprodukter og reseptor for avanserte glykerte endeprodukter i endotelceller fører til en oppregulering av reseptoren selv (ramme 2) (23). Det spekuleres i om ligander kan aktivere forskjellige signalveier og at dette skjer avhengig av celletype og differensiering (24).

Påvirker bindevevet

Ved diabetes skjer det systemiske endringer i blodårenes bindevev som fører til endringer i morfologi og egenskaper. Ekstracellulær matriks består av en rekke komponenter som lager et nettverk hvor hver komponent har sin spesielle plass og funksjon (25, 26). Avanserte glykeringsprodukter bidrar til at det blir ubalanse i syntese og degradering av disse langtlevende komponentene (7). Kollagener i bindevev og proteiner i øyets linse er eksempler på proteiner som er spesielt utsatt for å bli modifisert til å bli avanserte glykerte endeprodukter. Glykering av komponenter i ekstracellulær matriks fører til en mindre strukturert organisering av matrikskomponenter, redusert løselighet og omsetning. Endrede interaksjoner mellom ekstracellulær matriks og celler som følge av avansert glykering kan også føre til redusert celleadhesjon (7).

Glykeringsprodukter påvirker sammensetningen av ekstracellulær matriks via reseptor for avanserte glykerte endeprodukter. Interaksjonen påvirker signalsystemer som regulerer mengden matrikskomponenter. I nyrene er transformerende vekstfaktor-β viktig for regulering av ekstracellulær matrikssyntese (26). Den er en sterk stimulator av cellevekst og bidrar til store endringer i ekstracellulær matriks. Bindevevsvekstfaktor (connective tissue growth factor, CTGF) er et annet signalmolekyl som er viktig for å mediere effektene av transformerende vekstfaktor-β. Interaksjon mellom avanserte glykeringsprodukter og reseptor for avanserte glykerte endeprodukter bidrar til økt uttrykk av tumornekrosefaktorer (TNF-α, TNF-β), interleukiner, vekstfaktorer og adhesjonsmolekyler (3). Disse prosessene er relevante for både diabetiske senkomplikasjoner, inflammasjon og aterosklerose.

Nefropati

Diabetisk nefropati er en progredierende tilstand som karakteriseres av endringer som fortykket glomerulær og tubulær basalmembran, ekspandert mesangium, glomerulosklerose, hypertrofi og tap av podocytter (27, 28). Den glomerulære basalmembranen er den viktigste delen av den glomerulære barrieren som hindrer passasje av makromolekyler både etter størrelse og ladning. Etter få års diabetesvarighet ses en fortykket basalmembran som er løsere sammensatt og har økt porestørrelse sammenliknet med friske kontrollpersoner (29). Disse endringene bidrar til proteinuri. Ramme 3 viser endringer i nyrenes bindevev ved diabetes.

Ramme 3

Endringer i matrikskomponenter i den glomerulære basalmembranen og mesangium ved diabetes

Mesangium

  • Kollagen I – bare påvist i sene faser av glomerulosklerose

  • Kollagen III – bare påvist i sene faser av glomerulosklerose

  • Kollagen IV – økt mengde

  • Kollagen V – økt mengde

  • Fibronektin – økt mengde

  • Laminin – økt mengde

  • Proteoglykaner – økt mRNA for decorin, biglykan, lumikan, fibromodulin

Den glomerulære basalmembranen

  • Kollagen IV- økt mengde

  • Entaktin – økt mengde

  • Laminin – redusert mengde

  • Heparansulfatproteoglykaner – redusert mengde

I en prospektiv studie av 18 pasienter mellom 18 og 30 år med type 1-diabetes og mikroalbuminuri fant man at serumnivåene av avanserte glykeringsprodukter korrelerte med grad av tidlige morfologiske endringer i nyrevev, som blant annet tykkelsen på den glomerulære basalmembranen (30). Studien viste også at økte nivåer av avanserte glykeringsprodukter i serum var signifikant forbundet med økende grad av morfologiske nyreforandringer 2,5 år senere. Karboksymetyllysin og pentosidin er funnet i diabetiske glomeruli ved farging av biopsier, men ikke hos friske kontrollpersoner (31). Det ble også vist en oppregulering av mRNA for reseptor for avanserte glykerte endeprodukter samt en økt immunfarging av reseptor for avanserte glykerte endeprodukter på podocytter i disse biopsiene.

Transformerende vekstfaktor-β er oppregulert i nyrene hos pasienter med diabetisk nefropati (26). Det glomerulære nivået av kollagen type IV, laminin og mRNA for transformerende vekstfaktor-β var økt etter injeksjoner av avanserte glykeringsprodukter i mus (32). I nyreepitelceller er det vist at karboksymetyllysin fører til endringer i proteoglykansyntesen (33). Injeksjon av avanserte glykeringsprodukter i friske, ikke-diabetiske rotter resulterte i økt tykkelse av den glomerulære basalmembranen, mesangial ekspansjon og albuminuri (34, 35).

Glykering og aterosklerose

Ved aterosklerose ses akkumulering av aterosklerotisk plakk på innsiden av arterier og okklusjon av blodstrømmen. Under endotelet er det bindevev, glatte muskelceller, makrofager og T-lymfocytter. Bindevevet er på ingen måte en passiv del av blodåreveggen, men tar del i viktige prosesser som cellemigrasjon, proliferasjon, lipoproteinretensjon og trombose (25). Endret sammensetning av ekstracellulær matriks bidrar til redusert elastisitet i blodåreveggene. Økt glykering av kollagen fører til at LDL og andre plasmaproteiner lettere fanges i åreveggen og bidrar til lesjoner (1). Proteoglykaner i åreveggene har en viktig rolle i forhold til organiseringen av ekstracellulær matriks, permeabilitet, proliferasjon, trombose og lipidmetabolisme. Blodplatederivert vekstfaktor (platelet derived growth factor, PDGF), transformerende vekstfaktor-β, interleukin-1 har vist seg å påvirke proteoglykansyntesen i glatte muskelceller (25). Ramme 4 viser effekter av avanserte glykerte endeprodukter på celler som er involvert i den aterosklerotiske prosessen (3).

Ramme 4

Effekter av avanserte glykerte endeprodukter på aterogenese

Mononukleære fagocytter

  • Induksjon av PDGF, IGF-1, IL-1 og TNF-α

  • Induksjon av kjemotakse

  • Økt opptak av glykert LDL i makrofager

Glatte muskelceller

  • Økt proliferasjon

  • Økt produksjon av fibronektin

Endotelceller

  • Økt permeabilitet

  • Økt intracellulært oksidativt stress

  • Induksjon av endotelin-1 og økt vasokonstriksjon

  • Redusert uttrykk av trombomodulin og induksjon av vevsfaktor

  • Økt uttrykk av adhesjonsmolekyler

Danning av avanserte glykeringsprodukter på sirkulerende plasmaproteiner og lipider kan føre til endringer både i funksjon og levetid. LDL som er modifisert med glykeringsprodukter, vil oksideres lettere in vitro. Samtidig vil oksidert LDL lettere bli modifisert av avanserte glykeringsprodukter (7). LDL-reseptorer binder verken glykert eller oksidert LDL. Disse LDL-molekylene vil da kunne bli tatt opp av scavenger-reseptorer i stedet og bidra til aterosklerotisk plakkdanning i åreveggene. Glykering av HDL fører til økt utskifting og gjør den reverse kolesteroltransporten mindre effektiv (1).

Høye nivåer av karboksymetyllysin er observert i aterosklerotiske plakk og i skumceller (9). En ny norsk studie av Kilhovd og medarbeidere viste at høye serumnivåer av glykeringsprodukter kunne predikere mortalitet av koronar hjertesykdom hos kvinner uten diabetes, men ikke hos menn (36).

Farmakologisk hemming

Flere farmakologiske tilnærmingsmåter er testet ut for å hemme effektene av avanserte glykerte endeprodukter. Aminoguanidin hemmer danning av både avanserte glykeringsprodukter og reaktive oksygenintermediater. Aminoguanidin viste tidlig lovende resultater både i celle- og dyremodeller (37). Hos pasienter med type 1-diabetes hemmet aminoguanidin utviklingen av diabetisk nefropati og proteinuri, men pasientene fikk alvorlige bivirkninger (glomerulonefritt, anemi) som førte til at studien måtte avsluttes. Aminoguanidin kan derfor ikke brukes som behandling ved diabetisk nefropati.

In vitro er det vist av angiotensinkonvertasehemmere og angiotensin II-reseptor-1-antagonister reduserer danning av avanserte glykerte endeprodukter ved å hemme danning av oksidative glykeringsprodukter (37). Polyolreaksjonsveien har vist seg å være involvert i danning av glykeringsprodukter, og hemmere av aldose reduktase har hemmet danningen av avanserte glykeringsprodukter i erytrocytter etter to måneder (38).

Amadoriner hemmer omdanning av amadoriprodukter til avanserte glykeringsprodukter. Pyridoksamin er en av tre former for vitamin B₆, og var den førstevarianten av amadoriner som ble beskrevet. Data fra kliniske studier har vist lite bivirkninger og hemming av kjente avanserte glykeringseffekter (37). En fase 3-studie hvor man har sett på effekter i forhold til nefropati viser lovende resultater både i forhold til toleranse og effekter på albuminuri (39).

Et stoff (Alt-711) som bryter opp glykeringsskapte tverrbindinger («cross-links») reduserte på samme måte som aminoguanidin aterosklerosegraden hos diabetiske og aterosklerotiske mus (40). Dette er trolig mest egnet for pasienter som har massiv deponering av avanserte glykeringsprodukter i vevet, men det er behov for flere studier for å undersøke dette (37).

Tiamin og et fettløselig derivat av dette vitaminet (benfotiamin) har i dyreforsøk vist seg å hemme flere av de skadelige effektene av hyperglykemi, inkludert effekter av avanserte glykerte endeprodukter. I en rottemodell med diabetes er det vist at høye doser av tiamin og benfotiamin hemmer utvikling av mikroalbuminuri ved å øke uttrykket av transketolase i glomeruli (41). Benfotiamin er nå i ferd med å bli testet ut på pasienter med diabetisk nefropati.

Til tross for intens forskning på ulike medikamenter som kan bryte ned eller hemme danning av avanserte glykerte endeprodukter, er god blodsukkerkontroll fremdeles den viktigste metoden som finnes for å forebygge skadelige effekter av glykeringsprodukter både intra- og ekstracellulært.

Manuskriptet ble godkjent 7.9. 2005.

Anbefalte artikler