Wybrane aspekty patogenezy cukrzycy typu 1
Patogeneza
autoimmunologicznej cukrzycy typu 1 (Ct1) pozostaje niejasna, mimo licznych
badań i publikacji dotyczących chorób z autoagresji. Obecnie
przyjmuje się pogląd, iż choroba ta występuje u osób predysponowanych
genetycznie po zadziałaniu czynników środowiskowych. Sposób dziedziczenia
skłonności do Ct1 jest wielogenowy i nieokreślony jednoznacznie.
Destrukcja komórek β jest wywołana złożoną odpowiedzią immunologiczną, zarówno
humoralną, jak i komórkową. We wczesnym okresie Ct1 na kilka
miesięcy, a nawet lat przed wystąpieniem objawów klinicznych
w surowicy krwi, obecne są przeciwciała przeciwko antygenom trzustki. U
podłoża procesu autodestrukcji komórek β trzustki leży cytotoksyczność limfocytów
T. Uwolnione przez limfocyty cytokiny indukują proces apoptozy
w komórkach β trzustki poprzez prezentację receptorów śmierci
i zwiększenie produkcji tlenku azotu. Praca przedstawia aktualne poglądy
na patogenezę Ct1.
Wprowadzenie
Przyczyną niedoboru insuliny w cukrzycy typu 1 (Ct1) jest proces autoagresji układu immunologicznego skierowany przeciwko antygenom komórek β. Proces ten przebiega podstępnie i bezobjawowo przez kilka miesięcy, a nawet lat. Markerami toczącego się procesu są przeciwciała w surowicy krwi. Pojawiają się one często na kilka lat przed pełnoobjawową cukrzycą [1]. Obecność przeciwciał przeciw antygenom trzustki takich jak: przeciwciała przeciwwyspowe (ICA), przeciwinsulinowe (IAA), przeciwko dekarboksylazie kwasu glutaminowego (anty-GAD), przeciwko fosfatazie tyrozyny białkowej (IA-2) ma ogromne znaczenie diagnostyczne. Są one wskaźnikami prognozującymi wystąpienie choroby u krewnych osób z Ct1 [2, 3]. W chwili, gdy uszkodzonych jest 80–90% wysp β, dochodzi do pełnoobjawowej cukrzycy. Obserwuje się wówczas drastyczne zmniejszenie stężenia insuliny i peptydu C oraz wzrost glikemii. Częstość występowania Ct1 wg WHO (World Health Organization) w Europie i Ameryce Północnej ocenia się na 10–15% [4]. Ct1 jest chorobą wieloczynnikową, jednak główną rolę odgrywają 3 grupy czynników: środowiskowe, genetyczne i immunologiczne.
Czynniki środowiskowe
Podatność na Ct1 jest determinowana
przez współdziałanie czynników środowiskowych i predyspozycji genetycznej.
Czynniki środowiskowe zapoczątkowują proces destrukcji komórek produkujących
insulinę. Za uszkodzenie komórek β, mogą być odpowiedzialne wirusy: Coxackie B,
grypy, świnki, różyczki [5]. U 3,3% dzieci, które przeszły różyczkę
w dzieciństwie rozwija się Ct1 w późniejszym życiu [6].
Szczepienia ochronne mogą także odgrywać rolę w indukcji procesu
immunologicznego przeciw komórkom β trzustki [7]. Inna teoria przełamania
tolerancji immunologicznej związana jest z wpływem białek mleka krowiego,
podawanych we wczesnym okresie życia. Mogą one być przyczyną reakcji krzyżowej
z antygenami trzustki, powodując odpowiedź immunologiczną skierowaną
przeciwko komórkom β wysp trzustkowych [8, 9].
Istnieje szereg związków charakteryzujących się wybiórczą toksycznością dla
komórek β, między innymi: aloksan, związki nitrowe, niektóre preparaty
grzybobójcze czy streptozotocyna używana do wywoływania cukrzycy
w modelach zwierzęcych. Istotne znaczenie ma obecność przeciwciał
pochodzących od matek chorych na Ct1 [10]. Dawid i wsp.
obserwując dzieci matek z Ct1 stwierdzili, że przeciwciała przeciw
strukturom komórek β przechodzą przez łożysko do płodu i już
w okresie życia wewnątrzłonowego, zapoczątkowują uszkodzenie komórek
trzustki [10]. Przeciwciała przechodzące przez łożysko zanikają wolno,
około 6–9 miesięcy, kilka procent dzieci posiada je w pierwszym roku
życia. U 3% dzieci matek
z Ct1 w ciągu pierwszych dwóch lat życia, rozwija się
cukrzyca [10].
Czynniki genetyczne
Ct1 jest chorobą autoimmunologiczną charakteryzującą się nasiloną apoptozą komórek β, u osób genetycznie predysponowanych. Geny IDDM-1 leżą na krótkim ramieniu 6 chromosomu (6p21). Kodują one HLA (human leukocyte antigens) klasy II (DQA1, DQB1, HLA DR3, HLA DR4), które uważane są za najistotniejsze w patogenezie choroby [11, 12]. HLA klasy II DQA1*0301*0501 i DQB1*0302*0201 występują u 90% chorych z Ct1 [13]. W populacji polskiej największe znaczenie wydają się mieć haplotypy HLA DRB1*09, DQB1*030, HLA DQA1*0301 [13]. Ryzyko wystąpienia Ct1 w rodzinie, gdy choruje rodzeństwo wynosi 6%, gdy bliźniak jednojajowy – 25–50%, matka – 3%, ojciec – 6%, ojciec i matka – 15%, potomstwo – 5%. U bliźniąt monozygotycznych w ponad połowie przypadków nie dochodzi do rozwoju Ct1 u drugiego bliźniaka. Dlatego też podłożem genetycznym nie można wytłumaczyć etiologii choroby, można mówić o predyspozycji genetycznej do zachorowania [14].
Czynniki immunologiczne
Destrukcja komórek β jest wywołana złożoną odpowiedzią immunologiczną, zarówno humoralną, jak i komórkową. Według kopenhaskiego modelu Ct1 komórki β w wyspach Langerhansa są niszczone przez działanie limfocytów T, a krążące przeciwciała są markerami toczącego się procesu [15]. Przeciwciała są markerami aktywności immunologicznej i uważane są za wczesne markery uszkodzenia komórek β. Obecność przeciwciał, przeciw strukturom trzustki takich jak: przeciwciała przeciwwyspowe (ICA) stwierdza się u 0,1–0,3% populacji zdrowej u pacjentów z Ct1 są wykrywane u 80% chorych, występują także u 3–6 % krewnych I stopnia chorych na Ct1. U większości pacjentów pojawiają się na kilka lat przed rozwojem choroby i zanikają od 6 miesięcy do 3 lat od rozpoznania choroby [15, 16]. Przeciwciała przeciwinsulinowe (IAA) występują u 1% osób zdrowych, u chorych z Ct1 są wykrywane w 50–60%. Są obecne u wszystkich pacjentów do 5 roku życia i u 15–20 % po 15 roku życia [16, 17]. Przeciwciała przeciwko dekarboksylazie kwasu glutaminowego (anty-GAD) pojawiają się bardzo wcześnie u populacji zdrowej, są wykrywane w 2%, a u chorych z Ct1 w 70–90% [16, 17]. Przeciwciała przeciwko fosfatazie tyrozyny białkowej (IA-2) stwierdza się u 0,8% populacji zdrowej i u 58% chorych z Ct1. Liczne prace dotyczące morfologii wysp trzustkowych u myszy NOD (nonobese diabetic mice) pozwoliły ustalić kolejność pojawiania się odpowiedzi komórkowej [18]. W pierwszej fazie dochodzi do aktywacji śródbłonka, napływu makrofagów i komórek dendrytycznych. W najnowszych badaniach to makrofagom przypisuje się główną rolę w apoptozie komórek β [19]. Makrofagi wykazują właściwości cytotoksyczne szczególnie silne w stosunku do komórek wysp trzustkowych. Ponadto uwalniają wolne rodniki tlenowe, a także IL-1β (interleukina 1β) i TNF-α (tumor necrosis factor α) pobudzające apoptozę poprzez indukcję receptorów śmierci i aktywację iNOS (indukowana syntaza tlenku azotu) [19]. Początkowo naciek komórkowy gromadzi się wokół wysp (periinsulitis). W następnej kolejności napływają cytotoksyczne limfocyty T, komórki NK (natural killer), a w końcowej fazie limfocyty B. Aktualnie powszechnie przyjmuje się teorię dwóch sygnałów: sygnału pierwotnego i wtórnego aktywacji limfocytów T w Ct1 [20]. Koniecznym warunkiem aktywacji limfocytów T jest ich bezpośredni kontakt z komórkami prezentującymi antygeny, który warunkują pary cząsteczek adhezyjnych ICAM-1 (intracellular adhesion molecule-1) z LFA-1 (lymphocyte function associated antigen-1), LFA-3 lub LFA-2. Cząsteczki te odgrywają zarówno rolę stabilizującą, jak i kostymulującą [21]. Powierzchnie obu tych komórek tworzą tzw. synapsę immunologiczną. Komórki prezentujące antygen, takie jak: komórki dendrytyczne, makrofagi, limfocyty B, są rozpoznawane przez limfocyty T i dzięki MHC II (major histocompatibility complex) przyłączane do receptora TCR (T-cell receptor) i tak przekazywany jest sygnał pierwotny [20, 21]. Aby mogło dojść do aktywacji limfocytów T, muszą zadziałać czynniki kostymulujące. Główną rolę przypisuje się interakcji receptorów CD28 lub CD154 na powierzchni limfocytów T z cząsteczkami B7.1, B7.2 (CD80, CD86) lub CD40 w komórkach prezentujących antygen [21, 22]. Przekazanie sygnału doprowadza do aktywacji i proliferacji limfocytów Th1 i zwiększenia produkcji limfokin takich jak: IL-2 (interleukina 2), TNF-α, IFN-γ. W nacieku trzustkowym chorych z Ct1 obserwuje się przewagę limfocytów Th1 nad Th2. IL-2 i IFN-γ, stymulują proliferację limfocytów T CD8+. U pacjentów z Ct1 stosunek limfocytów CD8+ do CD4+ jest przesunięty w stronę CD8+ [23]. Dodatkowo dochodzi do aktywacji komórek B CD5 produkujących przeciwciała, skierowane przeciwko strukturom komórek β trzustki. Odczyn immunologiczny przeciwko komórkom trzustki rozpoczyna się u osób predysponowanych genetycznie, gdy nabiorą one właściwości autoantygenu, zazwyczaj po zadziałaniu czynnika środowiskowego.
Apoptoza komórek β trzustki
We wczesnej fazie Ct1, dochodzi do apoptozy komórek β. Aktywowane limfocyty T wykorzystują dwa podstawowe mechanizmy cytotoksyczności komórkowej. Pierwszy polega na degranulacji ziarnistości cytoplazmatycznych zawartych w limfocytach T. Uwalniane perforyny pośrednio aktywują układ kaspaz, natomiast granzym B aktywuje kaspazy efektorowe, powodując uruchomienie mechanizmu zaprogramowanej śmierci [24]. Drugi mechanizm związany jest z aktywacją swoistych receptorów dla cząsteczek nadrodziny TNF, takich jak: Fas, TNFR1 (tumor necrosis factor receptor 1), DR4, DR5 (death receptors 4,5) obecnych na komórkach docelowych. Prawidłowe wyspy trzustkowe nie posiadają receptor Fas (CD95). Ludzkie i mysie wyspy, mogą syntetyzować ten receptor po inkubacji z IL-1β i INF-γ lub TNF-α lub pod wpływem nacieku limfocytarnego. Takie pobudzone wyspy były bardziej wrażliwe na śmierć przez apoptozę, z użyciem agonistycznych przeciwciał anty CD95 [25]. Ligand dla receptora Fas (FasL) znajduje się na powierzchni pobudzonych komórek występujących w nacieku trzustkowym. Zarówno limfocyty T CD4+ i T CD8+,jak i makrofagi wytwarzają FasL. Po połączeniu receptora śmierci Fas z ligandem FasL dochodzi do aktywacji cytoplazmatycznych domen śmierci i utworzenia kompleksu białek adaptorowych. Kolejnym receptorem śmierci pośredniczącym w destrukcji komórek β jest receptor TNFR1 [26]. Ligand dla tego receptora jest wytwarzany głównie przez monocyty i makrofagi obecne w nacieku trzustkowym. Receptor TNFR1 w komórkach β trzustki jest prezentowany po aktywacji cytokinami. Po połączeniu receptora z ligandem dochodzi do aktywacji domen śmierci, białek adaptorowych i wytworzenia kompleksu DISC (death inducing signal complex). Następnie aktywowana jest kaspaza 8, która indukuje kaspazę 3 określaną egzekutorem apoptozy [27]. Innymi receptorami należącymi do nadrodziny TNF indukującymi apoptozę są receptory DR4 i DR5 dla TRAIL (TNF-related apoptosis inducing ligand) [28]. Receptory te posiadają cytoplazmatyczne domeny śmierci. Indukują apoptozę na drodze zależnej od FADD (Fas associated death domain) i kaspaz. Apoptoza w komórkach β trzustki może zachodzić przy udziale NO. Komórki te są bardzo wrażliwe na nadmiar NO. Kluczową rolę w produkcji NO odgrywają cytokiny uwalniane przez komórki naciekające wyspy (makrofagi, limfocyty). Najnowsze badania sugerują wpływ IL-1β, TNF-α czy IFN-γ na aktywację iNOS i zwiększenie produkcji NO w komórkach β [29]. Działając pojedynczo nie indukują one apoptozy, jednak ich kombinacja indukuje apoptozę u zwierząt doświadczalnych w ciągu 24 godzin [30]. Stwierdzono też, że kombinacja IL-1β, TNF-α czy IFN-γ tych cytokin, aktywuje iNOS i zwiększa produkcję NO w komórkach β także u ludzi, co może być decydującym czynnikiem uszkodzenia tych komórek [31].
Podsumowanie
Ct1 jest chorobą autoimmunologiczną, w patogenezie której istotną rolę odgrywają mechanizmy apoptozy. Chociaż nie poznano całkowicie procesu, który powoduje niszczenie trzustkowych komórek β, znanych jest kilka czynników ryzyka i wskaźników immunologicznych, pozwalających zidentyfikować pacjentów w okresie prediabetes i wielu krewnych pierwszego stopnia chorych na cukrzycę, u których rozwinie się ta choroba. Liczne badania i postęp wiedzy na temat możliwości rozpoznawania i ingerencji w proces autodestrukcji komórek produkujących insulinę, dają nadzieję na zahamowanie procesu apoptycznej śmierci tych komórek we wczesnych etapach Ct1. Największe oczekiwania wiązane są z terapią genową, dzięki której możliwe będzie zapobieganie chorobie u osób genetycznie predysponowanych, zanim dojdzie do indukcji mechanizmów immunologicznych i apoptycznej śmierci komórek β.
Piśmiennictwo
1.
Tuomilehto J., Zimmet P., Mackay I. i wsp.: Antibodies to glutamic acid
decarboxylase as predictors of insulin‑dependent diabetes mellitus before
clinical onset of disease. Lancet 1994; 343, 1383.
2.
Thai A.‑C., Eisenbarth G.S.: Natural history of IDDM. Diabetes Rev 1993;1,1
3. Kinalska I., Krętowski A., Kowalska I.,
Bingley P., Gale E.: Obecność przeciwciał przeciwwyspowych (ICA)
u krewnych I stopnia chorych na cukrzycę insulinozależną. Diabetol.
Pol. 1995; 2,197.
4. Otto–Buczkowska E.: Epidemiologia
cukrzycy typu 1 na świecie i w Polsce. Diabetol. Dośw. Klin.
2002; 6, 438.
5. Noczyńska A.: Badania genetyczne
i immunologiczne u matki z cukrzycą i jej dziecka. Diabetol. Pol. 2001; 3/4, 264.
6.
Yoon J.: The role of viruses and environmental factors in the induction of
diabetes. Cur Top Microbiology. Immunology 1990; 164, 95.
7.
Hummel M., Fuchtenbusch M., Schenker M.: No major associacion of breast–
feeding, vaccinations and childhood viral disease with early islet autoimmunity
in Germany BABYDIAB Study. Diabetes Care 2000; 23, 969.
8.
Mensner M., Forrest J, Bransby R: Rubella infection and diabetes mellitus.
Lancet 1978; 1, 57.
9.
Karlalainen J., Martin J., Knip M.: A bovine albumin peptide as a possible
trigger of IDDM. N. Engl. J. Med. 1992; 327, 302.
10.
David R., Leslie G., Elliott R.B.: Early environmental events as a cause
of IDDM. Diabetes1994; 43, 843.
11.
Becker K.: Comparative genetics of type 1 diabetes and autoimmune disease.
Diabetes 1999; 48, 1353.
12.
Krokowski M., Bodalski J., Bratek A.: HLA class II associated predisposition to
insulin‑dependent diabetes mellitus in Polish population. Hum Immunol
1998; 59,451.
13. Noczyńska A.: Badania genetyczne
i immunologiczne u matki z cukrzycą i jej dziecka. Diabetol. Pol. 2001; 3/4, 264.
14.
Tood J.A.: Genetic analysis of complex, multifactorial disease, autoimmune type
1 insulin dependent diabetes. Res Immunol 1991; 142, 483.
15. Młynarski W., Wyka K., Bodalska‑Lipińska,
J., Andrzejewski W., Zmysłowska A., Bodalski J.: Wartość prognostyczna
humoralnych i metabolicznych markerów w ocenie ryzyka rozwoju
klinicznej postaci cukrzycy typu 1. Endokrynol. Diabetol. Przem. Mat. Wieku
Rozwoj. 2003; 9, 17.
16. Krokowski M., Bodalski J.: Prediabetes
– genetyka i immunologia. Diabetol. Pol.
1998; 5, 45.
17.
Bonifacio E., Bingley P.J.: Islet autoantibodies and their use in predicting
insulin‑dependent diabetes. Acta. Diabetol. 1997; 34,185.
18.
Santamaria P., Tan R.: Prediction of spontaneous autoimmune diabetes in NOD mice
by quantification of autoreactive T cells in peripheral blood.
J. Clin. Invest. 2003; 111, 217.
19. Bodalska‑Lipińska J., Głowaty M.:
Etiopatogeneza cukrzycy typu 1. Diabetol. Pol. 2000; 4, 248.
20. Witas H.: Aktywacja limfocytów T –
znaczenie w patogenezie cukrzycy typu 1 i innych chorób
autoimmunologicznych. Diabetol. Pol. 2001; 8, 138.
21. Gołąb J., Jakóbisiak M., Lasek W.:
Immunologia, PWN, Warszawa, 2002.
22.
Baker F.J., Lee M., Yueh‑hsiu C. Restricted islet‑cell reactive T cell
repertoire of early pancreatic islet infiltrates in NOD mice. PNAS
2002; 14, 9374.
23.
Kurrer M., Pakala S.V., Hanson H.L., Katz J.: β cell apoptosis in T cell‑mediated
autoimmune diabetes. Immunology 1997; 94, 213.
24.
Didac M., Mandrup‑Poulsen T.: Apoptosis and pathogenesis of IDDM. Diabetes
1998; 47, 1537.
25.
Chervonsky A.V., Wang Y., Wong F.S., Visintin I., Flavell R.A., Janeway C.A.,
Matis L.A.: The role of Fas in autoimmune diabetes. Cell
1997; 89, 17.
26.
Lamhamedi‑Cherradi S., Zheng S., Tisch R.M., Chen H.: Critical Roles of Tumor
Necrosis Factor–Related Apoptosis‑Inducing Ligand in Type 1 Diabetes.
Diabetes 2003; 52, 2274.
27.
Thorburn A.: Death receptor – induced cell killing. Cell Signal
2004; 16, 139.
28.
Satoh K., Kaneko K., Hirota M., Masamune A.: Tumor Necrosis Factor–Related
Apoptosis–Inducing Ligand and its receptor expression and the pathway of
apoptosisin human pancreatic cancer. Pancreas 2001; 23, 251.
29.
Thomas H., Darwiche R., Corbett J.A., Kay T.: Interleukin‑1 plus γ‑Interferon‑induced
Pancreatic B‑cell Dysfunction Is Mediated by ß‑Cell Nitric Oxide
Production. Diabetes 2002; 51, 311.
30.
Oyadomari S., Takeda K., Takiguchi M., Gotoh T., Matsumoto M., Wada I.: Nitric
oxide‑induced apoptosis in pancreatic β cells is mediated by the
endoplasmic reticulum stress pathway. PNAS 2001; 11, 10845.
31. Delaney C.A., Pavlovic D., Hoorens A.,
Pipeleeres D.G., Eizirik D.L.: Cytokines induce deoxyribonucleic acid strand
breaks and apoptosis in human pancreatic islet cells. Endocrinology
1997; 138, 261.
