Любовь к сладкому и наследственность — главные виновницы того, что к 2015 году число диабетиков в мире превысит 300 миллионов человек. Давно замечена связь диабета с ожирением, однако причины её до сих пор остаются загадкой. Работа шведских учёных, разгадавших этот секрет, позволяет надеяться на создание лекарств, которые позволят избежать диабета, не отказываясь от сладкой жизни. Правда, появятся они нескоро.
Международная команда исследователей под руководством Джулин Зейрат и Александра Чибалина из Каролинского института в Стокгольме сделала открытие, которое сможет облегчить жизнь миллионам людей по всему миру. Они нашли фермент, отвечающий за способность клетки усваивать глюкозу и жиры, а также переключаться с одного источника энергии на другой.
метаболическое заболевание, характеризующееся хронической гипергликемией (увеличенным содержанием глюкозы в крови), которая является результатом нарушения секреции инсулина или механизмов его взаимодействия с клетками тканей. (Определение Всемирной организации здравоохранения 1999 года).
Этот тип заболевания обусловлен снижением чувствительности тканей к действию инсулина (инсулинорезистентность), который на начальных стадиях заболевания синтезируется в нормальных или даже повышенных количествах.
Диета и снижение веса пациента в некоторых случаях помогают нормализовать углеводный обмен организма и снизить синтез глюкозы на уровне печени. Однако с течением заболевания выделение инсулина клетками поджелудочной железы снижается, что делает необходимыми инъекции инсулина.
Диабет 2 типа составляет 85-90% от всех форм диабета, наиболее часто развивается у людей старше 40 лет, и, как правило, связан с ожирением. Заболевание протекает медленно. Для него характерны второстепенные симптомы, кетоацидоз развивается редко. С течением времени развиваются такие осложнение как микро- и макроангиопатия, нефро- и нейропатия, ретинопатия и другие.
Сахарный диабет проявляется, прежде всего, повышением уровня глюкозы в крови, понижением способности тканей захватывать и утилизировать глюкозу и повышением мобилизации альтернативных источников энергии – аминокислот и свободных жирных кислот.
Высокий уровень глюкозы в крови и различных биологических жидкостях вызывает повышение их осмотического давления. Вследствие этого возникает осмотический диурез (повышенная потеря воды и солей через почки), приводящий к дегидратации (обезвоживанию) организма и развитию дефицита катионов натрия, калия, кальция и магния, анионов хлора, фосфата и гидрокарбоната.
У больного с сахарным диабетом развивается повышенная жажда, частое обильное мочеотделение, слабость, повышенная утомляемость, сухость слизистых оболочек несмотря на обильное питьё воды, мышечные подёргивания, сердечные аритмии и другие проявления дефицита электролитов.
У здоровых людей инсулин вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы в ответ даже на незначительное повышение сахара в крови — например, после приема пищи. Связываясь с рецепторами на поверхности клеток-мишеней — печени, мышечных и жировых, он повышает потребление глюкозы для производства энергии или пополнения запасов в виде более сложного гликогена. Это позволяет поддерживать концентрацию глюкозы на постоянном уровне, необходимом для правильной работы всего организма.
При диабете второго типа эти сигналы проходят почти незамеченными и клетки не потребляют глюкозу из крови в том количестве, в котором это следовало бы делать после приёма пищи. В итоге её уровень растёт.
В истории научных представлений о сахарном диабете можно выделить смену трёх парадигм.
Недержание воды
Первые описания этого патологического состояния выделяли, прежде всего, наиболее яркие его симптомы — потерю жидкости (полиурия) и неутолимую жажду (полидипсия).
Термин диабет (англ. Diabetes mellitus) впервые был использован Деметриосом из Апамании (II век до нашей эры), происходит от греческого διαβήτης, что означает «проникать сквозь». Таково было представление о диабете —- состоянии, при котором человек непрерывно теряет жидкость и её восполняет, «как сифон», что относится к одному из основных симптомов диабета — полиурии (избыточное выделение мочи). В те времена сахарный диабет рассматривался как патологическое состояние, при котором организм утрачивает способность удерживать жидкость.
Недержание глюкозы
В 1675 г. Томас Уиллис показал, что при полиурии (повышенном выделении мочи) моча может быть «сладкой», а может быть и «безвкусной». В первом случае он добавил к слову диабет (лат. diabetes) слово mellitus, что с латинского означает «сладкий как мёд» (лат. diabetes mellitus), а во втором «insipidus», что означает «безвкусный». Безвкусным был назван несахарный диабет (лат. diabetes insipidus).
Мэтью Добсон доказал, что сладкий вкус мочи и крови больных диабетом обусловлен большим содержанием сахара. Древние индийцы заметили, что моча больных диабетом притягивает муравьёв и назвали это заболевание «болезнью сладкой мочи» (Madhumeha). Корейские, китайские и японские аналоги этого слова основываются на той же идеограмме и так же означают «болезнь сладкой мочи».
Итак, парадигма «недержание жидкости» осталась за несахарным диабетом. Но сахарный диабет стал рассматриваться с точки зрения новой парадигмы — «недержание сахара», а потеря жидкости — как следствие осмотического действия сахара, который увлекал за собой воду в процессе диуреза.
Повышенный сахар крови
Когда появились технические возможности измерять сахар не только в моче, но и в крови, выяснилось, что вначале сахар повышается в крови, и только когда его концентрация в крови превышает пороговое для почек значение (около 9 ммоль/л), только тогда он появляется и в моче. Парадигму сахарного диабета снова пришлось менять, поскольку оказалось, что механизм удержания сахара почками не нарушен, а значит нет как такового «недержания сахара». Вместе с тем, старая парадигма осталась за обнаруженным новым патологическим состоянием, так называемым «почечным диабетом». Причиной этого заболевания действительно было снижение почечного порога для сахара крови и, как следствие, появление сахара в моче при нормальных показателях сахара крови. То есть, как и в случае несахарного диабета, старая парадигма оказалась пригодной не для сахарного диабета, а для совсем другого патологического состояния.
Итак, от парадигмы «недержание сахара» отказались в пользу парадигмы «повышенный сахар крови». Эта парадигма и является на сегодня главным и единственным идеологическим инструментом диагностики, а также оценки эффективности проводимой терапии. При этом современная парадигма о диабете не исчерпывается только лишь фактом повышенного сахара в крови. Более того, можно с уверенностью утверждать, что парадигмой «повышенный сахар крови» заканчивается история научных парадигм сахарного диабета, сводящихся к представлениям о концентрации сахара в жидкостях.
Шведским учёным удалось найти фермент, играющий ключевую роль в развитии нечувствительности к инсулину. Это диацилглицеролкиназа-дельта (ДГКδ).
Работа учёных опубликована в последнем выпуске журнала Cell.
Как пояснил «Газете.Ru» один из руководителей работы - выпускник биофака МГУ Александр Чибалин, возглавляющий теперь лабораторию в Каролинском институте в Стокгольме, эта статья стала результатом девятилетней работы большого международного коллектива в рамках общеевропейского проекта.
ДГКδ оказался ключевым звеном в двух цепочках — передачи инсулинового сигнала внутри клетки и энергетического обмена. При его недостатке клетки остаются глухими к отчаянным инсулиновым просьбам организма потреблять больше глюкозы, а жиры (липиды) остаются неокисленными, во всё большем количестве откладываясь в белой жировой ткани.
Как пояснил Александр Чибалин, «этот фермент сам по себе глюкозозависимый», то есть его количество в клетке зависит от концентрации глюкозы, при этом чем больше её в крови, тем меньше фермента вырабатывается.
Таким образом, неосторожное нарушение равновесия приводит к очень неприятным последствиям.
Чем больше глюкозы, тем меньше фермента, тем хуже передаётся сигнал от инсулиновых рецепторов внутрь клетки, тем меньше глюкозы забирается из крови и тем ещё больше глюкозы в ней остаётся — круг замыкается. Параллельно развивается ожирение.
Открытие инсулина
В 1869 году в Берлине 22-летний студент-медик Поль Лангерганс изучая с помощью нового микроскопа строение поджелудочной железы, обратил внимание на ранее не известные клетки, образующие группы, которые были равномерно распределены по всей железе. Назначение этих «маленьких кучек клеток», в последствии известных как «островки Лангерганса», было не понятно, но позднее Эдуад Лагус показал, что в них образуется секрет, который играет роль в регуляции пищеварения.
В 1889 году немецкий физиолог Оскар Минковски чтобы показать, что значение поджелудочной железы в пищеварении надумано, поставил эксперимент, в котором произвёл удаление железы у здоровой собаки. Через несколько дней после начала эксперимента, помощник Минковски, который следил за лабораторными животными, обратил внимание на большое количество мух, которые слетались на мочу подопытной собаки. Исследовав мочу, он обнаружил, что собака с мочой выделяет сахар. Это было первое наблюдение, позволившее связать работу поджелудочной железы и сахарный диабет. В 1901 году был сделан следующий важный шаг, Евген Опи чётко показал, что «Сахарный диабет… обусловлен разрушением островков поджелудочной железы, и возникает только когда эти эти тельца частично или полностью разрушены.» Связь между сахарным диабетом и поджелудочной железой была известна и раньше, но до этого не было ясно, что диабет связан именно с островками.
В следующие два десятилетия были предприняты несколько попыток выделить островковый секрет как потенциальное лекарство. В 1906 Georg Ludwig Zuelzer достиг некоторого успеха в снижении уровня глюкозы в крови подопытных собак панкреатическим экстрактом. E.L. Scott между 1911 и 1912 в Чикагском университете использовал водный экстракт поджелудочной железы и отмечал «некоторое уменьшение гликозурии», но он не смог убедить своего руководителя в важности своих исследований, и вскоре эти эксперименты были прекращены. Такой же эффект демонстрировал и Израэль Кляйнер в Rockefeller University в 1919, но его работа была прервана началом первой мировой войны, и он не смог её завершить. Похожую работу после опытов во Франции в 1921 году опубликовал и профессор физиологии Румынской Школы Медицины Никола Паулеско, и многие, в том числе и в Румынии, считают именно его первооткрывателем инсулина.
Однако практическое выделение инсулина принадлежит группе учёных Торонтского университета. В октябре 1920 года Фредерик Бантинг прочитал в работах Минковского о том, что если у собак препятствовать выделению пищеварительного сока из поджелудочной железы, то железистые клетки вскоре погибают, а островки остаются живыми, и сахарный диабет у животных не развивается. Этот интересный факт заставил его задуматься над возможностью выделения из железы неизвестного фактора, способствующего снижению уровня сахара в крови. Из его записок: «перевязать собаке панкреатический проток. Оставить собаку, пока не разрушатся ацинусы и останутся только островки. Попытаться выделить внутренний секрет и подействовать на гликозурию…»
В Торонто Бантинг, встретился с Дж. Маклеодом и изложил ему свои соображения в надежде заручиться его поддержкой и получить необходимое для работы оборудование. Идея Бантинга сперва показалась профессору абсурдной и даже смешной. Но молодому учёному таки удалось убедить Маклеода поддержать проект. И летом 1921 года он предоставил Бантингу университетскую лабораторию и ассистента, 22-летнего Чарльза Беста, а также выделил ему 10 собак. Их метод заключался в том, что вокруг выводного протока поджелудочной железы затягивалась лигатура, препятствуя выделению из железы панкреатического сока, и спустя несколько недель, когда внешнесекреторные клетки погибли, в живых оставались тысячи островков, из которых им удалось выделить белок, который достоверно снижал уровень сахара в крови у собак с удалённой поджелудочной железой. Сперва его назвали «айлетин».
После решения проблемы с источником инсулина, следующей важной задачей стала очистка белка. Для её решения в декабре 1921 Маклеод привлёк блестящего биохимика, Джеймса Коллипа, который в итоге сумел разработать эффективный метод очистки инсулина.
И 11 января 1922 года, после множества успешных испытаний с собаками, страдающему диабетом 14-летнему Леонарду Томпсону была сделана первая в истории инъекция инсулина. Однако первый опыт применения инсулина оказался неудачным. Экстракт оказался недостаточно очищенным, и это привело к развитию аллергии, поэтому инъекции инсулина были приостановлены. Следующие 12 дней Коллип напряжённо работал в лаборатории над улучшением экстракта. А 23 января Леонарду была введена вторая доза инсулина. На сей раз, успех был полным, не только не было явных побочных действий, но и у больного перестал прогрессировать диабет. Однако в последствии Бантинг и Бест не сработались с Коллипом и вскоре с ним расстались.
За это революционное открытие Маклеод и Бантинг в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Бантинг сперва был сильно возмущён, что его помощник Бест не был представлен к награде вместе с ним, и поначалу даже демонстративно отказался от денег, но потом всё же согласился принять премию, и свою часть торжественно разделил с Бестом. Также поступил и Маклеод, поделив свою премию с Коллипом. А патент на инсулин был продан Торонтскому университету за один доллар, и вскоре началось производство инсулина в промышленных масштабах.
Заслуга по определению точной последовательность аминокислот, образующих молекулу инсулина (так называемая первичная структура) принадлежит британскому молекулярному биологу Фредерику Сенгеру. Инсулин стал первым белком, для которого была полностью определена первичная структура. За проделанную работу в 1958 году он был удостоен Нобелевской премии по химии. А спустя почти 40 лет Дороти Кроуфут Ходжкин с помощью метода рентгеновской дифракции определила пространственное строение молекулы инсулина. Её работы также отмечены Нобелевской премией.
Выявлен фермент был ещё в 1999 году в ходе рутинной работы по исследованию активности некоторого набора генов у диабетиков. Выяснилось, что среди этих подозреваемых только ДГКδ менял свою активность у диабетиков с высоким уровнем глюкозы в крови, тогда как у диабетиков с нормальным уровнем глюкозы его содержание совпадало с таковым у полностью здоровых людей. Это насторожило учёных.
«Мы подумали — вау, надо это посмотреть», — вспоминает Чибалин.
Чтобы удостовериться, что взят верный след, «шведы» обратились за помощью к Мэттью Топэму из американского Солт-Лейк-Сити, который к этому моменту уже создал «полунокаутных» мышей ДГКδ +/-, обладающих только одной копией этого гена вместо двух. У этих грызунов во всех тканях концентрация фермента составляла только половину от нормы, при этом в остальном они не отличались от своих собратьев.
Как оказалось, недостаток фермента приводил к нарушениям восприимчивости к инсулину и потребления глюкозы жировыми клетками, всеми клетками скелетных мышц и сложно организованными клетками сердечной мышцы. Более того, у «дефицитных» мышей было существенно ниже и общее потребление кислорода, которое используется для оценки общей скорости обмена веществ.
Эта работа также объясняет и возникновение ожирения у диабетиков.
«При низкой концентрации ДГКδ, клетки теряют способность окислять липиды», — поясняет автор работы. Соответственно, их больше накапливается в белой жировой ткани. Кроме того, нарушается и способность переключаться с одного источника энергии, глюкозы, на другой — жиры. У здоровых людей организм во время бодрствования потребляет больше глюкозы, чем жиров, у диабетиков этого не происходит. Точно такую же картину показали и мыши с недостатком ДГКδ. То, что изменения ДГКδ первичны, подтверждается и тем, что они выявлены и у диабетиков, не страдающих ожирением.
Тем не менее лекарств от диабета второго типа пока ждать не стоит.
Как отметил Чибалин, с точки зрения фармакологии «активировать фермент гораздо сложнее, чем его заингибировать». Поэтому основные надежды учёных пока связаны не со стимуляцией реакций, в которых он участвует, а в замедлении обратных, что должно снизить расход ДГК-дельта и тем самым повысить восприимчивость к инсулину. Именно это нужно диабетикам.
Однако открытием учёных практически каждый может воспользоваться уже сейчас. Дело в том, что концентрация ДГКδ, который, как выясняется, так важен для восприятия инсулина, существенно возрастает при мышечной нагрузке. Поэтому, по словам Александра Чибалина, «лучшее лекарство от диабета сейчас (кроме метаформинов и сульфанилурии) — это физическая активность», позволяющая снизить уровень глюкозы не за счёт увеличения уровня инсулина, а просто за счёт того, что инсулиновый сигнал окажется замеченным.
