Краткая историческая перспектива изучения функции глюкагона

История глюкагона началась в начале 1920-х годов, когда Кимбалл и Мурлин сообщили о наличии циркулирующего фактора, оказывающего влияние на гомеостаз глюкозы, противоположное действию инсулина.

Гликогенолитический, глюконеогенный и кетогенный эффекты глюкагона впервые были продемонстрированы у собак

В конце концов, глюкагон был очищен и секвенирован в Eli Lilly (США), и вскоре после этого глюкагон стал коммерчески доступен компанией для лечения инсулин-индуцированной гипогликемии.

Тем не менее, глюкагон был впервые признан гормоном после разработки радиоиммуноанализа глюкагона в 1959 году Роджером Унгером и его коллегами на основе новаторской работы Берсона и Ялоу; Этот анализ сыграл важную роль в разработке бигормональных гипотез диабета (имеется ввиду роль инсулина и глюкагона. прим. Макишевой Р.Т.).

Важность глюкагона для производства глюкозы в печени in vivo была выяснена путем блокирования секреции эндогенного глюкагона и инсулина (так называемым панкреатическим зажимом соматостатином) при инфузии глюкагона с различной скоростью.

Эти эксперименты ясно показали, что выработка глюкозы в печени регулируется триггерами как инсулином, так и глюкагоном, и что эндогенная выработка глюкозы в состоянии голодания представляет собой баланс между стимулирующим действием глюкагона и ингибирующим действием инсулина.

Из экспериментов с селективными инфузиями глюкагона стало ясно, что стимуляция выработки глюкозы печенью в таких условиях мимолетна.

За это может быть ответственно несколько механизмов, прежде всего повышенная регуляция секреции инсулина как глюкагоном (который мощно стимулирует секрецию инсулина, так и гипергликемией, которая затем (чрезмерно управляя действием глюкагона) снова снижает выработку глюкозы печенью.

Из-за важности глюкагона в регуляции продукции глюкозы печенью, он неоднократно обсуждался как причина диабетической гипергликемии (как при диабете 1 типа так и при сахарном диабете 2 типа),

который по крайней мере частично из-за увеличения печенью производства глюкозы, развивается вследствие

1. недостаточности инсулина в покое (в инсулиноцентрической гипотезе) или же
2. повышенной секреции глюкагона из α-клеток поджелудочной железы в равной степени (в бигормональной гипотезе), или даже важнее
3. (глюкагоноцентрической гипотезе).

В поддержку роли глюкагона ингибирование секреции или действия глюкагона уже давно является привлекательной стратегией лечения диабета.

Структура молекулы глюкагона, регуляция секреции глюкагона и внепеченочные эффекты

Биоактивный глюкагон вырабатывается ферментативным расщеплением предшественника проглюкагона ферментом прогормон-конвертазой 2 с образованием полностью переработанного глюкагона из 29 аминокислот. Глюкагон секретируется из α-клеток поджелудочной железы в ответ на снижение концентрации глюкозы (гипогликемия, например, во время аэробных упражнений или длительного голодания) или увеличение концентрации аминокислот, в то время как липиды оказывают умеренное влияние на α-клетки.

Его секреция также модулируется кишечными пептидами:

• глюкагоноподобный пептид GLP-1 (ингибирует),
• оксинтомодулином (усиливает) и
• глюкозозависимый инсулинотропный полипептид (GIP; ксиливает).

Кроме того, вегетативная нервная система может играть важную роль в регуляции секреции глюкагона.

Ингибирующее действие GLP-1 в настоящее время используется в так называемых терапиях на основе GLP-1, которые включают как GLP-1RAs, так и ингибиторы инактивируюшего GLP-1 фермента DPP-4, которые продлевают его выживаемость в кровообращении и повышают уровень эндогенного активного GLP-1 в плазме.

В дополнение к сложности стимулирующих и ингибирующих экстрапанкреатических факторов секреция глюкагона также регулируется внутри-островковыми факторами (паракринная регуляция), секреция которых, в свою очередь, может зависеть от стимуляции гормонами кишечного происхождения и/или нервными сигналами; эти сигналы включают соматостатин (из δ-клеток) и, возможно, амилин, инсулин, γ-аминомасляную кислоту и цинк (из β-клеток).

Остается неясным, является ли обратная связь глюкагона с α-клетками аутокринной; согласно самым последним исследованиям, α-клетки, по-видимому, не экспрессируют рецепторы глюкагона (GCGRs).

Как уже упоминалось, глюкагон стимулирует секрецию инсулина и таким образом может регулировать свою собственную секрецию через рецепторы инсулина, экспрессируемые на α-клетках.

Однако инсулин, поступающий через артериальное кровоснабжение в α-клетки, также может непосредственно влиять (ингибировать) секрецию глюкагона.

Современные данные свидетельствуют о том , что глюкагон-индуцированная секреция инсулина зависит от его родственного рецептора, но, кроме того, также включает GLP-1R – оба экспрессируются на β-клетках поджелудочной железы.

Помимо печени, глюкагон оказывает дополнительное экстрапанкреатическое действие. Например, большие фармакологические дозы глюкагона подавляют аппетит у человека, но механизм его действия неизвестен (и может включать GLP-1R).

Комбинированные агонисты GCGR и GLP-1R (двойные агонисты) в настоящее время исследуются для лечения ожирения.

Было также высказано предположение, что эффекты глюкагона, снижающие массу тела, связаны с повышенной печеночной секрецией FGF-21, который, в свою очередь , может регулировать потребление сахара, возможно, путем прямого воздействия на гипоталамус (поскольку FGF-21 был обнаружен в спинномозговой жидкости человека).

Наконец, глюкагон может также оказывать влияние на сердце (положительный инотропный и хронотропный эффекты)  и моторику желудочно-кишечного тракта (ингибирующий), по крайней мере, при экзогенном введении в высоких концентрациях.

Таким образом, регуляция секреции глюкагона является сложной задачей, и появилось несколько глубоких обзоров, посвященных этому вопросу.

Далее обсуждаются основные аспекты измерения глюкагона у человека.

Измерение глюкагона сложно, но очень важно для понимания биологии глюкагона

Биомаркер заболевания следует использовать только в том случае, если его измерение соответствует критериям надежности Рихтериха (чувствительность, специфичность, точность и скрупулезность) и стандартным протоколам Института клинических и лабораторных стандартов.

Вся аминокислотная последовательность глюкагона также обнаружена в двух пептидных гормонах, оксинтомодулине и глицентине, которые секретируются из кишечных L-клеток в ответ на поступление питательных веществ.

Однако, оба этих пептида являются с-концевыми удлиненными по сравнению с нативным глюкагоном; таким образом, антитела, связывающиеся со свободным с-концом молекулы глюкагона, в принципе специфичны для панкреатического глюкагона.

Экстрапанкреатическая секреция глюкагона была отмечена после панкреатэктомии у людей (и у собак) с использованием анализов с-концевого глюкагона, которые впоследствии были валидированы с использованием современных методов.

Кроме того, сообщалось, что молекула с молекулярной массой, сходной с молекулярной массой панкреатического глюкагона (3485 МВт), продуцируется в желудочно-кишечном тракте как нескольких видов.

Таким образом, нет никаких сомнений в том, что полностью обработанный глюкагон может секретироваться из экстрапанкреатических участков у человека, по крайней мере при определенных обстоятельствах.

Сообщалось о значительном присутствии в циркуляции N-терминально удлиненного глюкагона (проглюкагон 1-61) у пациентов с почечной недостаточностью; таким образом, измерения глюкагона у пациентов с нарушенной функцией почек могут приводить к завышению секреции эндогенного глюкагона.

Стабильность молекулы глюкагона и чувствительность анализа должны учитываться при разработке исследований и планировании измерений эндогенного глюкагона у человека.

Гиперглюкагонемия и диабет: голова или ноги?

Значение глюкагона в нормальном гомеостазе глюкозы и в патогенезе сахарного диабета остается интенсивно обсуждаемым.

Гиперглюкагонемия наблюдается у большинства, но не у всех пациентов с сахарным диабетом 2 типа во время голодания.

Однако всегда сообщается о начальном отсутствии подавления или гиперсекреции глюкагона во время богатой углеводами еды, и это, как предполагается, указывает на то, что α-клеточный ответ на гипергликемию притупляется, но механизм, лежащий в основе этого эффекта, не был выяснен.

Например, внутривенная инфузия глюкозы (то есть приводящая к таким же концентрациям глюкозы, как и пероральное введение) обычно ингибирует секрецию глюкагона почти нормальным образом у пациентов с сахарным диабетом.

Особую поддержку получили две гипотезы, связанные с глюкагоном для объяснения гормональной дисрегуляции глюкозы плазмы при диабете: бигормональная и глюкагоно-центрическая гипотезы. В glucagonocentric гипотеза был в последнее время очень сильно поддержали несколько исследований, демонстрирующих, что нарушение GCGR сигнализации (генетическими методами, то есть, выбивание с GCGR, или антитела против GCGR), нормализует гипергликемии у животных моделей с сахарным диабетом 1-го (мышей, крыс и обезьян), а также улучшает регулирование глюкозы при сахарном диабете типа 2. Однако острый дефицит глюкагона, вызванный либо острым истощением α-клеток, либо иммунонейтрализацией глюкагона, либо фармакологическим антагонизмом GCGR, не уменьшает гипергликемию при инсулиновой недостаточности. Различия между исследованиями, включающими хроническую делецию или блокировку GCGR, и исследованиями, основанными на острой блокаде, могут быть обусловлены одним из важных последствий антагонизма GCGR: гиперсекрецией и гиперплазией α-клеток. Гиперпластические α-клетки , по-видимому, продуцируют GLP-1. Может также наблюдаться гиперплазия кишечных L-клеток, приводящая к дальнейшей секреции GLP-1. Механизм, посредством которого GLP-1 оказывает понижающее глюкозу действие у животных, неспособных к передаче сигналов глюкагона и секреции инсулина, неясен, но Jun et al. недавно было показано, что мышиная модель диабета 1 типа, дефектная как в GLP-1R, так и в GCGR, демонстрирует повышенную продукцию глюкозы печенью, предполагая, что GLP-1 может влиять на выработку глюкозы в печени независимо от его инсулинотропных и глюкагоностатических свойств. В соответствии с этим недавно было заявлено, что GLP-1 влияет на выработку глюкозы в печени у человека независимо от изменений секреции островковых гормонов.

Степень, в которой дисфункция α-клеток (проявляющаяся в виде гиперглюкагонемии) предшествует снижению секреции инсулина у пациентов с сахарным диабетом 2 типа, неизвестна. В эпидемиологических исследованиях Ahrén et al. смогли продемонстрировать, что начинающееся нарушение толерантности к глюкозе было связано с ослабленным инсулин-индуцированным подавлением секреции глюкагона Проспективные данные об уровне глюкагона в плазме крови у лиц с риском развития сахарного диабета 2 типа (нарушение толерантности к глюкозе и нарушение глюкозы натощак) аналогично предполагают , что гиперсекреция глюкагона происходит очень рано в развитии непереносимости глюкозы.

Гиперглюкагонемия также была обнаружена у пациентов с нейроэндокринными опухолями поджелудочной железы. Интересно, что молекулярная гетерогенность циркулирующих продуктов глюкагон-продуцирующих опухолей, по-видимому, отражает клиническую картину.

Например, более чем десятикратная гиперсекреция глюкагона (3485 МВт) клинически представляет собой классический синдром глюкагона с

• характерным дерматитом, называемым некролитической мигрирующей эритемой (который интересно может быть улучшен путем инфузии аминокислот, см. ниже).

Напротив, более чем десятикратное повышение плазменных концентраций глюкагоноподобной иммунореактивности (GLI), представляющей собой кишечные глюкагон-содержащие продукты расщепления проглюкагона оксинтомодулин и глицентин являющейся результатом измерений с использованием антител бокового обзора, по-видимому, не коррелирует с появлением классического синдрома глюкагономы. Таким образом, «L-клеточное» расщепление (проконвертаза1) проглюкагона в опухоли, которое также приводило к чрезвычайно высоким уровням активного GLP-1 (7-36NH2), было связано с гипогликемией.

Наконец, гиперглюкагонемия, обусловленная N-терминально удлиненными формами молекулы глюкагона, также может быть обнаружена у пациентов с глюкагономой и, как уже упоминалось, у пациентов с почечной дисфункцией. Однако необходимы дальнейшие исследования для выяснения точной молекулярной природы и источника и активности таких N-терминально удлиненных молекул глюкагона.

Гиперглюкагонемия с точки зрения печени

Глюкагон секретируется в воротную вену и оттуда достигает гепатоцитов в более высокой концентрации по сравнению с тем, что можно найти в системном кровообращении.

Глюкагон повышает уровень глюкозы в крови в зависимости от дозы образом сильнодействующими активации в печени производство глюкозы, как показано в клэмп — тесте сознательного ночной пищевой депривации у собак; объем глюкозы печенью выход (NHGO), в основном за счет гликогенолиза, увеличилось с 11 мкмоль/кг/мин до 36 мкмоль/кг/мин в течение 15 мин после вливания глюкагона. Хотя секреция глюкагона может проявлять пульсативность, действие глюкагона на печень, по-видимому, не зависит от пульсации. Циклическая АМФ/протеинкиназа уже давно определена в качестве основных внутриклеточных медиаторов глюкорегуляторных эффектов глюкагона в гепатоцитах путем активации гликогенфосфорилазы, приводящей к усилению гликогенолиза. Хотя глюкагон регулирует ферменты, ответственные за глюконеогенез, включая PEPCK, глюкагон может не быть самым важным регулятором глюконеогенных потоков из-за его неспособности увеличить доставку глюконеогенных аминокислот или глицерина в печень у человека (поскольку GCGRs, по-видимому, не экспрессируются в скелетных мышцах и жировой ткани у человека.

Во время длительного голодания глюкагон может иметь значение для глюконеогенеза не за счет мобилизации необходимых для него предшественников (о которых обычно заботятся кортизол и низкий уровень инсулина), а за счет поддержания глюконеогенных ферментов в оптимальном состоянии.

Важно отметить, что дисфункция печени, наблюдаемая при неалкогольной жировой болезни печени и циррозе, по-видимому, вызывает гиперсекрецию глюкагона независимо от изменений толерантности к глюкозе.

Нокаут рецептора глюкагона вызывает гиперглюкагонемию, гиперплазию α — клеток поджелудочной железы и гипераминоацидемию

Ключевым открытием в биологии глюкагона стало клонирование и характеристика GCGR. У человека экспрессия GCGR в основном обнаруживается в

• печени,
• β-клетках поджелудочной железы,
• почках,
• тонком кишечнике,
• определенных областях мозга и
• сердце.

Интересно, что нарушение передачи сигналов глюкагона вызывает гиперглюкагонемию и гиперплазию α-клеток, как это было продемонстрировано как у нокаутированных GCGR мышей, так и у людей, в том числе с дисфункциональными мутациями GCGR. Также разрушение гена глюкагона приводит к выраженной α-клеточной гиперплазии. Генетическая делеция фермента проконвертазы 2, который нарушает передачу сигналов глюкагона, ослабляя процессинг проглюкагона в глюкагон в α-клетках поджелудочной железы, тем самым снижая уровень глюкагона в плазме, также вызывает умеренную гипогликемию и α-клеточную гиперплазию, которые могут быть обращены вспять путем обеспечения экзогенного глюкагона осмотическими микронасосами.

Интересно, что сообщалось, что у некоторых пациентов с глюкагономой (опухолями, продуцирующими глюкагон) уровень аминокислот очень низок предполагая, что при патологических уровнях глюкагона (до нескольких нмоль/л по сравнению с 4-8 пмоль/л у здоровых людей) печень может всасывать аминокислоты для превращения в мочевину, тем самым вызывая тяжелую гипоаминоацидемию. Хорошо известно, что глюкагон является мощным регулятором печеночного уреагенеза из аминокислот и что иммунонейтрализация глюкагона блокирует этот процесс. Кроме того, N-ацетилглутаматсинтаза (NAGS), продуцирующая N-ацетилглутамат уникальный кофактор, необходимый для катализа первого фермента генеза мочевины карбомилфосфатсинтетаза-1, по-видимому, регулируется на транскрипционном уровне глюкагоном], Кроме того, некоторые ферменты цикла мочевины регулируются на транскрипционном уровне глюкагоном. Таким образом, кажется очевидным, что

глюкагон является основным регулятором уровня аминокислот в плазме. 

Но какова роль аминокислот в биологии и секреции α-клеток? Что касается α-клеточной гиперплазии после делеции рецептора глюкагона, то вскоре было показано, что печеночно-специфическая делеция GCGR также вызывает α-клеточную гиперплазию, и что α-клеточная гиперплазия в островках от нокаутированных мышей GCGR нормализуется после 8 недель имплантации гиперпластических островков мышам дикого типа, предполагая, что гиперплазия была вызвана гуморальным печеночным α-клеточным фактором роста. Дальнейшие исследования показали, что нарушение сигнализации глюкагона делецией гена проглюкагона связано с гипераминоацидемией, а в недавнем исследовании было показано, что экспериментальная гипераминоацидемия может вызывать гиперплазию α-клеток. В совокупности эти исследования предполагают, что нам, возможно, потребуется переосмыслить роль глюкагона как исключительно связанного с метаболизмом глюкозы и что аминокислоты являются недостающим звеном в петле обратной связи, соединяющей печень и α-клетки.

Таким образом, кажется, что новая эра биологии глюкагона только началась.

 Вывод

Биология глюкагона изучалась десятилетиями, но механизмы, регулирующие секрецию глюкагона и ее влияние на такие заболевания, как диабет, остаются дискуссионными. Точная оценка уровня глюкагона в плазме имеет важное значение для выяснения важности повышенного уровня при диабете и других патологических состояниях и была сложной задачей, но в настоящее время появляются более совершенные методы. Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что физиологическая роль глюкагона не ограничивается регуляцией глюкозы в крови, но также охватывает метаболизм аминокислот. Таким образом, кажется, что существует ось печень–α-клетки, где глюкагон регулирует печеночную аминокислоту, а аминокислоты регулируют рост и секрецию α-клеток. Это может объяснить, что условия избытка и дефицита глюкагона оказывают большее влияние на метаболизм аминокислот, чем на метаболизм глюкозы, в то время как нарушения метаболизма аминокислот, в том числе заболевания печени, могут оказывать большее влияние на секрецию α-клеток, чем нарушения метаболизма глюкозы.

Перспектива на будущее

Знание точных механизмов регуляции секреции глюкагона важно для понимания патофизиологии диабета. Гиперглюкагонемия, которая в настоящее время может быть диагностирована с большей уверенностью из-за разработки новых улучшенных методов анализа, может не только отражать нарушение регуляции гомеостаза глюкозы; скорее, это подтверждается недавними данными, он может быть частью гепатопанкреатической системы обратной связи. Таким образом, факторы, которые расцепляют эту системную обратную связь (заболевания печени, диабет, антагонисты GCGR), приводят к компенсаторной гиперсекреции α-клеточного глюкагона. Кроме того, было продемонстрировано, что постпрандиальные реакции глюкагона могут быть получены из желудочно-кишечного тракта. Это поднимает новый важный аспект физиологии и патофизиологии глюкагона – возможно, глюкагон из кишечника более важен для регуляции аминокислот, чем для метаболизма глюкозы.

Мы предполагаем, что в ближайшие годы наступит новая эра с переоценкой глюкагона с его нынешнего положения в основном глюкорегуляторного гормона на аминокислотный регуляторный гормон. Это также говорит о том, что гиперглюкагонемия всякий раз, когда она возникает, должна быть повторно оценена в отношении функции печени и оборота аминокислот. Уже имеются указания на то, что гиперглюкагонемия при сахарном диабете 2 типа действительно может отражать раннюю печеночную дисфункцию. Таким образом, признание новой петли обратной связи печень–α-клетки может оказать значительное влияние на наше понимание парадоксальной гиперсекреции глюкагона у пациентов с сахарным диабетом 2 типа и улучшить наше понимание основной биологии глюкагона.