Institute of Physiology - Post

Zaviralci receptorjev NMDA kot potencialna tarča za zdravljenje sladkorne bolezni tipa 2

By Institute of Physiology on 09. 10. 2021
#Research
Doc. dr. Maša Skelin Klemen, izr. prof. dr. Andraž Stožer

Sladkorna bolezen in njene posledice
Celice beta trebušne slinavke z izločanjem inzulina uravnavajo shranjevanje in uporabo hranil. Relativno ali absolutno pomanjkanje inzulina se kaže v sladkorni bolezni (SB), ki postaja eden največjih javnozdravstvenih problemov današnjega sveta. SB prizadene več kot 460 milijonov ljudi po svetu, po pričakovanjih pa bo do leta 2045 število bolnikov s SB naraslo na 700 milijonov [1]. Več kot 90 % bolnikov s SB ima SB tipa 2 (SB2), pri kateri pride zaradi zmanjšane občutljivosti tarčnih tkiv (jeter, mišic, maščevja) na inzulin do kronično povišane koncentracije glukoze v krvi (hiperglikemije). Ta fenomen imenujemo inzulinska rezistenca, njen razvoj pa je najpogosteje posledica debelosti in nezdravega načina življenja. Celice beta v začetni fazi razvoja bolezni inzulinsko rezistenco še uspešno kompenzirajo s povečanim izločanjem inzulina, sčasoma pa pride do propadanja celic beta in izločanje inzulina postane nezadostno za presnovne potrebe organizma. Zvišana koncentracija glukoze v krvi, ki je značilna za sladkorne bolnike, dolgoročno privede do razvoja komplikacij, ki vključujejo poškodbe žil večjega in manjšega premera zaradi močno pospešene ateroskleroze ter okvaro žilne stene kapilar. Omenjeno najpogosteje vodi v okvare oči in vida (retinopatijo, sivo mreno), ledvic (nefropatijo), živčevja (nevropatijo) in srčno-žilne zaplete (srčni infarkt, možgansko kap, periferno arterijsko bolezen). Slednji so tudi najpogostejši vzrok smrti pri bolnikih s SB2.  


Terapija sladkorne bolezni tipa 2
Cilj zdravljenja SB je uravnavanje koncentracije glukoze v krvi, s čimer preprečimo ali odložimo razvoj omenjenih zapletov. Temeljni ukrep zdravljenja SB2 je uvedba zdravega življenjskega sloga, ki vključuje uživanje zdrave hrane in zadostno telesno dejavnost. V kolikor nefarmakološke metode zdravljenja ne zadostujejo, je zdravljenje SB2 potrebno nadgraditi s farmakološko terapijo. Bolnikom so na voljo številna zdravila z različnimi mehanizmi delovanja (slika 1). Nekatera med njimi, kot na primer sulfonilsečnine, so sposobna aktivacije t. i. sprožilne poti v celicah beta, kar ima za posledico povečano izločanje inzulina [2]. Ker sulfonilsečnine vzpodbujajo izločanje inzulina neodvisno od koncentracije glukoze v krvi, pri njihovi uporabi obstaja nevarnost, da koncentracija glukoze v krvi pade prenizko (hipoglikemija). Poleg sulfonilsečnin izločanje inzulina spodbujajo tudi inkretini. Ti so telesu lastni polipeptidni hormoni, ki se izločajo iz prebavnega trakta in pri zdravem človeku močno stimulirajo izločanje inzulina po obroku. Za zdravljenje SB2 se uporabljajo analogi inkretinov in zaviralci encimov, ki razgrajujejo endogeno izločene inkretine. Njihova prednost pred sulfonilsečninami je ta, da delujejo samo ob prisotnosti povišane koncentracije glukoze in zato ne povzročajo neželenih hipoglikemij. Poleg zdravil, ki stimulirajo izločanje inzulina, so v farmakoterapiji SB2 na voljo tudi učinkovine, ki znižujejo inzulinsko rezistenco. Metformin, ki spada v skupino bigvanidov, je najpogosteje predpisano zdravilo in zdravilo prvega izbora za bolnike s SB2. Ker poveča privzem glukoze v jetra in mišice, znižuje inzulinsko rezistenco, hkrati pa zmanjša tudi privzem glukoze v prebavilih. Vse omenjeno vodi v znižanje koncentracije glukoze v krvi neodvisno od izločenega inzulina, zato pri njegovi uporabi ni nevarnosti pojava hipoglikemije. 
Najnovejša skupina zdravil za zdravljenje SB2, ki so v klinični uporabi šele zadnjih nekaj let, so zaviralci natrij-glukoznega prenašalnega sistema 2 (SGLT-2). Glukoza se v glomerulih ledvic prosto filtrira. Pri zdravih posameznikih se v proksimalnem tubulu ledvic glukoza nato skoraj v celoti reabsorbira. Na ta način ledvice preprečijo izgubo glukoze z urinom. Če je koncentracija glukoze v krvi visoka (> 11 mmol/l), je presežen prag reabsorpcijske sposobnosti ledvic za glukozo, zato se glukoza več ne more v celoti reabsorbirati in se prične izločati z urinom (glukozurija). Na tak način ledvice preprečijo nadaljnje naraščanje hiperglikemije in njene škodljive učinke. 80 – 90 % celotne reabsorbcije glukoze v ledvicah poteka s pomočjo SGLT-2. Pri bolnikih s SB2 se število SGLT-2 poveča, zato se sposobnost reabsorpcije glukoze v proksimalnih tubulih ledvic poveča, kar vodi v še dodatno povišanje glukoze v plazmi [3]. Zaviralci SGLT-2 delujejo tako, da zavirajo delovanje SGLT-2 in tako znižajo količino v ledvicah reabsorbirane glukoze. Ker se več glukoze izloči z urinom, se koncentracija glukoze v krvi zniža. Zaviralci SGLT-2, prav tako kot bigvanidi, delujejo neodvisno od izločanja inzulina, zato ne povečajo tveganja za hipoglikemijo. Poleg antihiperglikemičnega delovanja imajo zaviralci SGLT-2 tudi druge pozitivne učinke, saj med drugim znižujejo telesno maso, arterijski tlak in ugodno delujejo na srčno-žilni sistem. 

Slika 1: Glavni koraki v uravnavanju transporta in koncentracije glukoze v krvi po obroku in mesta delovanja antidiabetičnih učinkovin. Številke označujejo zaporedje dogodkov. * Do izločanja glukoze z urinov pride, ko je koncentracija glukoze v krvi >11 mmol/l. 

Potencialne nove tarče v terapiji sladkorne bolezni tipa 2
Kljub celotni farmakološki terapiji, ki je trenutno na voljo za obvladovanje SB2, pa urejenost glikemije pri bolnikih s SB2 še zdaleč ni optimalna, kar zahteva razvoj novih antihiperglikemičnih zdravil. To je zelo dolgotrajen, drag in pogosto neučinkovit proces, saj zelo malo učinkovin prestane vse faze testiranja, ki so potrebne, preden se zdravilo znajde na tržišču.

Pred slabim desetletjem smo raziskovalci Inštituta za fiziologijo Medicinske fakultete Univerze v Mariboru pričeli sodelovati s skupino prof. Eckharda Lammerta z Univerze Heinrich Heine v Düsseldorfu in Nemškega centra za diabetes (nem. Deutsches Zentrum für Diabetes), ki je kot potencialno antidiabetično učinkovino proučevala že dobro poznano in na tržišču prisotno substanco dekstrometorfan (DXM). Gre za derivat morfija, ki se hitro resorbira v prebavnem traktu in se v jetrih pretvori v aktivno obliko dekstrorfan (DXO). Najpogosteje se uporablja kot zaviralec kašlja in ga najdemo v zdravilih za prehlad in kašelj, ki so na tržišču na voljo v prosti prodaji. Ker je v raziskavi šlo za zdravilo, ki je že prestalo vse klinične faze testiranja, je pot do uporabe takšnega zdravila za druge namene enostavnejša. V študiji, ki je bila leta 2015 objavljena v odmevni reviji Nature Medicine (dejavnik vpliva, IF=36,13*), smo pokazali, da ta učinkovina, ki deluje kot zaviralec glutamatnih receptorjev iz skupine NMDA, spodbuja celice beta trebušne slinavke k večji aktivnosti in s tem k izločanju večje količine inzulina [4]. Slednje značilno zniža koncentracijo glukoze v krvi. Znižanje koncentracije glukoze v krvi se je ob uporabi DXM in njegovega metabolita DXO pokazalo tako pri diabetičnem modelu laboratorijskih miši, kot v s placebom kontroliranani, dvojno slepi in randomizirani klinični raziskavi, v katero so bili vključeni bolniki s SB2. Ker pri bolnikih s SB2 dolgotrajna stimulacija celic beta trebušne slinavke ščasoma privede do njihovega propadanja in s tem do vedno manjšega izločanja inzulina, je eden od poglavitnih ciljev razvoja novih antidiabetičnih zdravil tudi preperečiti dolgoročni propad celic beta in povrniti njihovo funkcijo. Študija je pokazala, da zaviralci NMDA receptorjev ohranijo maso celic beta in ščitijo Langerhansove otočke trebušne slinavke pred propadom. V raziskavi, ki smo jo v s sodelavci inštituta za fiziologijo objavili letos v reviji Plos Computational Biology (IF=4,7*), pa smo pokazali, da antagonisti receptorjev NMDA celice beta stimulirajo k večji aktivnosti tudi tako, da sinhronizirajo in stabilizirajo njihovo delovanje [5].

Kljub pozitivnim antidiabetičnim učinkom pa ima DXM tudi neželene stranske učinke, zaradi katerih kot tak ni primeren za terapijo SB2. Ker prehaja krvno možgansko bariero, lahko povzroča omotičnost, utrujenost in slabost, hkrati pa pri pacientih, ki substanco uživajo, obstaja veliko tveganje za odvisnost. Zaradi omenjenih neželenih stranskih učinkov so se nemški raziskovalci odločili, da bodo substanco modificirali na tak način, de ne bo prehajala krvno možganske bariere in tako ne bo povzročala neželenih učinkov v centralnem živčnem sistemu, ampak bo delovala samo periferno, s čimer bi se pozitivni antidiabetični učinki ohranili. Potrebnih je bilo veliko kemijskih modifikacij molekule in izmed več kot sto substanc se je za eno (Lam39M) izkazalo, da zelo slabo prehaja v možgane, hkrati pa ima še vedno močne periferne učinke. Tudi tokrat smo bili s strani nemških kolegov povabljeni k raziskavi, v kateri smo nato z elektrofiziološkimi meritvami in meritvami dinamike znotrajcelične koncenracije kalcija s pomočjo konfokalne mikroskopije z veliko časovno in prostorsko ločljivostjo pokazali, da modifikacija antagonista receptorja NMDA, ki deluje samo periferno, poveča aktivnost celic beta na enak način kot izvorna substanca (slika 2). Prav tako pa se ohranijo protektivne lastnosti učinkovine, saj se na račun upočasnjenega propada poveča preživetje celic beta trebušne slinavke [6]. Izsledki raziskave, pri kateri smo sodelovali doc. dr. Maša Skelin Klemen, doc. dr. Jurij Dolenšek, asist. Viljem Pohorec in izr. prof. dr. Andraž Stožer iz Medicinske fakultete Univerze v Mariboru, so bili letos objavljeni v reviji z visokim faktorjem vpliva Cell Chemical Biology (IF=7,739*). Seveda pa bodo potrebne še dodatne klinične raziskave, preden bi lahko prišlo do potencialne uporabe učinkovine Lam39M za zdravljenje SB2.

Slika 2: Učinek zaviralcev receptorjev NMDA na membranski potencial (A) in dinamiko znotrajcelične koncentracije kalcija (B) v celicah beta trebušne slinavke. Na slikah A in B se vidi podaljšanje trajanja izbruhov aktivnosti, med katerimi celice beta izločajo inzulin.

*Podatki so za leto 2019.

Viri
1. IDF Diabetes Atlas, 9th ed.; International Diabetes Federation 2019.
2. Skelin Klemen, M.; Dolenšek, J.; Slak Rupnik, M.; Stožer, A. The triggering pathway to insulin secretion: Functional similarities and differences between the human and the mouse β cells and their translational relevance. Islets 2017, 9, 109-139, doi:10.1080/19382014.2017.1342022.
3. Kalra, S.; Singh, V.; Nagrale, D. Sodium-Glucose Cotransporter-2 Inhibition and the Glomerulus: A Review. Adv Ther 2016, 33, 1502-1518, doi:10.1007/s12325-016-0379-5.
4. Marquard, J.; Otter, S.; Welters, A.; Stirban, A.; Fischer, A.; Eglinger, J.; Herebian, D.; Kletke, O.; Klemen, M.S.; Stozer, A., et al. Characterization of pancreatic NMDA receptors as possible drug targets for diabetes treatment. Nat Med 2015, 21, 363-372, doi:10.1038/nm.3822.
5. Šterk, M.; Križančić Bombek, L.; Skelin Klemen, M.; Slak Rupnik, M.; Marhl, M.; Stožer, A.; Gosak, M. NMDA receptor inhibition increases, synchronizes, and stabilizes the collective pancreatic beta cell activity: Insights through multilayer network analysis. PLOS Computational Biology 2021, 17, e1009002, doi:10.1371/journal.pcbi.1009002.
6. Scholz, O.; Otter, S.; Welters, A.; Wormeyer, L.; Dolensek, J.; Klemen, M.S.; Pohorec, V.; Eberhard, D.; Mrugala, J.; Hamacher, A., et al. Peripherally active dextromethorphan derivatives lower blood glucose levels by targeting pancreatic islets. Cell Chem Biol 2021, 10.1016/j.chembiol.2021.05.011, doi:10.1016/j.chembiol.2021.05.011.




Are you sure you want to do this?

Are you sure you want to delete this post?