CC BY
74
современные представления о популяции а-клеток
поджелудочной железы и их роли в патогенезе
сахарного диабета
А.С. Плюшкина, М.С. Калигин
Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия
Current ideas about the а-cells population and their role in the pathogenesis of diabetes mellitus
A.S. Plushkina, M.S. Kaligin
Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia
Сахарный диабет является глобальной проблемой современной медицины . Во всем мире активно ведутся исследовательские работы по изучению данного заболевания с целью поиска новых эффективных методов терапии . Многочисленные исследования последних лет свидетельствуют о немаловажной роли глюкагона — гормона, вырабатываемого а-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, в патогенезе гипергликемии при сахарном диабете В этом обзоре проанализированы современные представления об особенностях образования и дифферен-цировки а- и р-клеток поджелудочной железы . Особое внимание уделено популяции а-клеток и их роли в развитии гипергликемии при сахарном диабете
Ключевые слова: поджелудочная железа, сахарный диабет, глюкагон, а-клетки .
Diabetes mellitus is a global problem of modern medicine . All over the world scientists are study this disease in order to find new and effective therapies . Numerous studies in recent years show very important role of glucagon, a hormone produced by a-cells of pancreas, in the pathogenesis of hyperglycemia in diabetes mellitus . The review analyzed current ideas about the features of the formation and differentiation of a- and p-cells of the pancreas . Particular attention is given to a-cells population and their role in the development of hyperglycemia in diabetes mellitus
Keywords: pancreas, diabetes mellitus, glucagon, a-cells
В последнее время отмечается большой подъём заболеваемости сахарным диабетом (СД) . На сегодняшний день по всему миру болеет более 360 млн человек. Согласно прогнозам, к 2030 г . число людей, страдающих сахарным диабетом, возрастет еще на 50,7% [1]. Кроме того, СД имеет большую социальную значимость, поскольку приводит к ранней инвалидизации и сопровождается высокой летальностью . Причиной этого являются осложнения заболевания, при которых происходит поражение сосудов жизненно важных органов: почек, сердца, конечностей и др
СД I типа представляет собой хроническое заболевание эндокринной части поджелудочной железы (ПЖ) . Причиной заболевания является поражение эндокринной части органа, а именно р-клеток островков Лангерганса . В результате развиваются хроническая инсулиновая недостаточность и гипергликемия [2]
В последние десятилетия активно ведутся работы по изучению регенерации инсулоцитов с целью возможности восстановления популяции р-клеток . В качестве источников р-клеток могут выступать клетки эпителия протоков поджелудочной железы , а также ацинарные клетки и эндокринные клетки островков [3—5]. Однако было показано, что при экспериментальном диабете у крыс, наряду с повреждением и количественным уменьшением р-клеток, отмечается увеличение популяции а-клеток [6].
Еще в 1970 г . R . Н . ипдег выдвинул гипотезу, согласно которой сахарный диабет является бигор-мональным заболеванием . Таким образом, гипергликемия при СД возникает не только вследствие недостатка инсулина, вырабатываемого р-клетками островков Лангерганса, но и избытка глюкагона, выделяемого а-клетками [7]. Результаты многочисленных исследований последних лет показывают немаловажную роль глюкагона в патогенезе сахар-
е-таП: оЬ_а1еха@таП . ги
ного диабета, который вызывает повышение уровня глюкозы в крови путем стимуляции гликогенолиза в печени и глюконеогенеза . Глюкагон подавляет секрецию инсулина р-клетками, в то время как инсулин угнетает экспрессию глюкагона и его высвобождение из а-клеток [8, 9].
Дифференцировка а-клеток ПЖ происходит под влиянием различных факторов . Известно, что глюкагоноподобный пептид (GLP-1) синтезируется в L-клетках кишечника . В норме дифференцированные а-клетки поджелудочной железы продуцируют глюкагон, а GLP-1 определяется в незначительном количестве . Однако в ответ на повреждение, р-клетки вырабатывают SDF-1 (stromal cell-derived factor-1) — один из факторов, который действует на недифференцированные клетки-предшественницы а-клеток, которые начинают активно экспрессировать GLP-1 одновременно с глюкагоном . Таким образом, а-клетки, по всей видимости, обладают необычайной пластичностью и способны переключаться между производством глюкагона и GLP-1 в зависимости от относительного уровня прогормонов-конвертаз PC2 и PC1/3 . Так, дифференцированные а-клетки экспрессируют только PC2 и производят глюкагон, тогда как недифференцированные про-а-клетки экспрессируют PC1/3 и PC2, а также производят GLP-1 и глюкагон [10, 11].
Исследования показали, что гиперплазия а-клеток, сопровождающаяся выраженной экспрессией GLP-1 играет неотъемлемую роль в регенерации р-клеток . Глюкагоноподобный пептид также способствует подавлению секреции глюкагона . Таким образом, GLP-1-индуцированная стимуляция инсулина и подавление глюкагона в равной степени способствуют снижению гликемии при СД [12—14].
Во всех эндокринных клетках поджелудочной железы экспрессируется ген Pax-6 . В а-клетках он необходим для экспрессии гена глюкагона (Gcg) и регулирует превращение проглюкагона в глюкагон .
ОБЗОРЫ
21
Показано, что после подавления или удаления Pax-6 у мышей, уровень мРНК глюкагона сильно снижается [15]. Было отмечено, что Pax-6 может влиять и на продукцию глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1) [16]. Для дифференцировки а-клеток очень важны такие специфические факторы как Pax6, FoxA 2 и Arx . У мутантных мышей с недостатком Pax6, а также FoxA 2 а-клетки отсутствовали или были представлены в небольшом количестве [16]. Недостаток Arx приводит к истощению а-клеток поджелудочной железы у рыб, мышей и человека [17, 18].
При избыточной экспрессии Pax4 и нарушении экспрессии Arx в поджелудочной железе мыши происходит истощение а-клеток и соответственно снижается производство глюкагона, а масса р-кпеток значительно увеличивается [19]. Таким образом, возможно переключение а-клеток на функционирование по типу р-клеток, то есть а-клетки могут перепрограммироваться в р-клетки .
В исследовании на мышах было показано, что в условиях избыточной экспрессии Pax4 происходит восьмикратное увеличение количества Р-клеток за счет их дифференцировки из а-клеток-предшественниц . При этом количество а-клеток значительно снижается При системном введении глюкагона этим животным наблюдалось уменьшение образования прогениторных клеток, и соответственно, образование новых р-клеток . Эти наблюдения указывают на возможность того, что глюкагон, как продукт зрелых, полностью дифференцированных а-клеток, ингибирует образование клеток-предшественников а-клеток и их последующую дифферен-цировку в р-клетки [20].
В а-клетках взрослой поджелудочной железы экспрессируется Maf-B (musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog-B), однако в период развития встречается и в а-, и р-клетках . Тогда как Maf-A экспрессируется только в зрелых р-клетках . В работе на мышах, которые были лишены Maf-B, показано, что этот фактор регулирует основные этапы дифференцировки обоих типов клеток: и инсулин-, и глюкагон-продуцирующих [21, 22].
В эмбриональном периоде отдельные эндокринные клетки поджелудочной железы вначале способны одновременно синтезировать несколько гормонов, например инсулин и глюкагон, и лишь позднее они дифференцируются в узкоспециализированные эндокринные клетки [23]. Из этого было сделано предположение, что в поджелудочной железе изначально существует мультигормональная клетка-предшественница [24]
Количество инсулин- и глюкагон-позитивных клеток в островках Лангерганса возрастает в процессе пренатального развития поджелудочной железы и является максимальным через 2 мес после рождения . Причём экспрессия глюкагона впервые наблюдалась на сроке 8,5 нед гестации в клетках эпителия протоков поджелудочной железы, а инсулина — только на сроке 11,5 нед . гестации в клетках эпителия протоков и в формирующихся островках . Были обнаружены клетки, одновременно экспресси-рующие С-kit (рецептор фактора стволовых клеток) и инсулин Более того, такие клетки были выявлены не только у плодов человека, но и в поджелудочной железе новорожденных Также с помощью двойного иммуногистохимического окрашивания было подтверждено предположение, что C-kit-позитивные клетки могут дифференцироваться не только в
Р-кпетки, но и в а-клетки . Причём эта дифферен-цировка начинается ещё в эпителии протоков, где с 8,5 нед . обнаружены С-к^-позитивные клетки, экс-прессирующие глюкагон . На последующих сроках в островках также находили С-к^-позитивные клетки, содержащие глюкагон . На сроке 8,5 нед . одновременно с С-к^-позитивными клетками, экспрессиру-ющими глюкагон, в клетках эпителия протоков было обнаружено образование м-РНК к проинсулину . При этом экспрессия инсулина определялась на сроке 11,5 нед . гестации. На сроке 11,5 нед . внутриутробного развития в островках были обнаружены клетки, одновременно синтезирующие и инсулин, и глюка-гон и сохраняющиеся в островках и после рождения Результаты этого исследования позволяют сделать вывод, что популяция С-к^-позитивных клеток может служить общим источником как р- так и а-клеток, которые сначала синтезируют глюкагон, а затем и инсулин [25].
В экспериментальной работе на крысах было показано, что после повреждения р-клеток аллоксаном в крови повышается уровень глюкозы, что является стимулом для активации стволового компартмента островков . На мембране клеток-предшественниц островков появляется С-к^, который связывается со своим лигандом — фактором стволовых клеток, что запускает процесс дифференцировки С-к^+ клеток . Причем это происходит через стадию С-к^+/ глюкагон+ клеток . Далее С-к^+-клетки синтезируют глюкагон и инсулин. Постепенно клетки становятся только инсулин-продуцирующими [6].
Эта дифференцировка очень напоминает пре-натальное развитие эндокриноцитов, когда С-к^+ клетки протоков ПЖ начинают первым синтезировать глюкагон с 8,5 нед . гестации, а затем в этих же клетках синтезируется инсулин. Также в островках имеются С-к^+ клетки одновременно синтезирующие глюкагон и инсулин . Таким образом, результаты этого исследования опровергают данные о том, что развитие популяций р- и а-клеток происходит независимо друг от друга . Наоборот, они подтверждают, что существует одна общая клетка-предшественница Р и а-клеток островков поджелудочной железы . По мере дифференцировки эндокринных клеток количество С-к^ на мембране уменьшается, и образуются дифференцированные эндокриноциты . Обнаружение одной клетки-предшественницы для р- и а-клеток поджелудочной железы, которая сначала синтезирует глюкагон, а затем и инсулин, требует дальнейшего изучения и пересмотра патофизиологических основ сахарного диабета I типа . Ученые предполагают, что при сахарном диабете I типа гипергликемия является следствием не только недостатка инсулина, но и избытка глюкагона . То есть клетки-предшественницы начинают дифференцироваться, чтобы восполнить недостаток инсулина. При этом они сначала начинают синтезировать глюкагон, который еще более усугубляет ситуацию . То, что С-к^+ клетки способны дифференцироваться в а- и р-клетки ПЖ позволяет утверждать, что именно этот маркёр является истинным для клеток-предшественниц эндокриноцитов, что открывает перспективы для разработки новых методов лечения сахарного диабета I типа путём трансплантации С-к^+ клеток ПЖ, которые будут синтезировать гормоны и корректировать нарушения углеводного обмена [6] Учеными было замечено, что при экспериментальном аллоскановом диабете у крыс в островках ПЖ и ацинусах появляются и
увеличиваются количественно десмин-позитивные звёздчатые клетки . Эти клетки по своему фенотипу и свойствам очень напоминают звёздчатые клетки печени клетки обеих популяций накапливают витамин А, секретируют широкий спектр факторов роста, синтезируют макромолекулы межклеточного вещества В литературе встречаются данные о том, что эти клетки могут быть источником развития эн-докриноцитов [26] По мнению авторов, звёздчатые клетки обеспечивают необходимое микроокружение для дифференцировки С-к^- позитивных клеток в эндокриноциты Таким образом, авторы делают предположение, что при аллоксановом диабете происходит активация звёздчатых клеток ПЖ, которые начинают синтезировать факторы роста и цитокины Синтезированные факторы роста взаимодействуют с рецепторами прогениторных клеток, в частно-
сти с рецептором фактора стволовых клеток С-к^ . Это взаимодействие приводит к дифференцировке С-к^+ клеток в р-кпетки через стадию глюкагон-про-дуцирующих клеток [27, 28].
Также в исследовании на рыбах учеными была продемонстрирована трансдифференцировка а- в Р-клетки . Результаты этой работы свидетельствуют, что для запуска этого процесса необходима активация гена глюкагона [29].
Таким образом, действие глюкагона, синтезируемого а-клетками островков Лангерганса ПЖ, можно расценивать как один из патогенетических факторов СД В клинической практике врачей необходимо особое внимание обращать на уровень глюкагона в крови . А дальнейшее изучение а-клеток и выделяемого ими гормона откроет новые перспективы в терапии СД
ЛИТЕРАТУРА:
I. Whiting D . R . , Guariguata L ., Weil C . et al . IDF diabetes atlas: global estimates of the prevalence of diabetes for 2011 and 2030 . Diabetes Res . Clin . Pract . 2011; 94(3): 311-21.
2 . Потемкин В . В . Эндокринология . М: Медицина; 1999: 488-95 .
3 . Ramiya V . К ., Maraist M ., Arfors К . E . et al . Reversal of insulin-dependent diabetes using islets generated in vitro from pancreatic stem cells . J . Nat . Med . 2000; 6: 278-82 .
4 . Yamada S ., Kojma I . Regenerative medicine of the pancreatic в cells . J . Hepatobiliary Pancreat . Surg . 2005; 12: 218-26 .
5 . Gu G ., Dubauskaite J . , Melton D . A . Direct evidence for the pancreatic lineage: NGN3+ cells are islet progenitors and are distinct from duct progenitors . J . Dev . 2002; 129: 2447-57 .
6 . Плюшкина А. С ., Калигин М . С . , Андреева Д . И . и др . C-kit-позитивные клетки островков поджелудочной железы крысы как клетки-предшественницы эндокриноцитов при аллоксановом диабете . Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2012; 7(3): 138-41.
7 . Unger R . H ., Aguilar-Parada E ., Müller W .A . et al . Studies of pancreatic alpha cell function in normal and diabetic subjects J Clin Invest . 1970; 49(4): 837-48 .
8 . Kawai К ., Yokota C ., Ohashi S . et al . Evidence that glucagon stimulates insulin secretion through its own receptor in rats . Diabetologia 1995; 38: 274-6 .
9 . Kawamori D . , Kulkarni R . N . Insulin modulation of glucagon secretion:the role of insulin and other factors in the regulation of glucagon secretion Islets 2009; 1: 276-9
10 . Joel H . F., Stanojevic V . a-cell role in ß-cell generation and regeneration Islets . Landes Bioscience 2012; 4: 188-98 .
II. Kilimnik G . , Kim A ., Steiner D . F . et al . Intraislet production of GLP-1 by activation of prohormone convertase 1/3 in pancreatic a-cells in mouse models of ß-cell regeneration . Islets 2010; 2(3): 149-55 .
12 Donath Marc Y , Burcelin R GLP-1 Effects on Islets: Hormonal, Neuronal, or Paracrine? Diabetes Care 2013; 36(2): 145-8 .
13 . Hansen A. M . K ., Bödvarsdottir Т. B . , Nordestgaard N . E . et al . Upregulation of alpha cell glucagon-like peptide 1 (GLP-1) in Psammomys obesus — an adaptive response to hyperglycaemia? Diabetologia 2011; 54: 1379-87 .
14 Holst J J , Christensen M , Lund A et al Regulation of glucagon secretion by incretins . Diabetes Obes . Metab . 2011; 13(1): 89-94
15 . Gosmain Y ., Cheyssac C . , Masson M . H . et al . Pax6 is a key component of regulated glucagon secretion Endocrinology 2012; 153(9): 4204-15 .
16 Gosmain Y , Marthinet E , Cheyssac C et al Pax6 controls the expression of critical genes involved in pancreatic {alpha} cell differentiation and function . J . Biol . Chemistry 2010; 285(43): 33381-93 .
17 . Mastracci, Т . L ., Wilcox, C . L ., Arnes, L . et al . Nkx2 . 2 and Arx genetically interact to regulate pancreatic endocrine cell development and endocrine hormone expression . Dev. Biol . 2011; 359: 1-11.
18 Djiotsa, J , Verbruggen, V , Giacomotto, J , et al Pax4 is not essential for beta-cell differentiation in zebrafish embryos but modulates alphacell generation by repressing arx gene expression . BMC Dev . Biol . 2012; 12-37 .
19 Collombat P , Mansouri A , Hecksher-Sorensen J et al Opposing actions of Arx and Pax4 in endocrine pancreas development Genes and Dev . 2003; 17(20): 2591-603 .
20 . Collombat P ., Xu X ., Ravassard P . et al . The ectopic expression of Pax4 in the mouse pancreas converts progeni—.tor cells into alpha and subsequently beta-cells . Cell 2009; 138: 449-62 .
21. Nishimura W ., Kondo T ., Salameh T . et al . A switch from MafB to MafA expression accompanies differentiation to pancreatic beta-cells Dev Biol 2006; 293: 526-39
22 . Cheng-ho Chung,Ergeng H ., Piran R . et al . Pancreatic b-Cell Neogenesis by Direct Conversion from Mature a-Cells Stem Cells 2010; 28: 1630-8 .
23 . De Krijger R . R ., Aanstoot H .J ., Kranenburg G . et al .The midgestational human fetal pancreas contains cells coexpressing islet hormones J . Dev . Biol . 1992; 153: 368-75 .
24 . Jensen J ., Heller R . S ., Funder-Nielsen T . et al . Independent development of pancreatic a- and ß-cells from neurogenin3-expressing precursors a role for the notch pathway in repression of premature differentiation J . Diabetes . 2000; 49: 163-76 .
25 . Калигин М . С . , Гумерова А . А, Титова М . А . и соавт . C-kit маркёр стволовых клеток эндокриноцитов поджелудочной железы . Морфология 2011; 140 (4): 32-7 .
26 Kordec C , Sawitza I et al Stellate cells from rat pancreas are stem cells and can contribute to liver regeneration . PloS ONE 2012; 12: 51878 .
27 . Калигин М . С ., Плюшкина А. С ., Титова А.А. и др . C-kit и десмин-позитивные клетки островков поджелудочной железы при экспериментальном диабете у крыс . Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2013; 8 (3):113-5 .
28 . Плюшкина А. С ., Калигин М . С . Возможности использования стволовых клеток в лечении сахарного диабета Гены и клетки 2014; 9 (3): 22-4 .
29 Lihua Ye, Morgan A R , Daniel Hesselson et al Glucagon is essential for alph cell transdifferentiation and beta cell neogenesis Dev . 2015; 142: 1407-17 .
Поступила: 01.12.2015
