Hiperglikemia w cukrzycy
Patofizjologia i mechanizm
Hiperglikemia w cukrzycy jest wynikiem zaburzeń metabolicznych obejmujących niedobór insuliny i insulinooporność, prowadząc do podwyższonego stężenia glukozy we krwi. W cukrzycy typu 1 hiperglikemia wynika z autoimmunologicznego zniszczenia komórek β trzustki i bezwzględnego niedoboru insuliny, natomiast w cukrzycy typu 2 dominuje względny niedobór insuliny oraz oporność tkanek na jej działanie. Kluczową rolę odgrywa nieprawidłowa regulacja wątrobowej produkcji glukozy, zwłaszcza zwiększona glukoneogeneza, oraz zaburzenia w interakcji między komórkami α i β wysp trzustkowych, prowadzące do hiperglukagonemii. Hiperglikemia indukuje stres oksydacyjny, aktywację kinazy białkowej C (PKC) oraz powstawanie zaawansowanych produktów glikacji (AGE), co skutkuje dysfunkcją śródbłonka, stanem zapalnym i progresją powikłań mikro- i makronaczyniowych, takich jak retinopatia, nefropatia, neuropatia oraz choroby sercowo-naczyniowe. Wartości glikemii w hiperglikemii mogą być znacznie podwyższone, co w ostrych stanach, jak kwasica ketonowa (DKA), prowadzi do hiperglikemii, kwasicy ketonowej i ketonurii, wymagających natychmiastowej interwencji.
- Patogeneza hiperglikemii w cukrzycy
- Podstawowe mechanizmy powstawania hiperglikemii
- Zaburzenia produkcji glukozy w wątrobie
- Rola hormonów przeciwregulujących
- Molekularne mechanizmy hiperglikemii
- Stres oksydacyjny i zapalenie
- Zaawansowane produkty glikacji (AGE)
- Aktywacja kinazy białkowej C (PKC)
- Szlak polioli i heksozamin
- Glukotoksyczność i jej konsekwencje
- Hiperglikemia w różnych typach cukrzycy
- Kliniczne konsekwencje hiperglikemii
Patogeneza hiperglikemii w cukrzycy
Hiperglikemia w cukrzycy jest stanem podwyższonego stężenia glukozy we krwi, który wynika z złożonych zaburzeń metabolicznych. Stanowi ona kluczowy marker cukrzycy, niezależnie od jej typu, i jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za rozwój powikłań mikro- i makronaczyniowych. Hiperglikemia powstaje w wyniku zwiększonej produkcji glukozy w wątrobie oraz upośledzenia wykorzystania glukozy w tkankach obwodowych.12
Podstawowe mechanizmy powstawania hiperglikemii
Niedobór insuliny i insulinooporność to fundamentalne mechanizmy prowadzące do hiperglikemii. W cukrzycy typu 1 mamy do czynienia z bezwzględnym niedoborem insuliny spowodowanym autoimmunologicznym zniszczeniem komórek β trzustki, natomiast w cukrzycy typu 2 obserwuje się zarówno względny niedobór insuliny, jak i oporność tkanek na jej działanie.34
Hiperglikemia w cukrzycy rozwija się, gdy wydzielanie insuliny nie jest w stanie skompensować insulinooporności. W przypadku cukrzycy typu 2, gdy trzustka nie jest w stanie produkować wystarczającej ilości insuliny lub organizm nie reaguje prawidłowo na produkowaną insulinę, glukoza gromadzi się we krwi, zamiast być transportowana do komórek.56
W cukrzycy typu 1 układ odpornościowy atakuje komórki wytwarzające insulinę w trzustce z nieznanych przyczyn. Oznacza to, że trzustka nie może już wytwarzać insuliny, co prowadzi do hiperglikemii.7
Zaburzenia produkcji glukozy w wątrobie
Wątroba odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu homeostazy glukozy, kontrolując poposiłkowe stężenie węglowodanów poprzez hamowanie produkcji glukozy w wątrobie (HGP) i stymulowanie odkładania glukozy w postaci glikogenu. W cukrzycy dochodzi do nieprawidłowej regulacji tych procesów.8
U pacjentów z cukrzycą typu 2 insulina nie może regulować wątrobowej syntezy glikogenu ani produkcji glukozy, a zwiększona glukoneogeneza w wątrobie jest główną przyczyną hiperglikemii na czczo w tej chorobie.9 Defekt w hamowaniu wątrobowej glukoneogenezy w insulinooporności jest w dużej mierze związany z zaburzeniami lipolizy w tkance tłuszczowej i brakiem hamowania czynnika transkrypcyjnego FOXO1 w wątrobie.10
Badania wykazały, że wiodącą przyczyną hiperglikemii w cukrzycy typu 2 jest niepowodzenie insuliny w hamowaniu produkcji glukozy poprzez glikolizę i glukoneogenezę z powodu insulinooporności.11
Rola hormonów przeciwregulujących
W patogenezie hiperglikemii istotną rolę odgrywają również hormony przeciwregulujące (glukagon, kortyzol, katecholaminy i hormon wzrostu). Zmniejszona ilość insuliny i nadmiar hormonów przeciwregulujących zwiększają lipolizę i rozpad białek (proteolizę) oraz upośledzają wychwyt glukozy przez tkanki obwodowe.1213
Szczególnie istotna jest rola glukagonu – cukrzyca typu 2 jest określana jako parakynopatia wysp trzustkowych, w której zostaje utracona wzajemna relacja między komórkami α wydzielającymi glukagon a komórkami β wydzielającymi insulinę, co prowadzi do hiperglukagonemii i w konsekwencji hiperglikemii.14
W przypadku cukrzycowej kwasicy ketonowej (DKA), która jest ostrym, zagrażającym życiu powikłaniem cukrzycy charakteryzującym się hiperglikemią, kwasicą ketonową i ketonurią, brak insuliny, głównego hormonu anabolicznego, oznacza, że tkanki takie jak mięśnie, tłuszcz i wątroba nie pobierają glukozy. Hormony przeciwregulacyjne, takie jak glukagon, hormon wzrostu i katecholaminy, nasilają rozkład triglicerydów do wolnych kwasów tłuszczowych i glukoneogenezę, co jest główną przyczyną podwyższenia stężenia glukozy w surowicy w DKA.15
Molekularne mechanizmy hiperglikemii
Na poziomie molekularnym hiperglikemia wywołuje szereg zmian w komórkach i tkankach, które przyczyniają się do progresji choroby i rozwoju powikłań cukrzycowych.16
Stres oksydacyjny i zapalenie
Zwiększone stężenie glukozy we krwi prowadzi do uszkodzenia mitochondriów poprzez generowanie reaktywnych form tlenu (ROS) oraz do dysfunkcji śródbłonka poprzez hamowanie produkcji tlenku azotu.17 Hiperglikemia zwiększa poziom cytokin prozapalnych, takich jak czynnik martwicy nowotworów alfa (TNF-α) i interleukina-6 (IL-6), prowadząc do dysfunkcji układu odpornościowego.1819
Przewlekły stan zapalny wywołany wysokim poziomem glukozy może również prowadzić do dysfunkcji w różnych częściach układu odpornościowego, a hiperglikemia została powiązana ze zwiększoną podatnością na szereg chorób zakaźnych.20
Obecnie jako główne mechanizmy obejmujące większość zmian patologicznych obserwowanych w naczyniach krwionośnych u osób z cukrzycą wyróżnia się trzy procesy:
- Nieenzymatyczna glikozylacja białek i lipidów21
- Stres oksydacyjny22
- Aktywacja kinazy białkowej C (PKC)23
Co istotne, mechanizmy te nie są niezależne. Na przykład wywołany hiperglikemią stres oksydacyjny sprzyja tworzeniu zaawansowanych produktów glikacji (AGE) i aktywacji PKC.24
Zaawansowane produkty glikacji (AGE)
AGE powstają w wyniku nieenzymatycznych reakcji aminowo-karbonylowych, czyli reakcji Maillarda, pomiędzy grupą karbonylową glukozy, fruktozy, galaktozy i rybozy lub pośrednikami metabolizmu glukozy a grupą aminową i innymi cząsteczkami.25
AGE mogą przyspieszać proces miażdżycowy poprzez różne mechanizmy, które można sklasyfikować jako niezależne od receptora i zależne od receptora. Interakcje komórkowe AGE są zapośredniczone przez specyficzny receptor dla determinant AGE na powierzchni komórek.26
Interakcja AGE z receptorem RAGE na komórkach śródbłonka powoduje indukcję stresu oksydacyjnego, a w konsekwencji czynnika transkrypcyjnego NF-κB i VCAM-1.27
Aktywacja kinazy białkowej C (PKC)
Wysokie stężenie glukozy w otoczeniu aktywuje PKC poprzez zwiększenie tworzenia diacyloglicerolu (DAG), głównego endogennego komórkowego kofaktora aktywacji PKC, z pośrednich produktów glikolizy, takich jak fosforany dihydroksyacetonu i aldehydu 3-fosfoglicerynowego.28
Zarówno hiperglikemia, jak i zwiększona stymulacja produktów ubocznych glikolizy zwiększają syntezę aldehydu 3-fosfoglicerynowego i jego konwersję do dihydroksyacetonu, a tym samym promują syntezę DAG, czynnika aktywującego PKC. Zwiększona ekspresja PKC prowadzi do aktywacji transformującego czynnika wzrostu beta (TGF-β) i inhibitora aktywatora plazminogenu-1 (PAI-1), czego wynikiem jest zwiększone odkładanie fibronektyny, kolagenu typu I i IV oraz macierzy pozakomórkowej, a w konsekwencji przerost nerek, stwardnienie kłębuszków nerkowych i włóknienie nerek.29
Szlak polioli i heksozamin
Hiperglikemia przyczynia się do rozwoju powikłań naczyniowych poprzez kilka mechanizmów: aktywację szlaku polioli i heksozamin, diacyloglicerol-kinazę białkową C (DAG-PKC), zwiększoną produkcję zaawansowanych produktów końcowych glikacji (AGE), zwiększoną syntezę czynników wzrostu, cytokin i stres oksydacyjny.30
Nadmierna funkcja szlaku heksozamin, stymulowana przez hiperglikemię, promuje konwersję fruktozo-6-fosforanu i syntezę difosforanu urydyny N-acetyloglukozaminy (UDP-GlcNAc) jako produktu końcowego, który jest O-glikozylowany do N-acetyloglukozaminy (O-GlcNAc) przez transferazę O-GlcNAc.31
Wzrost produkcji O2– hamuje aktywność dehydrogenazy aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPDH), co z kolei hamuje glikolizę i aktywuje alternatywne szlaki.32
Glukotoksyczność i jej konsekwencje
Glukotoksyczność to proces, w którym długotrwała hiperglikemia powoduje uszkodzenie komórek i tkanek, prowadząc do rozwoju powikłań cukrzycowych.33
Wpływ na wydzielanie insuliny
Hiperglikemia sama w sobie może upośledzać wydzielanie insuliny, ponieważ wysokie stężenie glukozy odczula komórki β, powoduje dysfunkcję komórek β (toksyczność glukozowa) lub oba te procesy.34
Ciągłe wytwarzanie i wydzielanie insuliny w komórkach β w warunkach przewlekłej hiperglikemii i insulinooporności powoduje przeciążenie maszynerii zwijania białek i gromadzenie się nadmiernej ilości nieprawidłowo zwiniętych lub niezwiniętych białek w retikulum endoplazmatycznym, wywołując reakcję na nieprawidłowo zwinięte białka (UPR) i stres retikulum endoplazmatycznego (ERS).35
Mechanizmy uszkodzenia tkanek
Utrzymująca się hiperglikemia jest wysoce toksyczna. Nie tylko wywołuje insulinooporność, ale także upośledza wydzielanie insuliny przez komórki β trzustki. Z czasem hiperglikemia niekorzystnie wpływa na makro- i mikronaczynia.36
Hiperglikemia powoduje nadprodukcję acetylo-CoA, który zasila cykl Krebsa i generuje nadmiar NADH, poddając mitochondrialny łańcuch transportu elektronów silnemu ciśnieniu elektronowemu. Utlenianie nadmiernie wyprodukowanego NADH przez mitochondria nieuchronnie prowadziłoby do produkcji większej ilości anionorodnika ponadtlenkowego, a tym samym większej ilości ROS, które mogłyby atakować i inaktywować GAPDH. Powoduje to nagromadzenie metabolitów glikolitycznych powyżej glicerolo-3-fosforanu, aktywując alternatywne szlaki usuwania glukozy, wszystkie związane z produkcją ROS i zwiększającym się poziomem stresu oksydacyjnego.37
Ostra hiperglikemia może manifestować się jako wysokie stężenie glukozy na czczo lub wysokie poposiłkowe stężenie glukozy i może aktywować te same szlaki metaboliczne i hemodynamiczne co przewlekła hiperglikemia.38
Hiperglikemia a powikłania cukrzycowe
Przewlekła hiperglikemia jest kluczowym czynnikiem powikłań mikro- i makronaczyniowych związanych z cukrzycą. Patogeneza choroby jest złożona, wieloczynnikowa i nie w pełni wyjaśniona; w rozwoju, progresji i wynikach klinicznych choroby uczestniczy wiele czynników i mechanizmów.39
Istnieją wyraźne dowody na to, że przewlekły stan hiperglikemiczny wywołuje stres oksydacyjny i zapalenie za pośrednictwem zmienionych szlaków metabolicznych w samopodtrzymującym się cyklu, promując postęp uszkodzenia komórek i schyłkowej niewydolności nerek.40
Długotrwała ekspozycja na hiperglikemię jest obecnie uznawana za główny czynnik w patogenezie miażdżycy w cukrzycy. Hiperglikemia wywołuje dużą liczbę zmian na poziomie komórkowym tkanki naczyniowej, które potencjalnie przyspieszają proces miażdżycowy.41
Hiperglikemia może indukować uszkodzenie narządów docelowych (TOD) poprzez zwiększenie ryzyka choroby pannaczyniowej, w tym choroby mikronaczyniowej (takiej jak retinopatia cukrzycowa, nefropatia i neuropatia) oraz miażdżycowej choroby makronaczyniowej (sercowo-naczyniowej, mózgowo-naczyniowej i innych chorób naczyń obwodowych).42
| Typ powikłania | Mechanizm patogenetyczny | Konsekwencje kliniczne |
|---|---|---|
| Mikronaczyniowe | Zwiększona perfuzja nerkowa, hiperfiltracja, zwiększony stres oksydacyjny, zmniejszona neuralna przewodność ruchowa i czuciowa, zwiększona produkcja kolagenu w nerkach, zwiększona perfuzja siatkówki | Retinopatia, nefropatia, neuropatia, gastropareza |
| Makronaczyniowe | Dysfunkcja śródbłonka, zwiększony stres oksydacyjny, aktywacja czynników krzepnięcia, zwiększona ekspresja cząsteczek adhezyjnych, podwyższone ciśnienie krwi, dyslipidemia | Choroba serca, udar mózgu, choroba tętnic obwodowych |
| Ostre | Diureza osmotyczna, odwodnienie, zmniejszenie wskaźnika filtracji kłębuszkowej | Hiperosmolarna hiperglikemia, kwasica ketonowa |
| Przewlekłe | Stres oksydacyjny, zapalenie, aktywacja alternatywnych szlaków metabolicznych | Makro- i mikroangiopatia, zwiększona podatność na infekcje |
Hiperglikemia w różnych typach cukrzycy
Mechanizmy prowadzące do hiperglikemii różnią się w zależności od typu cukrzycy, chociaż wynikiem końcowym jest zawsze podwyższone stężenie glukozy we krwi.43
Cukrzyca typu 1
W cukrzycy typu 1 hiperglikemia wynika z absolutnego niedoboru insuliny spowodowanego autoimmunologicznym zniszczeniem komórek β trzustki. Bez wystarczającej ilości insuliny glukoza gromadzi się w krwiobiegu zamiast przenikać do komórek. To nagromadzenie glukozy we krwi nazywane jest hiperglikemią. Organizm nie jest w stanie wykorzystać glukozy do produkcji energii, co prowadzi do objawów cukrzycy typu 1.44
Patogeneza autoimmunologicznego niszczenia komórek β obejmuje nie do końca poznane interakcje między genami podatności, autoantygienami i czynnikami środowiskowymi.45
Cukrzyca typu 2
Cukrzyca typu 2 (T2D) jest chorobą charakteryzującą się heterogenną postępującą utratą wydzielania insuliny przez komórki wysp trzustkowych, występującą zwykle po wystąpieniu insulinooporności (IR), i jest jednym z elementów zespołu metabolicznego (MS).46
Patogeneza cukrzycy typu 2 nie jest w pełni zrozumiała, przy czym insulinooporność i dysfunkcja komórek β odgrywają główną rolę w jej patofizjologii. Dyslipidemia, hiperglikemia wraz z innymi zaburzeniami metabolicznymi powodują insulinooporność i/lub dysfunkcję komórek wysp trzustkowych poprzez pewne wspólne szlaki, takie jak zapalenie, stres retikulum endoplazmatycznego (ERS), stres oksydacyjny i ektopowe odkładanie lipidów.47
Metabolity przewlekłego przetrenowania, takie jak wysoka glukoza i nieestryfikowane kwasy tłuszczowe (NEFA), zakłócają aktywację receptora insulinowego i jego kolejnych szlaków IRS-1/PI3K/Akt2, prowadząc do rozwoju przewlekłego zapalenia w tkance tłuszczowej i ektopowego odkładania lipidów w wątrobie i mięśniach, wraz z ERS i stresem oksydacyjnym, itd. Te zmiany w narządach docelowych oddziałują na siebie, zaostrzając zaburzenia metaboliczne, ostatecznie prowadząc do IR.48
Hiperglikemia indukowarną lekami
Hiperglikemia wywołana lekami to często spotykany problem kliniczny. Mechanizmy hiperglikemii mogą obejmować destrukcję komórek, zmniejszone wydzielanie insuliny i/lub wrażliwość na nią oraz nadmierny napływ glukozy.49
Większość leków związanych z hiperglikemią wpływa na produkcję insuliny, jej wydzielanie lub działanie, prowadząc do zaburzenia równowagi między insuliną a glukozą.50
Patofizjologia hiperglikemii indukowanej glikokortykosteroidami obejmuje wiele mechanizmów: zwiększoną oporność na insulinę, zwiększoną glukoneogenezę i zmniejszoną produkcję insuliny.51
Hiperglikemia wywołana lekami zwykle wynika z insulinooporności i/lub zmniejszonego wydzielania insuliny. Wiele molekularnych mechanizmów zmian w wydzielaniu/działaniu insuliny, a także podstawa zmienności między pacjentami, są słabo poznane.52
Kliniczne konsekwencje hiperglikemii
Hiperglikemia, zarówno ostra jak i przewlekła, może prowadzić do poważnych konsekwencji zdrowotnych jeśli nie jest odpowiednio leczona.53
Objawy kliniczne hiperglikemii
Najczęstsze objawy cukrzycy to objawy hiperglikemii. Bardziej znacząca hiperglikemia powoduje glikozurię, a tym samym diurezę osmotyczną, prowadząc do częstomoczu, poliurii i polidypsji, które mogą postępować do hipotonii ortostatycznej i odwodnienia.54
Hiperglikemia może również powodować utratę wagi, nudności i wymioty oraz niewyraźne widzenie, a także może sprzyjać zakażeniom bakteryjnym lub grzybiczym.55
U osób z cukrzycą glukoza ma tendencję do gromadzenia się w krwiobiegu. Stan ten nazywany jest hiperglikemią. Może osiągnąć niebezpiecznie wysokie poziomy, jeśli nie jest odpowiednio leczony. Insulina i inne leki są używane do obniżenia poziomu cukru we krwi.56
Ostre powikłania hiperglikemii
Hiperglikemia powoduje diurezę osmotyczną, prowadzącą do utraty objętości, zmniejszenia wskaźnika filtracji kłębuszkowej i pogorszenia hiperglikemii.57
Ciężka hiperglikemia może również prowadzić do ostrego (nagłego i ciężkiego) zagrażającego życiu powikłania zwanego kwasicą ketonową związaną z cukrzycą (DKA), szczególnie u osób z cukrzycą, które przyjmują insulinę lub u osób z niezdiagnozowaną cukrzycą typu 1. Wymaga to natychmiastowego leczenia.58
Cukrzycowa kwasica ketonowa (DKA) to ostre, poważne, zagrażające życiu powikłanie cukrzycy charakteryzujące się hiperglikemią, kwasicą ketonową i ketonurią. DKA zwykle występuje w konsekwencji bezwzględnego lub względnego niedoboru insuliny, któremu towarzyszy wzrost hormonów przeciwregulacyjnych (tj. glukagonu, kortyzolu, hormonu wzrostu, epinefryny). Ten rodzaj zaburzenia równowagi hormonalnej nasila wątrobową glukoneogenezę, glikogenolizę i lipolizę.59
Przewlekłe powikłania hiperglikemii
Te zmiany mogą ostatecznie prowadzić do zwiększonego ryzyka infekcji, upośledzenia gojenia ran, niewydolności wielu narządów, przedłużonego pobytu w szpitalu i śmierci.6061
Przedłużona (przewlekła) hiperglikemia przez lata może uszkodzić naczynia krwionośne i tkanki w organizmie. Może to prowadzić do różnych powikłań, w tym: retinopatii, nefropatii, neuropatii, gastroparezy, chorób serca i udaru mózgu.62
Przewlekła hiperglikemia może powodować poważne powikłania, a powikłania te są zwykle nieodwracalne. Kilka badań wykazało, że nieleczona przewlekła hiperglikemia skraca życie i pogarsza jakość życia.63
Lata słabo kontrolowanej hiperglikemii prowadzą do licznych, głównie naczyniowych powikłań, które dotykają małych naczyń (mikronaczyniowych), dużych naczyń (makronaczyniowych) lub obu.64
Hiperglikemia powoduje również zmiany mikrobiologiczne w organizmie: hiperglikemia może prowadzić do gwałtownych zmian w pH krwi i lepkości komórek, osłabiając komórki i czyniąc je bardziej sprzyjającymi rozwojowi czynników zakaźnych oraz tłumiąc odpowiedzi zapalne.65
Ze względu na zmiany w neutrofilach, zmiany mikrobiologiczne i przewlekłe zapalenie, pacjenci z hiperglikemią są bardziej podatni na ciężkie infekcje dróg oddechowych.66
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.