Projekti / Programi
Vloga cikličnega adenozin monofosfata v normalni fiziologiji celic beta in med razvojem sladkorne bolezni tipa 2
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 3.07.00 |
Medicina |
Metabolne in hormonske motnje |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B470 |
Biomedicinske vede |
Fiziologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.02 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Klinična medicina |
sladkorna bolezen, Epac2A, zahodna dieta, tkivna rezina, celice beta, elektrofiziologija, optofiziologija, meritve in vivo, teorija kompleksnih mrež
Raziskovalci (21)
Organizacije (1)
Povzetek
V celicah beta glukoza stimulira izločanje inzulina preko znotrajceličnega metabolizma, ki da ATP in zapre od ATP odvisne kalijeve kanale. To vodi v depolarizacijo in odprtje od napetosti odvisnih kalcijevih kanalov in vdor kalcijevih ionov v celico. Posledično povečanje znotrajcelične koncentracije kalcijevih ionov deluje kot sekundarni sporočevalec in sprožitelj eksocitoze. Terapevtsko pomembne sulfonilsečnine se neposredno vežejo na od ATP odvisne kalijeve kanale, depolarizirajo celico in sprožijo izločanje inzulina na način, ki je pretežno glukozno neodvisen. Po drugi strani pa inkretinski hormoni oz. terapevtski agensi, ki posnemajo njihovo delovanje, vplivajo na celice beta tako, da vežejo zunajcelične receptorje sklopljene z beljakovino G, ki stimulirajo delovanje adenilil ciklaze in povečajo znotrajcelično koncentracijo cAMP. Ta sekundarni sporočevalec vrši svoj vpliv preko dveh znotrajceličnih poti, bodisi PKA bodisi Epac2A, in preko teh vpliva na različne korake v sprožilni kaskadi, vendar, kot kaže, ni sposoben sprožiti eksocitoze v odsotnosti od glukoze ali s sulfonilsečninami povzročenega začetnega sprožilnega signal. V zadnjem času se pojavljajo dokazi, da sulfonilsečnine neposredno vplivajo na aktivnost Epac2A in da so inkretini sposobni sprožiti povečanje koncentracije kalcijevih ionov, kar kaže na številna križanja signalnih poti, ki jih aktivirajo glukoza, sulfonilsečnine in inkretini. cAMP ima morda poleg znotrajceličnega učinka na sklopitev med stimulusom in sekrecijo vpliv tudi na širjenje depolarizacije in kalcijevih valov, ki so sproženi z glukozo ali s sulfonilsečninami. Ta znotrajcelična funkcionalna sklopitev normalno služi uskladitvi odzivnosti na glukozo celic beta na nivoju vseh celic, ki so sklopljene v Langerhansovem otočku, prav tako pa je tudi tarčno mesto diabetogenih učinkov v razvoju inzulinske rezistence in sladkorne bolezni tipa 2. Kljub temu pa je slabo razumljen način vpliva cAMP na znotraj- in medcelično prevajanje signalov ter njegova vloga v vzdrževanju glukozne tolerance v normalnih pogojih in med razvojem sladkorne bolezni tipa 2. To pomanjkanje razumevanja lahko vsaj delno razloži sedanje pomanjkanje dolgoročnega uspeha terapevtskih učinkov sulfonilsečnin in sposobnosti razvrstitve bolnikov v različne skupine zdravljenja glede na trajanje bolezni oz. znanje o specifičnih poškodbah celic beta. Natančneje, obstaja praznina v našem znanju o različnih vlogah PKA in Epac2A v zgoraj omenjenem procesu in boljšem razumevanju o tem, kako lahko mehanizmi delovanja PKA in Epac2A vodijo v razvoj novejših terapevtskih agensov. Z raziskovanjem sklopitve med stimulusom in sekrecijo, ki jo povzročijo glukoza, sulfonilsečnine in inkretini od najbolj zgodnjih (depolarizacija membrane) do najbolj poznih (eksocitoza) korakov, medcelične sklopitve in glukozne tolerance na nivoju cele živali v kontrolni skupini miši in miših z izbitim genom Epac2A, ki so hranjene bodisi s kontrolno dieto bodisi z zahodno dieto, ki povzroči inzulinsko rezistenco, adaptacijo in odpoved celic beta, želimo v okviru tega projekta doseči naslednje:
Razjasniti vlogo Epac2A in PKA v uravnavanju učinkov cAMP na različnih nivojih sklopitve med stimulusom in sekrecijo.
Razjasniti vlogo Epac2A in PKA v uravnavanju učinkov cAMP na nivoju medcelične funkcionalne sklopitve.
Raziskati vlogo Epac2A in PKA v uravnavanju učinkov ne samo glukoze, temveč tudi različnih sulfonilsečnin, še posebej njihov vpliv na spremembe v membranskem potencialu in kalcijevih oscilacijah, občutljivost eksocitotskega aparata in funkcionalno medcelično sklopitev celic beta.
Pripomoči k mehanistični razlagi vloge Epac2A in PKA v adaptaciji in disfunkciji celic beta tekom razvoja z zahodno hrano povzročene sladkorne bolezni tipa 2 v mišjih modelih na večceličnem nivoju Langerhansovih otočkov, kakor tudi učinkov na glukozno toleranco celotne živali v normalnih in inzulinsko rezistentnih miših.
Pomen za razvoj znanosti
V projektu bomo uporabili zahodno dieto (WD), ki kaže večjo translacijsko relevantnost za človeka od zelo mastne hrane. To dieto in normalno dieto bomo uporabili na kontrolnih miših in miših z izbitim genom za Epac2A. Na vseh štirih skupinah živali bomo izvedli meritve in vivo, elektro- in optofiziološke meritve v tkivnih rezinah trebušne slinavke in dodatne meritve na tkivu trebušne slinavke in drugih tkivih. V analizi bomo poleg statističnih testov uporabili orodja teorije kompleksnih mrež. S kombinacijo naštetega bomo k znanosti prispevali na sledeče načine:
Dodatna validacija novega mišjega modela SB2 (tj. WD) in uveljavitev metode tkivne rezine.
Dodatna potrditev uporabnosti orodij teorije kompleksnih mrež za analizo časovnih vrst v biologiji.
Potrditev ali zavrnitev predhodnih nasprotujočih si izsledkov (pridobljenih na zelo heterogenih modelih) v okoliščinah in situ v tkivni rezini in na miših hranjenih z zahodno dieto, ki glede na potek bolezni kažejo človeku najbolj podoben fenotip.
Natančnejša razjasnitev normalne sklopitve med stimulacijo in sekrecijo v celicah beta, predvsem vlog sprožilne (preko glukoze in sulfonilsečnin) in hormonske ojačevalne poti (preko inkretinov), hierarhičnega odnosa med tema potema in morebitnih interakcij s sinergističnimi učinki.
Naši rezultati bodo zaradi uporabe miši z izbitim genom za Epac2A doprinesli k boljšemu razumevanju specifičnih vlog Epac2A in PKA (ki je edini preostali mediator učinka inkretinov) pri posredovanju učinka inkretinov na celice beta in interakcije s sulfonilsečninami.
Prispevek k razumevanju vloge presledkovnih stikov v normalnih razmerah, med adaptacijo in okvaro celic beta in vpliva sulfonilsečnin in inkretinov nanje, natančneje tudi specifične vloge Epac2A v primerjavi s PKA.
Natančnejša razjasnitev funkcionalne adaptacije in zgodnje okvare delovanja celic beta med razvojem SB2, predvsem vloge različnih korakov v signalnih poteh glukoze, sulfonilsečnin in inkretinov v adaptaciji, vloge medcelične sklopitve, predvsem pa stopnje ohranjenosti posameznih poti in sklopitve med okvaro celic beta, kar ima lahko klinične posledice (glej spodaj).
Boljše razumevanje neželenih stranskih učinkov pri terapiji in predlaganje kliničnih raziskav primerjave uspešnosti zdravljenja z različnimi agensi (sulfonilsečnine v primerjavi z inkretini ali kombinacijo).
Predlaganje novih molekularnih tarč za bolj specifična zdravila. Zaradi relativno tkivno specifične ekspresije tako Epac2A kot Cx36 v celicah beta sta obe molekuli atraktivni potencialni tarči.
SB je velik javnozdravstveni problem: na svetu je 425 milijonov bolnikov s SB in letni stroški zdravljena znašajo 727 milijard USD. V Sloveniji je 160000 bolnikov s SB in stroški so okrog 2500 USD na bolnika (Diabetes atlas 2017). Že razmeroma majhen napredek v poznavanju mehanizmov in terapiji lahko ima dolgoročno pomembne učinke.
Pomen za razvoj Slovenije
In the project, we will employ western diet (WD), which shows a greater degree of translational relevance than the high fat diet. Normal chow and western diet will be fed to control mice and Epac2A KO mice. In all four groups of mice, we will perform in vivo measurements, electro- and optophysiological measurements in pancreas tissue slices, and additional studies on the pancreatic as well as some other tissues. Together with statistical methods, complex network theory will be used to interpret the data. A combination of the described methods shall help us contribute to science by the following:
Further validation of the new mouse model of T2DM (i.e., WD) and establishment of the acute tissue slice method.
Further validation that complex network theory is suitable for analyzing time series in biology.
Confirmation or refutation of previous contradictory findings (obtained on very heterogeneous models), under in situ conditions in acute pancreas tissue slices and in western diet fed mice with greater phenotypical similarity to humans.
Clarification of normal beta cell stimulus-secretion coupling, particularly of the roles of the triggering pathway (initiated by glucose and sulfonylureas) and of the hormonal amplifying pathway (initiated by incretins), the hierarchy of the two pathways, and possible interactions with synergistic effects.
Through use of Epac2KO mice, the specific contributions of Epac2A and PKA (the only other mediator of incretin effects in beta cells) in mediating the effects of incretins on beta cells and their interaction with sulfonylureas will be clarified.
Contribution to understanding the role of gap junctions in normal conditions, during adaptation, and beta cell failure, the influence of sulfonylureas and incretins upon them, and specifically of the differential role of Epac2A compared with PKA.
Better understanding adaptation and early dysfunction of beta cells during development of T2DM, particularly different steps elicited by glucose, sulfonylureas, and incretins, intercellular communication, and the level of functionality of these steps and coupling during beta cell dysfunction, which has clinical implications (see below).
Better understanding unwanted side effects of therapy and suggesting clinical studies focusing on comparisons between the effectiveness of different treatment options (sulfonylureas compared with incretins or both)
Suggesting novel molecular targets for more specific treatments. Due to a relatively tissue specific expression of Epac2A and Connexin36 in beta cells, both molecules are attractive potential targets.
T2DM is a major public health problem: in the world, there are 425 million people with T2DM and annual treatment costs are estimated at 727 billion USD. In Slovenia, there are 160000 people with T2DM and we spend 2500 USD per patient (Diabetes atlas 2017). Even a relatively small advance in understanding disease mechanisms and therapy can have important long-term effects.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
