Patofyziologie renálního metabolismu glukózy
Souhrn
Při různých patologických stavech se může měnit způsob, jímž ledviny zasahují do metabolismu glukózy. Článek se zaměřuje na patofyziologii renální reabsorpce glukózy a patofyziologii renální glukoneogeneze. V prvním případě popisuje mechanismy spojené s úplným chyběním SGLT2, hlavního transportního proteinu pro glukózu. Dále je zde probrána familiární renální glykosurie – dědičné onemocnění, které je ve většině případů spojeno pouze s izolovanou glykosurií. Následně je rozebrána reabsorpce glukózy u diabetu. V druhé části textu jsou diskutovány změny v regulaci renální glukoneogeneze u diabetiků a příčiny a důsledky ukládání glykogenu v ledvinách.
Klíčová slova: reabsorpce glukózy / SGLT2 knock‑out / familiární renální glykosurie / renální glukoneogeneze / diabetes mellitus
Summary
Various pathological conditions may alter the participation of the kidney in glucose metabolism. This article focuses on pathophysiology of renal glucose reabsorption and on pathophysiology of renal gluconeogenesis. As for the former, mechanisms associated with complete deficit of SGLT2, the main transport protein of glucose, are described. Familial renal glucosuria, a hereditary disease mostly manifesting by an isolated glucosuria, is also discussed. Attention is then given to reabsorption of glucose in diabetes. The second part of the text focuses on changes in the regulation of renal gluconeogenesis in diabetics and on causes and consequences of glycogen deposition in the kidney.
Keywords: glucose reabsorption / SGLT2 knockout / familial renal glucosuria / renal gluconeogenesis / diabetes mellitus
Úvod
Glukóza je hlavním zdrojem energie pro eukaryotické organismy. Denní spotřeba glukózy u člověka je asi 250 g, z toho polovina připadá na mozek. Denní příjem glukózy v potravě činí asi 180 g, zbylých 70 g připadá na glukoneogenezi v játrech a ledvinách. Hodnota glykémie se za fyziologických podmínek pohybuje v relativně úzkém rozmezí, což je zajištěno mnoha komplexními mechanismy a spoluprací několika orgánů včetně ledvin. Tento článek popisuje patofyziologické změny, které nastávají při poruše renální reabsorpce glukózy a renální glukoneogeneze.
Patofyziologie renální reabsorpce glukózy
Molekula glukózy prochází díky svým relativně malým rozměrům zcela volně přes glomerulární filtr. Její koncentrace v primární moči je tedy velmi podobná jako v plazmě. V definitivní moči se však za fyziologických podmínek žádná glukóza nevyskytuje. Téměř všechny její molekuly jsou v proximálním tubulu reabsorbovány aktivním transportním mechanismem (obr. 1).
Tento mechanismus se nazývá sekundárně aktivní transport, jde o kotransport glukózy se sodnými ionty. Kotransport je zprostředkován proteinovou transportní molekulou označovanou SGLT (sodium‑glucose linked transporter), která je ukotvena v apikální (luminální) membráně tubulárních buněk. Na opačném pólu buňky, v bazolaterální membráně, je přítomna iontová pumpa Na+‑K+‑ATP‑áza. Ta se stará o udržení koncentračního gradientu pro sodné ionty, a je tedy vlastním „motorem“ pro vstup glukózy do tubulární buňky. Z buňky ven vystupuje glukóza na bazolaterální straně facilitovanou difuzí zprostředkovanou transportním proteinem GLUT (glucose transporter). Přenašečové molekuly umožňující kotransport glukózy se sodíkem jsou kódovány geny ze skupiny SLC5. U člověka byly v této skupině dosud popsány čtyři geny. V proximálním tubulu ledvin je z nich nejdůležitější ten, který kóduje protein SGLT2. Tento transportér se nachází na úplném začátku proximálního tubulu (segment S1) a je odpovědný za reabsorpci 90 % přefiltrované glukózy. Zbylých 10 % se reabsorbuje pomocí dalšího transportního proteinu SGLT1, který je přítomen na tubulárních buňkách distálnějšího S3 segmentu proximálního tubulu. V proximálním tubulu se podobně jako SGLT nacházejí i dva typy GLUT transportérů, které přenášejí glukózu z tubulárních buněk do intersticia. V segmentu S1 je to transportér GLUT2 a v segmentu S3 transportér GLUT1. Oba transportní systémy jsou saturovatelné. Existuje tedy určitá koncentrace glukózy v primární moči, po jejímž překročení se glukóza objeví i v moči definitivní (glykosurie). Tato koncentrace, nazývaná ledvinný práh pro glukózu, se pohybuje v rozmezí 10–15 mmol/l. Všechny proximální tubuly nemohou mít transportní maximum úplně stejné (nemůže v nich být úplně stejné množství transportních proteinů), a proto ani reabsorpční křivka glukózy nemůže mít teoreticky předpokládaný ostrý přechod do maxima (obr. 2).
Místo toho je přechod pozvolný a rozdíl oproti přechodu ostrému se nazývá splay.1 Z uvedeného je zřejmé, že klíčovým místem pro mechanismus reabsorpce glukózy je aktivita transportéru SGLT2. Pokud je tento protein exprimován v tubulárních buňkách nedostatečně (či úplně chybí), nebo je mutován a nemá potřebnou vazebnou kapacitu pro glukózu, je snížena i reabsorpční kapacita pro glukózu a objevuje se glykosurie i při fyziologických hodnotách glykémie. V experimentální praxi tuto skutečnost demonstrují pokusy s „knock‑out“ zvířaty. V klinice se s popsanou nedostatečností lze setkat u osob s familiární renální glykosurií. Pokud je naopak SGLT2 exprimován ve vyšší míře, než odpovídá fyziologickým parametrům, je i reabsorpce glukózy (při předpokládané hyperglykémii) zvýšená. To bylo popsáno v klinickém obraze diabetes mellitus.
Chybění transportéru SGLT 2
Konstrukce „knock‑out“ myší Sglt2‑/‑ je jeden z elegantních způsobů, jímž lze in vivo demonstrovat význam transportéru SGLT2 a příznaky spojené s jeho deficitem. U Sglt2‑/‑ myší je molekulárně‑biologickými metodami kompletně zablokována exprese proteinu SGLT2, přičemž exprese všech ostatních příbuzných transportérů zůstává zachována. Tyto myši jsou ve srovnání s kontrolami bez genetické manipulace (označují se WT – wild type) stejně velké, mají stejné váhové přírůstky a stejný počet mláďat.2 Zásadní rozdíl je u nich v koncentraci glukózy v moči. U „knock‑out“ myší bez SGLT2 je řádově tisíckrát vyšší než u WT. Naopak hodnoty glykémie jsou u obou skupin shodné. Důležité hemodynamické a biochemické parametry (systolický tlak, tepová frekvence, osmolarita plazmy, plazmatická koncentrace K+ a Na+, hematokrit) se mezi zvířaty WT a „knock‑out“ také neliší. Odlišnosti lze nalézt v parametrech, které přímo souvisejí s vysokou glykosurií. U „knock‑out“ myší je tedy nižší osmolarita moči a zvýšená plazmatická koncentrace reninu. V souladu s tím mají zvířata bez proteinu SGLT2 i kompenzačně vyšší příjem tekutin než WT. Pravděpodobně jako důsledek energetických ztrát mají „knock‑out“ myši i vyšší příjem potravy než WT. Souhrnné výsledky u zvířat se zcela chybějícím transportérem SGLT2 tedy ukazují, že tato bílkovina má pravděpodobně skutečně jen jedinou funkci – reabsorpci glukózy v S1 segmentu proximálního tubulu. Důsledky jejího deficitu nemají podle všeho systémový charakter a zvířata jsou schopna je dobře kompenzovat.
Exprese SGLT 2 závisí na pohlaví
Nejnovější práce využívají pro studium spolu s „knock‑out“ zvířaty i vysoce specifické protilátky proti SGLT2.2,3 Tyto práce potvrdily, že SGLT2 se vyskytuje výhradně na kartáčovém lemu v luminální membráně tubulárních buněk v počátečním úseku proximálního tubulu (segmenty S1 a S2). V segmentu S3 se SGLT2, stejně jako v žádných dalších testovaných orgánech (mj. plíce, mozek, tuková tkáň, jejunum, pankreas, kosterní sval), nevyskytuje. Specificita SGLT2 pro tubulární buňky ledvin byla již potvrzena i u člověka.4 Je velmi zajímavé, že exprese proteinu SGLT2 je závislá na pohlaví.3 U potkanů bylo prokázáno, že jak SGLT1, tak i SGLT2 je u samic exprimován ve větším množství než u samců. Pokusy s podáváním pohlavních hormonů kastrovaným zvířatům ukázaly, že tento rozdíl je způsoben především hladinou androgenů. Ty totiž výrazně snižují expresi SGLT2. Na rozdíl od androgenů estrogeny ve fyziologických hladinách expresi neovlivňují. Naopak progesteron ji signifikantně snižuje. To může být jeden z důvodů glykosurie vyskytující se během těhotenství, kdy je hladina progesteronu podstatně zvýšená.5 Exprese transportéru SGLT1 se účinkem androgenů rovněž snižuje, estrogeny ji neovlivňují vůbec. Kromě pohlaví je exprese SGLT2 závislá i na živočišném druhu. U potkanů bylo nalezeno větší množství mRNA kódující SGLT1 u samic než u samců,6 mRNA kódující SGLT2 byla u obou pohlaví zastoupena stejně. U myší výrazně převládala mRNA kódující SGLT2 u samic, exprese proteinu SGLT2 však byla vyšší u samců.3 Tyto pozoruhodné výsledky ukazují, že exprese glukózových transportérů je regulována několika mechanismy odlišnými dokonce i pro různé druhy hlodavců. Tyto mechanismy probíhají jak na transkripční tak i na posttranskripční úrovni. A to je samozřejmě třeba vzít v úvahu při podobných studiích u lidí.
Familiární renální glykosurie
Familiární renální glykosurie (FRG) je dědičné onemocnění, jehož jediným symptomem je perzistující glykosurie. U pacientů s FRG je přítomna normální glykémie a glykosurie nebývá spojena s žádnou další tubulární dysfunkcí. Množství glukózy vyloučené při FRG může být velmi variabilní – od několika gramů za den až po těžkou glykosurii se ztrátami glukózy vyššími než 100 g/den.7 Lehká forma FRG je známa již velmi dlouhou dobu a je relativně častá. Naopak těžká forma FRG je velmi vzácná, podtyp FRG s úplným chyběním renální reabsorpce glukózy byl poprvé popsán až v roce 1987.8 Za mírnou formu glykosurie se považují ztráty glukózy močí do 10 g/1,73 m2 tělesného povrchu/den, za vážnou ztráty nad 10 g/1,73m2/den.9 Familiární renální glykosurie lze podle míry glykosurie rozdělit do tří podtypů (obr. 3).9
Podtyp A je provázen mírnou glykosurií, která je způsobena snížením počtu glukózových transportérů SGLT2. V důsledku toho je sníženo i transportní maximum pro glukózu, a glykosurie se proto objevuje i při normálních hodnotách glykémie. Snížená afinita SGLT2 ke glukóze je příčinou podtypu B, který je spojen se středně silnou glykosurií. U tohoto podtypu se transportní maximum pro glukózu nemění, glukóza v moči se objevuje v důsledku zvýšení splay. U pacientů s vzácně se vyskytujícím podtypem 0 se glukóza v proximálním tubulu neresorbuje vůbec, a stav je tak provázen masivní glykosurií. Klasifikace A/B/0 vychází z tradičního pojetí FRG, v současné době se na podkladě molekulárně‑genetických studií používá spíše klasifikace podle korelací mezi genotypem a fenotypem FRG. Za reabsorpci glukózy v ledvinách je z 90 % odpovědný transportér SGLT2, který je kódován genem SLC5A2 umístěným na pozici 16p11.2. Proto se od počátku předpokládalo spojení mezi mutacemi tohoto genu a FRG. Tato hypotéza se potvrdila a v roce 2000 byla nalezena první mutace SLC5A2 způsobující FRG. V současné době je takových mutací známo již několik desítek.10 Mutace nejsou vázány na žádnou konkrétní část proteinu, vyskytují se po celé jeho délce, uvnitř transmembránových domén i mimo ně.11 Je ale zajímavé, že ne všichni pacienti se stejnou mutací vykazují stejnou míru glykosurie. Navíc někteří pacienti s mutacemi způsobujícími expresi zcela nefunkčních proteinů SGLT2 jsou schopni reabsorbovat přibližně 50 % přefiltrované glukózy. Znamená to tedy, že na reabsorpci glukózy se podílejí i další geny nebo negenetické faktory a za určitých podmínek dokonce i další transportní mechanismy nezávislé na SGLT2. Tento fakt je podpořen popisem několika pacientů s FRG, u nichž žádná mutace SLC5A2 genu nalezena nebyla.12 Ve většině případů nebývá FRG spojena s žádným dalším patologickým nálezem kromě glykosurie. Proto se o ní někdy nehovoří jako o nemoci, nýbrž spíše jako o variantě fenotypu. Pouze u některých pacientů s masivní glykosurií (podtyp 0) jsou popisovány některé další symptomy vyplývající z patofyziologických mechanismů spojených se ztrátami glukózy močí. Patří mezi ně aktivace osy renin‑angiotensin‑aldosteron11 a epizodická dehydratace při zvýšené zátěži (hladovění, těhotenství). 8 Na druhou stranu někteří autoři dokonce spekulují o výhodnosti mutací v genu SLC5A2.10 Trvalé ztráty glukózy močí totiž mohou vést ke snížení krevního tlaku a kvůli ztrátě energetického substrátu i ke snížení tělesné hmotnosti.13
Reabsorpce glukózy u diabetu
U pacientů s diabetem je renální reabsorpce glukózy změněna přesně opačným způsobem než u výše popsaných jednotek. Kvůli hyperglykémii se zvyšuje i množství glukózy v primární moči, která zde přesahuje hodnotu transportního maxima. Transportní mechanismy v tubulárních buňkách se snaží zvýšené množství glukózy vychytávat, transportní maximum se zvyšuje a tím se zvyšuje i vychytávání (uptake) glukózy ledvinami. 14 To je jedno z vysvětlení pro patologické ukládání glykogenu v ledvinách, která bývá u diabetiků popisováno. Je zřejmé, že zvýšené vychytávání glukózy tubulárními buňkami musí být spojeno i se změnami v expresi hlavních transportních proteinů pro glukózu. Zvýšená exprese GLUT2 byla potvrzena u potkanů se streptozocinovým modelem diabetu.15 Stejně tak byla u potkanů s modelem diabetu nalezena zvýšená míra exprese transportéru SGLT2 i jeho mRNA.16 U pacientů s diabetem je stanovování exprese složitější. Teprve v poslední době byla vypracována metodika, s jejíž pomocí lze stanovit přítomnost libovolných proteinů v membráně tubulárních buněk i bez nutnosti renální biopsie. Tento postup využívá imunomagnetickou izolaci deskvamovaných tubulárních buněk z moči diabetiků. 17 V této studii byl u diabetiků 2. typu prokázán výrazný vzestup exprese proteinů SGLT2 i GLUT2. Naopak množství transportéru GLUT1 bylo ve srovnání se zdravými dobrovolníky sníženo. V žádném ze vzorků nebylo nalezeno detekovatelné množství SGLT1 nebo SGLT3. Výsledky tedy potvrzují hypotézu, že za zvýšením reabsorpce glukózy u diabetu stojí zvýšená exprese obou hlavních glukózových transportérů SGLT2 a GLUT2. Je zajímavé, že zvýšená exprese GLUT2 byla nalezena i ve střevní sliznici diabetiků 2. typu.18 To ukazuje na komplexní regulaci exprese transportních mechanismů u tohoto onemocnění. Se zvýšením reabsorpce glukózy je spojena i zvýšená tubulární reabsorpce Na+, která je u diabetiků rovněž popisována. 19 Zvýšená reabsorpce sodných iontů musí být následována energeticky náročným zvýšením aktivity Na+‑K+‑ATP‑ázy v buňkách proximálního tubulu.20
Renální glukoneogeneze
Glukóza je klíčovým energetickým substrátem pro centrální nervový systém. Organismus proto nemůže být odkázán jen na její příjem potravou, ale musí být schopen glukózu také sám syntetizovat. Tato metabolická dráha se nazývá glukoneogeneze a jsou jí schopny pouze játra a ledviny. Hlavními substráty, z nichž se glukóza syntetizuje, jsou laktát, glycerol a glukogenní aminokyseliny (alanin, kyselina asparagová, kyselina glutamová, glutamin, asparagin a prolin). Játra jsou mimo glukoneogeneze navíc schopna i štěpit zásoby glykogenu (glykogenolýza). Ledviny za fyziologických podmínek obsahují jen velmi málo glykogenu a navíc nemají enzymatickou výbavu nutnou pro jeho štěpení, a proto glykogenolýzy schopny nejsou.21 V postprandiální periodě reagují játra na zvýšenou glykémii snížením glukoneogeneze. V ledvinách však paradoxně dochází k jejímu signifikantnímu zvýšení. Tato reciproční provázanost funguje jak při fyziologických podmínkách, tak i za patologických stavů (anhepatická fáze při transplantaci jater). Jejím smyslem je pravděpodobně prevence potenciálně nebezpečné hypoglykémie. Renální glukoneogeneze podléhá hormonální regulaci. Pro její inhibici je nejdůležitější inzulin, který jednak omezuje dostupnost výše uvedených substrátů (nepřímý účinek) a jednak přímo inhibuje některé glukoneogenetické enzymy.22 Naopak katecholaminy renální glukoneogenezi stimulují, a to opět několika mechanismy: přímou stimulací, inhibicí sekrece inzulinu, zvýšením dostupnosti substrátů. Glukagon na renální glukoneogenezi vliv nemá, stimuluje však glukoneogenezi v játrech. Nepřímé účinky mají i další významné metabolické hormony – glukokortikoidy, hormony štítné žlázy a somatotropní hormon.23 Z uvedeného je zřejmé, že u pacientů s diabetem bude porušena i regulace renální glukoneogeneze, a to především kvůli hormonálním změnám a zvýšení glykémie. Je u nich popisována zvýšená syntéza glukózy v játrech i v ledvinách.24 V relativních číslech (vztaženo na hmotnost orgánu) je u ledvin toto zvýšení dokonce řádově vyšší než u jater. Za zmínku stojí i výrazné zvýšení renální glukoneogeneze při diabetické ketoacidóze. Acidóza sice inhibuje glukoneogenezi v játrech, v ledvinách ji ale naopak stimuluje. Při ketoacidóze jsou proto ledviny zřejmě nejdůležitějším místem pro syntézu glukózy.
Ledviny a ukládání glykogenu
Jak již bylo řečeno, ledviny za fyziologických podmínek neobsahují téměř žádný glykogen. Zvýšená reabsorpce glukózy u diabetiků však způsobuje výrazné patologické ukládání glykogenu.24 V experimentech se streptozocinovým modelem diabetu u potkanů byla nalezena korelace mezi hodnotou glykémie a množstvím glykogenu akumulovaného v ledvinách. Ukládání glykogenu se neobjevuje při akutní hyperglykémii, ale jen jako adaptivní změna při hyperglykémii chronické.25 Hlavním místem, v němž se glykogen akumuluje, je vzestupná část Henleovy kličky. Byl však nalezen i v dalších částech nefronu včetně proximálního tubulu. 26 Do jaké míry se glykogen podílí na zhoršení fyziologických funkcí ledvin, není dosud zcela objasněno.
Závěr
Ze všech uvedených skutečností vyplývá, že ledviny hrají vedle velmi důležitého zapojení do fyziologické regulace glykémie významnou roli také v mnoha patologických stavech. Při nich mohou množství glukózy v krvi zvyšovat i snižovat. Nesporně mají i nezastupitelné postavení při rozvoji řady příznaků spojených s diabetem.
Literatura
1. Ganong W. Review of medical physiology. Stamford: Appleton & Lange, 1997.
2. Vallon V, Platt KA, Cunard R, et al. SGLT2 mediates glucose reabsorption in the early proximal tubule. J Am Soc Nephrol 2011;22:104–112.
3. Sabolic I, Vrhovac I, Eror DB, et al. Expression of Na+‑D‑glucose cotransporter SGLT2 in rodents is kidney‑specific and exhibits sex and species differences. Am J Physiol Cell Physiol 2012;302:C1174–1188.
4. Chen J, Williams S, Ho S, et al. Quantitative PCR tissue expression profiling of the human SGLT2 gene and related family members. Diabetes Ther 2010;1:57–92.
5. Gribble RK, Meier PR, Berg RL. The value of urine screening for glucose at each prenatal visit. Obstet Gynecol 1995;86:405–410.
6. Sabolić I, Skarica M, Gorboulev V, et al. Rat renal glucose transporter SGLT1 exhibits zonal distribution and androgen‑dependent gender differences. Am J Physiol Renal Physiol 2006;290:F913–926.
7. Santer R, Kinner M, Lassen CL, et al. Molecular analysis of the SGLT2 gene in patients with renal glucosuria. J Am Soc Nephrol 2003;14:2873–2882.
8. Oemar BS, Byrd DJ, Brodehl J. Complete absence of tubular glucose reabsorption: a new type of renal glucosuria (type 0). Clin Nephrol 1987;27:156–160.
9. Santer R, Calado J. Familial renal glucosuria and SGLT2: from a mendelian trait to a therapeutic target. Clin J Am Soc Nephrol 2010;5:133–141.
10. Lee H, Han KH, Park HW, et al. Familial renal glucosuria: a clinicogenetic study of 23 additional cases. Pediatr Nephrol 2012;27:1091–1095.
11. Calado J, Sznajer Y, Metzger D, et al. Twenty‑one additional cases of familial renal glucosuria: absence of genetic heterogeneity, high prevalence of private mutations and further evidence of volume depletion. Nephrol Dial Transplant 2008;23:3874–3879.
12. Calado J, Loeffler J, Sakallioglu O, et al. Familial renal glucosuria: SLC5A2 mutation analysis and evidence of salt‑wasting. Kidney Int 2006;69:852–855.
13. Francis J, Zhang J, Farhi A, et al. A novel SGLT2 mutation in a patient with autosomal recessive renal glucosuria. Nephrol Dial Transplant 2004;19:2893–2895.
14. Meyer C, Stumvoll M, Nadkarni V, et al. Abnormal renal and hepatic glucose metabolism in type 2 diabetes mellitus. J Clin Invest 1998;102:619–624.
15. Kamran M, Peterson RG, Dominguez JH. Overexpression of GLUT2 gene in renal proximal tubules of diabetic Zucker rats. J Am Soc Nephrol 1997;8:943–948.
16. Osorio H, Bautista R, Rios A, et al. Effect of phlorizin on SGLT2 expression in the kidney of diabetic rats. J Nephrol 2010;23:541–546.
17. Rahmoune H, Thompson PW, Ward JM, et al. Glucose transporters in human renal proximal tubular cells isolated from the urine of patients with non‑insulin‑dependent diabetes. Diabetes 2005;54:3427–3434.
18. Dyer J, Wood IS, Palejwala A, et al. Expression of monosaccharide transporters in intestine of diabetic humans. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 2002;282:G241–248.
19. DeFronzo RA, Goldberg M, Agus ZS. The effects of glucose and insulin on renal electrolyte transport. J Clin Invest 1976;58:83–90.
20. Körner A, Eklöf AC, Celsi G, Aperia A. Increased renal metabolism in diabetes. Mechanism and functional implications. Diabetes 1994;43:629–633.
21. Stumvoll M, Meyer C, Mitrakou A, et al. Renal glucose production and utilization: new aspects in humans. Diabetologia 1997;40:749–757.
22. Meyer C, Dostou J, Nadkarni V, Gerich J. Effects of physiological hyperinsulinemia on systemic, renal, and hepatic substrate metabolism. Am J Physiol 1998;275:F915–921.
23. Mitrakou A. Kidney: its impact on glucose homeostasis and hormonal regulation. Diabetes Res Clin Pract 2011;93(Suppl 1):S66–72.
24. Meyer C, Woerle HJ, Dostou JM, et al. Abnormal renal, hepatic, and muscle glucose metabolism following glucose ingestion in type 2 diabetes. Am J Physiol Endocrinol Metab 2004;287:E1049–1056.
25. Cersosimo E, Ajmal M, Naukam RJ, et al. Role of the kidney in plasma glucose regulation during hyperglycemia. Am J Physiol 1997;272:E756–761.
26. Nannipieri M, Lanfranchi A, Santerini D, et al. Influence of long‑term diabetes on renal glycogen metabolism in the rat. Nephron 2001;87:50–57.
Vznik článku podpořila Aliance BMS/AZ.
Zdroj: Medicína po promoci