18 листопада, 2025
Інсулінорезистентність при цукровому діабеті: перспективи використання технології індукованих плюрипотентних стовбурових клітин
Інсулінорезистентність асоціюється з кількома метаболічними розладами, зокрема цукровим діабетом 2 типу (ЦД‑2). Розвиток інсулінорезистентності в інсулінозалежних тканинах включає генетичні та набуті фактори. Особи з генетичним ризиком ЦД‑2 схильні до розвитку інсулінорезистентності за кілька років до порушення толерантності до глюкози. Кілька моделей гризунів як для інсулінорезистентності, так і для ЦД‑2 використовуються для вивчення патогенезу захворювання, однак вони не можуть відтворити всі аспекти складного розладу, як це спостерігається в кожної окремої людини. Людські плюрипотентні стовбурові клітини можуть долати перешкоди, з якими стикаються класичні моделі мишей для вивчення інсулінорезистентності. Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (іПСК) можуть бути створені із соматичних клітин пацієнтів без необхідності руйнування людського ембріона. Отже, специфічні для пацієнта іПСК можуть генерувати клітини, генетично ідентичні таким в осіб з інсулінорезистентністю, що може допомогти в розрізненні генетичних та набутих дефектів чутливості до інсуліну.
Ключові слова: цукровий діабет 2 типу, інсулінозалежні тканини, людські плюрипотентні стовбурові клітини, індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, генетичні фактори, моделювання захворювань.
Інсулінорезистентність є характерною ознакою ЦД‑2 та інших пов’язаних метаболічних розладів [1]. Відомо, що кілька спадкових та екологічних факторів беруть участь у розвитку інсулінорезистентності в осіб із ризиком ЦД‑2. Особи з генетичним ризиком розвитку ЦД‑2 схильні до виникнення інсулінорезистентності за кілька років до порушення толерантності до глюкози [1]. ЦД асоціюється з низкою ускладнень, включаючи діабетичний кетоацидоз, некетотичну гіперосмолярну кому або смерть, хвороби серця, інсульт, ниркову недостатність, виразки стопи тощо.
Метаболізм глюкози регулюється зворотним зв’язком між β-клітинами острівців та інсулінозалежними тканинами. За умов інсулінорезистентності β-клітини контролюють нормальну толерантність до глюкози шляхом збільшення рівня секреції інсуліну [2]. Інсулінорезистентність у різних тканинах (жирова тканина, скелетні м’язи, печінка, мозок, кишечник, підшлункова залоза, судини та нирки) призводить до кількох метаболічних розладів, включаючи ЦД‑2, серцево-судинні захворювання, гіпертензію, синдром полікістозних яєчників, жирову інфільтрацію печінки, неалкогольну жирову хворобу печінки, апное, розлад сну, артрит, шкірні захворювання та рак.
Попередні дослідження показали зміни у профілі експресії генів між особами із сімейним анамнезом ЦД‑2 та особами без такого анамнезу. Ці дефекти були здебільшого виявлені в генах, пов’язаних із мітохондріальною функцією та метаболізмом жирів [3]. Однак важко розрізнити, якими саме факторами – генетичними чи екологічними – зумовлені зміни в генних профілях.
Інсулінорезистентність в інсулінозалежних тканинах
Інсулін, що секретується панкреатичними β-клітинами, відіграє критичну роль у широкому спектрі клітин і тканин організму через свою основну дію в регулюванні клітинної енергії та метаболічних процесів макронутрієнтів (вуглеводи, білки, ліпіди), окрім стимулюючої ріст дії через мітогенні властивості [5]. Порушення секреції та/або дії інсуліну може впливати на функціональність більшості органів і зумовлює нормальну фізіологію всього організму.
Інсулін виконує свої функції в інсулінозалежних тканинах через своє зв’язування з рецептором інсуліну (INSR), який активує його нижчі сигнальні шляхи (рис. 1). Інсулін має анаболічний ефект, оскільки сприяє синтезу глікогену, ліпідів і білків, а також інгібує процеси глюконеогенезу та ліполізу [6]. Він також сприяє внутрішньоклітинному поглинанню глюкози через транслокацію інсулінозалежного транспортера глюкози (GLUT4), як у скелетних м’язах так, і в жировій тканині [7]. Ця метаболічна дія інсуліну досягається через шлях фосфатидилінозитол‑3-кінази (PI3K) [8].
Рис. 1. Схема сигнальних шляхів інсуліну:
IRS – субстрат рецептора інсуліну; PI3K – фосфатидилінозитол‑3-кіназа; PIP2 – фосфатидилінозитол‑4,5-бісфосфат;
PIP3 – фосфатидилінозитол‑3,4,5-трифосфат; PDK1 – фосфатидилінозитол-залежна протеїнкіназа 1; aPKC – атипова протеїнкіназа C;
AKT – протеїнкіназа B; AS160 – субстрат Akt 160 кДа; GSK3 – глікогенсинтаза-кіназа 3; FoxO – транскрипційний фактор;
mTORC1 – комплекс mTOR 1; GLUT4 – транспортер глюкози типу 4; F – флотилін; Cbl – білок Cbl; CAP – Cbl-асоційований білок;
CrkII – адаптерний білок; C3G – фактор обміну гуанінових нуклеотидів; TC10 – мала ГТФаза; GTP – гуанозинтрифосфат; P – фосфорилювання
Інсулінорезистентність є станом, при якому клітини неадекватно реагують на циркулюючий інсулін. Іншими словами, це порушена чутливість до інсулін-опосередкованих дій [10]. Відомо, що інсулін контролює вироблення енергії здебільшого через окислення глюкози та інгібування інших джерел, таких як ліполіз, катаболізм білків, глікогеноліз та глюконеогенез. Однак за умови інсулінорезистентності ці процеси активуються як альтернативне джерело глюкози.
Дисфункція β-клітин, пов’язана з інсулінорезистентністю
Порушення гомеостазу глюкози, що регулюється петлею зворотного зв’язку між інсулінозалежними тканинами та панкреатичними β-клітинами, призводить до ЦД‑2, який асоціюється з аномальним підвищенням рівня глюкози в крові (рис. 2). Інсулінорезистентність і дисфункція панкреатичних β-клітин є основними характерними ознаками патологічних станів ЦД‑2.
У пацієнтів із ЦД‑2 дисфункція β-клітин виникає внаслідок інсулінорезистентності в інсулінозалежних тканинах [19]. На ранніх стадіях інсулінорезистентності β-клітини намагаються компенсувати та контролювати гомеостаз глюкози через вироблення більшої кількості інсуліну [22]. Однак при хронічному тривалому впливі гіперглікемії β-клітини секретують велику кількість інсуліну, що призводить до стресу ендоплазматичного ретикулуму та виснаження β-клітин з одночасним виснаженням запасів інсуліну [23].
Гіперглікемія також може індукувати окисний стрес, запалення, проапоптотичну та апоптотичну експресію генів у β-клітинах [25]. Підвищений рівень вільних жирних кислот (ВЖК) та глюкози у плазмі внаслідок інсулінорезистентності призводить до глюколіпотоксичності, що веде до недостатності β-клітин [26].
Рис. 2. Патологічний ефект та наслідки інсулінорезистентності:
INSR – рецептор інсуліну; IRS – субстрат рецептора інсуліну; PI3K – фосфатидилінозитол‑3-кіназа; AKT1/AKT2 – протеїнкінази B; mTORC1 – комплекс mTOR 1; FOXO1 – транскрипційний фактор; TBC1D4 – білок із доменом TBC1; червоні зірочки позначають генетично дефектні молекули, про які повідомляється в літературі
Механізми, що лежать в основі розвитку інсулінорезистентності
Інсулінорезистентність виникає внаслідок нездатності інсулінозалежних тканин належним чином використовувати інсулін, що зумовлено багатьма факторами. Причини інсулінорезистентності включають генетичні та екологічні фактори. Останні, такі як нездорове харчування, ожиріння, відсутність фізичної активності, фармакологічні агенти, стрес, цитокіни та гормони, можуть впливати на сигнальний шлях інсуліну [37].
Тваринні моделі інсулінорезистентності та їх обмеження
Більшість тваринних моделей, які використовують для вивчення інсулінорезистентності, отримуються шляхом дії стресу, дієти, травм, хімічних речовин і різних комбінацій, що імітують умови цього стану [39]. Водночас існує кілька генетично модифікованих моделей тварин з інсулінорезистентністю, таких як нокаутна модель миші IRS (IRS-/-), модель миші з нокаутом Akt2 (Akt2-/-), нульовий мутант миші Glut4+/- та миші Glut2-/- [39, 40]. Хоча вищезгадані тваринні моделі надали багато інформації про механізми інсулінорезистентності, вони не змогли вирішити всі питання, пов’язані з розвитком цієї патології у людських тканинах і кореляцією між інсулінорезистентністю та дисфункцією β-клітин.
Вивчення інсулінорезистентності в людських інсулінозалежних тканинах
Молекулярна й генетична основа розвитку інсулінорезистентності в інсулінозалежних тканинах, таких як скелетні м’язи, жирова тканина та печінка, не повністю зрозуміла. Попередні дослідження з використанням біопсії м’язів показали, що мітохондріальна ДНК, мітохондріальні гени та білки субодиниць дихального ланцюга пригнічені в осіб з інсулінорезистентністю порівняно зі здоровим контролем [41].
Жирова тканина вважається основним регулятором дії інсуліну в організмі; тому дефекти в сигналізації інсуліну в адипоцитах спричиняють системну інсулінорезистентність. Це вказує на те, що порушення в сигналізації інсуліну жирової тканини є загальною ознакою інсулінорезистентності [45]. Транспортер глюкози GLUT4 значно знижений у підшкірних жирових клітинах пацієнтів із ЦД‑2 і в здорових осіб із генетичною схильністю до ЦД‑2 [46].
Сигналізація інсуліну в печінкових клітинах має вирішальне значення для підтримання нормальної функції печінки та регулювання гомеостазу глюкози [54]. Печінка активує поглинання глюкози та зберігання глікогену, але інгібує глікогеноліз і глюконеогенез. Прогресування печінкової інсулінорезистентності відіграє критичну роль у патогенезі ЦД‑2.
Використання іПСК для вивчення інсулінорезистентності
Хоча тваринні моделі надали знання про патогенез певних форм інсулінорезистентності та ЦД, вони не можуть відобразити всі патофізіологічні особливості людських захворювань через фізіологічні відмінності між людьми та тваринами. Повідомлялося, що генетичний склад моделі миші задіяний у змінах фенотипічного результату, навіть коли та сама мутація відтворюється в мишей із різним генетичним складом.
Для подолання вищезгаданих обмежень встановлення моделі людських клітин пропонує унікальну можливість зрозуміти патофізіологію людських захворювань. Технологія іПСК може забезпечити моделі людських клітин для вивчення патофізіології інсулінорезистентності. Генерування специфічних для пацієнта іПСК від осіб з інсулінорезистентністю з конкретними мутаціями або сімейним анамнезом цього стану та ЦД може бути використане для вивчення генетичних факторів, залучених у розвиток захворювання.
Індуковані ПСК були успішно створені від пацієнтів із різними формами ЦД, включаючи моногенні форми, мітохондріальний діабет [62, 63], ЦД‑2 [64], а також ЦД‑1 [65]. Моногенні форми інсулінорезистентності можуть бути змодельовані з використанням технології іПСК.
Моделі іПСК для інсулінорезистентності
Кілька досліджень показали генерування іПСК від пацієнтів із інсулінорезистентністю; однак усі ці дослідження зосереджувалися на дуже специфічній формі захворювання, яка зумовлена мутаціями в гені INSR [66-69]. Два із цих досліджень створили іПСК від пацієнтів із мутаціями INSR (INSR-Mut) (синдром Донохью), сфокусувавшися на впливі INSR-Mut на плюрипотентність і мітохондріальну функцію в недиференційованих INSR-Mut іПСК [68, 69].
Було показано, що INSR-Mut іПСК дефектні у здатності до самооновлення, оскільки інсулін та його нижчі сигнальні шляхи беруть участь у регулюванні унікальних властивостей самооновлення та плюрипотентності в недиференційованих іПСК [70]. Крім того, INSR-Mut іПСК мають мітохондріальні дисфункції, включаючи зміни в кількості та розмірі мітохондрій [68].
Диференціація INSR-Mut іПСК у скелетні міотуби демонструє дефекти в сигналізації інсуліну, поглинанні глюкози, накопиченні глікогену та зміненій експресії генів сигналізації інсуліну [66]. Інша модель іПСК для інсулінорезистентності була створена з фібробластів пацієнта із цим захворюванням та вродженою генералізованою ліподистрофією (CGL), аутосомно-рецесивним захворюванням внаслідок мутації гена BSCL2 [73].
Індуковані ПСК також використовувалися для розуміння полігенної форми інсулінорезистентності. У нещодавньому дослідженні вчені використовували технологію іПСК для розуміння патогенезу псоріазу, шкірного захворювання, та його зв’язку з інсулінорезистентністю [79]. Результати показали, що кератиноцити, отримані зі специфічних для пацієнта іПСК із псоріазом, мають генетичні зміни у транскриптах, пов’язаних з інсулінорезистентністю, включаючи IRS2 і GDF15 та транспортери глюкози GLUT10 і GLUT14 [79].
Інше нещодавнє дослідження показало генерування великої кількості ліній іПСК від осіб із/без інсулінорезистентності. Порівняння профілів транскриптому між іПСК, отриманими від 52 осіб з інсулінорезистентністю та 48 інсулін-чутливих осіб, показало 1388 диференційно-експресованих генів між обома групами [82]. Дев’ять із цих генів (BNIP3, CARS, IDH1, NDUFB1, HMGCR, HPN, FDPS, SLC27A1 та TMEM54) були визнані пов’язаними з інсулінорезистентністю та ЦД‑2 [82].
Обмеження іПСК як in vitro моделі для вивчення інсулінорезистентності
Існують деякі виклики, пов’язані з використанням моделей на основі іПСК. Наприклад, потрібні надійні протоколи для диференціації іПСК у бажані типи клітин для вивчення метаболічних захворювань. На даний час доступні протоколи для їх диференціації в основні інсулінозалежні клітини (адипоцити, скелетні м’язи та гепатоцити) [76, 83-85], а також панкреатичні β-клітини.
Варіабельність біологічних властивостей іПСК, отриманих від різних осіб, показує різницю у природі диференціації в бік даної клітинної лінії. Це природно впливає на послідовність інтерпретації фенотипів [86]. Результати, отримані від популяцій різного генетичного походження, можуть показувати відмінності.
Генерування моделі іПСК для інсулінорезистентності є порівняно складним процесом, оскільки метаболічні захворювання зазвичай розвиваються із часом і можуть вказувати на слабкі фенотипічні зміни в умовах in vitro [88]. Редагування геному в іПСК може бути використано для вивчення генів-кандидатів, залучених у розвиток інсулінорезистентності та ЦД [87].
Висновки
Метаболічні захворювання, такі як ЦД, призводять до кількох життєзагрозливих ускладнень. Для розробки лікування важливо розуміти фактори, що зумовлюють їх розвиток. Інсулінорезистентність асоціюється з кількома метаболічними розладами, однак генетичні фактори, які сприяють її виникненню, значною мірою залишаються невідомими.
Технологія людських іПСК може забезпечити клітини, генетично ідентичні таким пацієнтів з інсулінорезистентністю та ЦД. Ці специфічні для пацієнта іПСК можуть бути диференційовані в усі типи клітин, залучені до інсулінорезистентності, такі як скелетні м’язи, адипоцити та гепатоцити, а також інші типи клітин.
Інсулінорезистентність, розвинена через мутацію або дефект в одному гені (моногенна), може бути вивчена з використанням іПСК. Однак поширена форма захворювання, яка асоціюється з генетичними дефектами в кількох генах, є більш складною для вивчення з використанням технології іПСК. Останні досягнення в інструментах редагування геному дозволяють вводити або виправляти мутації у специфічних для пацієнта іПСК та людських ембріональних стовбурових клітинах, а також генерувати нокаутні моделі іПСК.
Крім того, нещодавні дослідження асоціацій по всьому геному (GWAS) ідентифікували кілька нових генів, залучених у розвиток інсулінорезистентності та ЦД. Тому поєднання технології іПСК, інструментів редагування геному та досліджень GWAS може допомогти в розумінні генетичних дефектів, пов’язаних з інсулінорезистентністю. Однак поширена форма цього захворювання не спричинена дефектом одного гена – у прогресування інсулінорезистентності залучена група генів.
Крім того, встановлення ефективних протоколів диференціації для інсулінозалежних клітин важливе для вивчення генетичних дефектів. Наразі більшість протоколів диференціації для цих клітин добре встановлені, однак гетерогенність створених клітин усе ще потребує вирішення. Одним із рішень є очищення цільових клітин із використанням поверхневих маркерів або інших методів.
Таким чином, хоча прогрес у використанні технології іПСК для вивчення інсулінорезистентності очевидний, потрібні подальші кроки в цьому напрямку, оскільки лінії іПСК дуже корисні для дослідження основних механізмів інсулінорезистентності та пов’язаних із нею метаболічних розладів.
Реферативний огляд підготував Максим Голуб
За матеріалами: Elsayed A.K., Vimalraj S., Nandakumar M., Abdelalim E.M. Insulin resistance in diabetes: The promise of using induced pluripotent stem cell technology. World J Stem Cells. 2021 Mar 26;13(3):221-235. doi: 10.4252/wjsc.v13.i3.221.
Тематичний номер «Акушерство. Гінекологія. Репродуктологія» № 4 (65) 2025 р.
