Роль глюкозы и инсулина в метаболической регуляции секреции гормона роста

РЕГУЛЯЦИЯ СЕКРЕЦИИ ГОРМОНА РОСТА В НОРМЕ — ЧТО ИЗВЕСТНО НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ?

Гормон роста (ГР), или соматотропин, — это одноцепочечный полипептид, состоящий из 191 аминокислоты. ГР стимулирует физический рост и развитие людей и животных, а также играет важную роль в поддержании нормального функционирования организма, оказывая различные метаболические эффекты, участвуя в процессах репродукции и старения [1][2]. Основным метаболическим действием ГР является стимуляция липолиза и окисления липидов [3–5].

ГР вырабатывается соматотрофными клетками передней доли гипофиза в пульсовом режиме: пик его секреции выпадает на поздние вечерние и ранние ночные часы (циркадный ритм), одновременно с наступлением фазы медленноволнового сна, а амплитуда и частота секреторных пульсов ГР модулируются различными факторами, такими как возраст, половые гормоны, состояние питания [6]. Классическая регуляция секреции ГР осуществляется двумя гипоталамическими гормонами: рилизинг-гормоном ГР (ГРРГ) и соматостатином, которые оказывают на соматотрофы передней доли гипофиза стимулирующее и ингибирующее влияние соответственно (рис. 1). Пульсовые выбросы ГР вызываются аналогичными эпизодами гипоталамической секреции ГРРГ. Было показано, что пассивная иммунонейтрализация ГРРГ у крыс, как и блокада рецепторов ГРРГ специфическим антагонистом у людей, устраняет генерацию пульсов ГР [7][8].

Рисунок 1. Модель физиологической регуляции секреции гормона роста (адаптировано из [19]). ГР синтезируется, хранится и секретируется соматотрофными клетками передней доли гипофиза, получая стимуляцию ГРРГ из гипоталамуса. Чрезмерно высокий уровень ГР в крови дает отрицательную обратную связь гипоталамусу и гипофизу через ось ГР/рецептор-ГР/ИФР-1, предотвращая дальнейшую секрецию ГР. ГР в гипофизе регулируется соматостатином гипоталамуса. Инсулин может напрямую связываться с рецептором инсулина на соматотрофных клетках в гипофизе и ингибировать секрецию ГР [19]. Грелин стимулирует выработку ГРРГ, оказывает слабое тормозящее действие на соматостатин, а также непосредственно стимулирует секрецию ГР из соматотрофных клеток гипофиза. Для ГР-стимулирующего эффекта грелина абсолютно необходимо участие ГРРГ [13].
Примечание: - — торможение; + — стимуляция; ГР — гормон роста; р-ГР — рецептор гормона роста; ГРРГ — гормон роста-рилизинг-гормон; ИФР-1 — инсулиноподобный фактор роста 1.

Базальная секреция ГР определяется массой соматотрофов и тонусом соматостатина. Соматостатин также снижает гипофизарный ответ ГР на ГРРГ [9], базальную секрецию ГР [10] и, вероятно, контролирует циркадный ритм секреции ГР [11]. Все известные стимуляционные тесты ГР (проба с инсулиновой гипогликемией, клонидином, аргинином, пиридостигмином, Л-ДОПА, рилизинг-пептидом-6 ГР) требуют наличия эндогенного ГРРГ для своего эффекта [12][13]. Еще одним известным активатором секреции ГР является грелин — кишечный пептид и лиганд рецептора секретагога ГР. Грелин также непосредственно способствует выработке ГР соматотрофами в дополнение к его стимулирующему воздействию на секрецию ГРРГ и, менее выраженному, — соматостатина [14]. Инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР-1) оказывает значительное ингибирующее влияние на секрецию ГР по механизму отрицательной обратной связи с гипофизом и гипоталамусом. ИФР-1 может ингибировать как спонтанный, так и стимулированный ГРРГ выброс ГР и оказывать стимулирующее влияние на соматостатиновые нейроны [15]. На секрецию ГР оказывает влияние также целый ряд факторов, таких как нейропептиды, нейротрансмиттеры, периферические гормоны, такие как тироксин, глюкокортикоиды, половые стероиды, лептин и различные метаболические сигналы, — все это вместе формирует комплексную регуляцию секреции ГР [16–18]. Одними из ключевых факторов, оказывающих влияние на секрецию и сигналинг ГР, являются глюкоза и инсулин [19][20].

ФУНКЦИИ СЕКРЕТОРНОГО ПРОФИЛЯ ГОРМОНА РОСТА

ГР выполняет две основные функции: стимуляцию роста посредством повышения синтеза ИФР-1 во всех тканях и регуляцию метаболизма (в первую очередь липолиза). При достаточном питании и в присутствии нормальной секреции инсулина метаболическая функция ГР не выражена, но при голодании (подавленная секреция инсулина) ГР становится главным регулятором метаболизма, поставляющим продукты липолиза, как энергетические субстраты, поддерживающие жизненные функции [21].

Индукция тканевого ИФР-1 и, как результат этого, соматический рост также зависят от манеры презентации ГР (пульсовая или постоянная базальная) периферическим тканям. Эксперименты у крыс и людей выявили диаметрально противоположные ответы. У крыс только пульсовое введение ГР подняло уровни матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК) инсулиноподобного фактора роста-1 [22], в то время как этот эффект у людей был выражен только при постоянной инфузии ГР, а стимуляция липолиза была осуществлена именно пульсовым введением ГР, копирующим пульсовый образ эндогенной секреции ГР [22][23].

ВЛИЯНИЕ ПРИЕМА ГЛЮКОЗЫ, ОСТРОЙ И ХРОНИЧЕСКОЙ ГИПЕРГЛИКЕМИИ НА СЕКРЕЦИЮ И СИГНАЛИНГ ГОРМОНА РОСТА

Влияние глюкозы на секрецию ГР было показано еще в начале 1960-х гг. и с тех пор подтверждено многими авторами. Так, хорошо известно, что гипогликемия оказывает стимулирующее действие на секрецию ГР, и поэтому проба с инсулиновой гипогликемией используется в клинической практике для оценки адекватности секреции ГР, в частности, для диагностики соматотропной недостаточности. В то же время пероральный прием глюкозы подавляет секрецию ГР и позволяет оценить ингибирующий контроль секреции ГР [24]. Тем не менее некоторые аспекты патогенетических основ влияния глюкозы на секрецию ГР еще только предстоит изучить.

Исследование данной проблемы на животных моделях затруднено межвидовыми различиями в ответе ГР на нагрузку глюкозой и на голодание. Так, если у людей резкое падение уровня глюкозы в крови стимулирует секрецию ГР, то у крыс оно либо не изменяет, либо подавляет ее [25]. При длительном воздействии высокой концентрации глюкозы на культивируемые клетки передней доли гипофиза крыс был сделан вывод, что непосредственно содержание глюкозы в окружающем растворе модулирует высвобождение ГР, а также снижает его ответ на соматостатин [26].

В последующих исследованиях на моделях крыс in vivo определили, что и острая гипо-, и гипергликемия стимулируют мРНК соматостатина, тогда как мРНК ГРРГ стимулируется только гипергликемией [27].

Хроническая гипергликемия, клинически проявляющаяся сахарным диабетом (СД), также оказывает противоположное воздействие на выработку ГР у людей и крыс.

При СД 2 типа (СД2) данные противоречивы. Спонтанная и стимулируемая ГРРГ секреция ГР может быть увеличена, в норме или снижена [28]. Одной из основных детерминант различий этого ответа является ожирение, при котором пациенты с СД2 демонстрируют значительно меньшую реакцию ГР на ГРРГ по сравнению с худыми людьми и пациентами с диабетом без ожирения [29][30].

СД 1 типа сопровождается повышенной пульсовой секрецией ГР и усиленным выбросом ГР после введения ГРРГ [31][32]. У грызунов СД, вероятно, снижает пульсирующую секрецию ГР и ослабляет его секреторный ответ на ГРРГ. Гипергликемия, по-видимому, напрямую влияет на соматотрофные клетки гипофиза, снижая высвобождение ГР в ответ на ГРРГ или увеличивая высвобождение соматостатина [33–35]. Этот ослабленный ответ ГР восстанавливается после лечения антисывороткой к соматостатину или анестезией пентобарбиталом, которая, предположительно, подавляет высвобождение соматостатина [36]. При стрептозотоцин-индуцированном СД секреция ГР у крыс снижается вместе со снижением мРНК ГРРГ и мРНК соматостатина [37]. Однако важно отметить, что некоторое уменьшение выброса гормонов гипофизом при введении высоких доз стрептозотоцина может быть вторичным по отношению к токсическому разрушению соматотрофных клеток [38]. Суммируя вышеприведенные факты, можно сказать, что автоматическое использование данных, полученных у крыс (самой распространенной модели), для интерпретации динамики ГР у людей требует большой осторожности.

ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ И СОСТОЯНИЙ НА СЕКРЕЦИЮ ГОРМОНА РОСТА

Одним из регуляторов секреции ГР являются аминокислоты, в частности аргинин. Исследования in vivo и in vitro показали, что болюсное введение аргинина повышает экспрессию гена ГР и индуцирует инсулинорезистентность [39].

Повышенные уровни свободных жирных кислот (СЖК) у тучных пациентов также играют роль в патогенезе гипосекреции ГР при ожирении. Для уточнения их роли Maccario M. и соавт. изучали влияние снижения уровня СЖК плазмы, индуцированного пероральным приемом антилиполитического препарата (аципимокса), на ответ ГР на ГРРГ самостоятельно или в сочетании с аргинином. Полученные данные свидетельствовали о том, что острое снижение уровня СЖК в плазме крови у больных ожирением восстанавливает их соматотропную реактивность, в то время как на секрецию ГР у здоровых лиц оно не влияет [40]. Недостаточно изученными являются парадоксальные реакции ГР на повышение СЖК: их фармакологическое повышение блокирует секрецию ГР [41], в то время как при голодании вследствие гипогликемии их эндогенное повышение сопровождается стимуляцией секреции ГР [42].

Во многих исследованиях продемонстрирована обратная связь уровней ГР и индекса массы тела [43], особенно при ожирении (при индексе массы тела более 30 кг/м²) [44]. В целом исследования секреции ГР при ожирении показали снижение как спонтанной [45], так и стимулированной секреции ГР [46]. Однако, согласно полученным позже данным Anderwald C.H. и соавт., именно инсулинорезистентность, а не индекс массы тела, оказывает существенное влияние на уровни ГР — как тощаковые, так и в пероральном глюкозотолерантном тесте (ПГТТ) [47].

Важно отметить, что у пациентов с нарушением секреции ГР как при акромегалии, так и при дефиците ГР нарушена чувствительность к инсулину, причем это никак не связано с жировыми отложениями. При акромегалии наблюдается снижение количества жировой массы и повышение инсулинорезистентности, а мыши с изолированным дефицитом ГР характеризуются лучшей чувствительностью к инсулину, несмотря на избыток жировой массы. У людей с дефицитом ГР определяется увеличение количества жировых отложений в составе тела и уменьшение массы свободного жира, но результаты относительно чувствительности к инсулину противоречивы, так как предполагается существование других факторов, влияющих на инсулинорезистентность [48].

Также имеются данные о подавлении секреции ГР не только при ожирении, но и на фоне переедания [49]. Как известно, оба этих состояния связаны с гиперинсулинемией, что демонстрирует возможность ее преимущественной роли в подавлении секреции ГР. В экспериментах с перееданием установлено, что избыточное потребление пищи в течение 2 дней, еще до появления какого-либо прибавления веса, подавляет секрецию ГР, что на ранних стадиях ослабляет резистентность к инсулину и гиперлипидемию и, в свою очередь, снижает факторы риска сердечно-сосудистых заболеваний [49].

ГОРМОН РОСТА И ИФР-1: ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

С целью подтверждения прямой связи между секрецией ГР и ИФР-1 Hartman M.L. и соавт. в своих работах проводили исследование с введением рекомбинантного ИФР-1 (рИФР-1) человека мужчинам в состоянии эугликемии, голодавшим на протяжении 32 ч, для усиления секреции ГР. В результате инфузии рИФР-1 человека скорость секреции ГР снизилась через ½ мин и оставалась подавленной после этого. В процессе инфузии физиологического раствора (в контрольной группе) скорость секреции ГР оставалась повышенной. Cделан вывод, что секреция ГР, повышенного натощак, быстро подавляется в состоянии эугликемии с помощью низких доз инфузии рИФР-1 человека. Этот эффект рИФР-1, вероятно, опосредуется через рецепторы ИФР-1 независимо от его инсулиноподобного метаболического действия [50]. В других работах с голоданием и введением рИФР-1 Chapman I.M., Hartman M.L. и соавт. определяли время восстановления секреции ГР после его подавления. Результаты работы показали, что ГР сыворотки крови был максимально подавлен в течение 2 ч и оставался подавленным в течение 2 ч после инфузии рИФР-1 человека. Тесная временная связь между секрецией после подавления ГР и падением концентрации свободного ИФР-1, а также отсутствие какой-либо связи с общими концентрациями ИФР-1 позволили предположить, что несвязанный (свободный) ИФР-1 является основным компонентом ИФР-1, ответственным за это подавление [51]. Важно отметить, что на подавление ГР после введения рИФР-1 человека влияет также возраст испытуемых. Chapman I.M. и соавт. пришли к выводу, что способность экзогенного рИФР-1 подавлять концентрацию ГР в сыворотке крови снижается с увеличением возраста. Это говорит о том, что повышенная чувствительность к эндогенной отрицательной обратной связи ИФР-1 не является причиной снижения секреции ГР, которое происходит со старением [52].

ВЛИЯНИЕ ИНСУЛИНА НА СЕКРЕЦИЮ И СИГНАЛИНГ ГОРМОНА РОСТА

Молекулярные механизмы подавления инсулином секреции ГР на данный момент до конца не известны. Ранее было изучено влияние физиологических доз инсулина на уровни стимулированной трийодтиронином (T3) мРНК ГР в опухолевых клетках гипофиза крысы. Инсулин (7 нмоль/л) селективно подавлял стимулированные T3 уровни мРНК ГР в опухолевых клетках гипофиза на 58%. Это подавляющее действие инсулина происходило независимо от синтеза белка и, по-видимому, опосредовано как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровне [53][54].

Известно, что контроль над транскрипцией генов обычно обеспечивается трансактивными транскрипционными факторами, которые связываются с вышестоящими регуляторными элементами. Поскольку инсулин регулирует транскрипцию гена ГР, в некоторых исследованиях было продемонстрировано связывание инсулина через инсулин-индуцированный ДНК-связывающий белок с геном ГР человека, что предполагает трансактивную роль инсулина в опосредовании экспрессии гена полипептидного гормона [55]. B исследованиях Prager и соавт. было проверено влияние инсулина на экспрессию трансфицированного гена ГР человека. Фрагмент гена ГР человека был размножен в pUC18 и трансфицирован кальций-фосфатным шоком в клетки HeLa и GC соответственно. Трансфицированные клетки, выращенные в свободной от сыворотки среде в течение 72 ч, экспрессировали человеческий ГР. Результаты показали, что инсулин (0,7–7 нМ) подавлял как базальную, так и стимулированную гидрокортизоном (100 нМ) экспрессию вновь синтезированного 22-кДа ГР в зависимости от дозы. Инсулин (7 нМ) также подавлял базальные и гидрокортизон-стимулированные транскрипты мРНК ГР в трансфицированных клетках. Промотор ГР определял чувствительность к инсулину через репортерный ген хлорамфениколацетилтрансферазы. Следовательно, цис-действующие регуляторные последовательности, находящиеся в 5’-фланкирующей области пары 497 оснований гена ГР человека, по-видимому, необходимы для ответа гена ГР человека на сигнал инсулина [56]. Также в последнее время обсуждается роль инсулина, синтезированного в паравентрикулярном ядре гипоталамуса, в регуляции секреции ГР гипофизом. Таким образом, патогенетическая связь между секрецией ГР и инсулином не вызывает сомнений, однако фундаментальные основы этой связи требуют дальнейшего изучения [57].

МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ПЕРОРАЛЬНОГО ГЛЮКОЗОТОЛЕРАНТНОГО ТЕСТА НА ПОДАВЛЕНИЕ СЕКРЕЦИИ ГОРМОНА РОСТА: РОЛЬ ГИПЕРИНСУЛИНЕМИИ И ГИПЕРГЛИКЕМИИ

Несмотря на то что влияние перорального приема глюкозы на секрецию ГР описано уже более 50 лет назад [24], точный механизм этого воздействия до сих пор остается неизученным. Стандартизированный ПГТТ с 75 г глюкозы — это широко распространенный метод диагностики нарушений углеводного обмена, таких как нарушенная толерантность к глюкозе и СД, но он также используется для подтверждения или исключения диагноза при клиническом подозрении на акромегалию [58]. Подавление ГР в ПГТТ ниже 1 нг/мл через 2 ч после нагрузки в настоящее время считается критерием исключения акромегалии в дополнение к уровням ИФР-1 в пределах возрастных референсных значений [59].

Предполагается, что подавление ГР в ПГТТ связано с глюкозозависимым повышением уровня соматостатина. Это предположение основывается на данных о том, что у здоровых людей секреция ГР в ответ на ГРРГ или секретагог ГР уменьшается после перорального приема глюкозы [60][61]. Кроме того, ингибитор ацетилхолинэстеразы пиридогистимин нивелирует подавление ГР глюкозой, предположительно, путем супрессии секреции соматостатина гипоталамусом [62].

Позже было высказано предположение о роли грелина в регуляции эффекта глюкозы на ГР [63]. По результатам многофакторного анализа в исследовании Pena-Bello L. и соавт., грелин оказался единственным предиктором тощаковых и пиковых уровней ГР на фоне пероральной нагрузки глюкозой у женщин [64]. Интересно, что некоторые авторы продемонстрировали отсутствие связи максимального подавления ГР именно с приемом глюкозы, выявив аналогичное снижение уровня ГР после приема воды и даже при случайных измерениях, показав, что глюкоза скорее ингибирует спонтанные выбросы ГР [65][66].

Несмотря на недостаточное изучение патофизиологических основ этого процесса, недавно появилось предположение о нарушении взаимодействия между соматостатином и ГРРГ, а также была показана связь между эктопической гипофизарной экспрессией рецептора глюкозозависимого инсулинотропного полипептида и парадоксальной реакцией гормона роста на ПГТТ [67]. Наименее выраженное подавление ГР в ПГТТ наблюдается в подростковом возрасте [68]. Уровни секреции ГР снижаются с возрастом — на 14% каждые 10 лет, начиная с 20-летнего возраста [45], а также было показано, что с возрастом снижаются и уровни максимально подавленного ГР в ПГТТ [69]. Наиболее вероятно это связано с относительным дефицитом ГРРГ и грелина и усиленной секрецией соматостатина у пожилых людей [70]. Для женщин, по сравнению с мужчинами, характерно менее выраженное подавление ГР в ПГТТ как в здоровой популяции [71], так и среди пациентов с акромегалией [72]. Предполагается, что это связано с исходно более высоким базальным уровнем ГР у женщин, что было показано в некоторых исследованиях [73][74]. У пациентов с приобретенной липодистрофией вследствие высокоактивной антиретровирусной терапии ВИЧ-инфекции не наблюдалось обратного повышения уровня ГР во время 2-часового ПГТТ, что предполагает влияние перераспределения подкожной жировой клетчатки на более длительную супрессию ГР [75].

Однако самый простой начальный вопрос о механизме действия ПГТТ никогда не был задан: какой компонент его является патогенетическим: инсулин или глюкоза? У здоровых людей пероральный прием глюкозы сопровождается повышением уровней глюкозы и инсулина и подавлением уровня ГР в сыворотке крови на 2–3 ч, а затем наблюдается отсроченное повышение уровня ГР через 3–5 ч после приема глюкозы [76]. Таким образом, дифференциация специфических ингибирующих эффектов инсулина и глюкозы на ГР становится практически невозможной. Проведение ПГТТ у больных СД 1 типа с отсутствующей секрецией инсулина может быть более информативным, но этические ограничения подобного эксперимента очевидны. Гиперинсулинемический нормогликемический клэмп может быть единственной реалистически доступной моделью.

Фундаментальные механизмы, контролирующие секрецию ГР и его действие, до сих пор недостаточно изучены и противоречивы. Механизмы регуляции секреции ГР фармакологическими препаратами были освещены в множествах исследований с допаминергическими, адренергическими, холинергическими препаратами [77][78]. Так как все они имеют нейронные гипоталамические точки приложения, их исследования позволили судить о нейрорегуляции секреции ГРРГ и, в меньшей степени, соматостатина [79]. Использование антагониста к рецептору ГРРГ [7] и другие физиологические протоколы [12] уже продемонстрировали эффект этих препаратов на секрецию ГРРГ и соматостатина. Их релевантность к физиологической, эндогенной регуляции секреции ГР остается под сомнением: в обычной жизни мы не регулируем выбросы или подавление ГР введением допаминергических или антидопаминергических лекарств, β-блокаторов или антихолинергического пиридостигмина. Парадоксально, но регуляция ГР метаболическими факторами, постоянно присутствующими в нашем организме, никогда не изучалась с достаточной научной точностью. Каким образом пероральный прием глюкозы подавляет ГР — за счет повышения глюкозы или за счет повышения инсулина — это один из примеров. Мы предполагаем, что этот вопрос может быть решен с использованием клэмп-технологий, что никогда не применялось. Это крайне релевантно для понимания роли ГР в патогенезе СД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ использованной литературы позволил сделать вывод, что, несмотря на то, что влияние глюкозы на секрецию ГР известно с середины прошлого столетия, конкретные механизмы подавления секреции ГР пероральным приемом глюкозы остаются неизвестными. Патогенетическая связь между секрецией ГР и секрецией инсулина как при нагрузке глюкозой, так и при других состояниях, характеризующихся инсулинорезистентностью, не вызывает сомнений, однако требует дальнейшего изучения. Принимая во внимание межвидовые различия в ответе ГР на нагрузку глюкозой, оценить изолированное влияние гиперинсулинемии на регуляцию секреции ГР представляется возможным только во время проведения гиперинсулинемического эугликемического клэмп-теста. Исследование причинно-следственной связи и влияния различных факторов на результат при проведении ПГТТ поможет глубже понять механизм секреции ГР, что, в свою очередь, позволит более точно интерпретировать результаты, в том числе и для больных с «парадоксальным ответом».