Det har sedan länge varit känt att plasmanivåerna för insulin varierar rytmiskt och att denna periodicitet avspeglar pulserande frisättning av hormonet från pankreas. I en översiktsartikel i Läkartidningen från 1991 kunde vi rapportera experimentella och kliniska iakttagelser som visar att de cykliska variationerna av insulin är väsentliga för att förhindra uppkomsten av diabetes [1]. De senaste årens forskning har inte bara betonat betydelsen av insulinoscillationer utan också bidragit till att förklara mekanismerna för deras uppkomst. Vi har därför funnit det angeläget att ge en aktuell översikt av framstegen inom forskningsområdet.


Cykliska variationer av cirkulerande insulin
I likhet med ett antal andra hormoner kommer insulin i blodet att följa dygnsrytmen. Det finns också en insulinperiodicitet (30–120 minuter) som beror på cykliska förändringar av glukosnivån [2]. Vi kommer emellertid enbart att diskutera oscillationer av cirkulerande insulin som beror på beta-cellernas endogena rytm. Ursprungligen uppgavs att denna periodicitet var 12–14 minuter, dvs betydligt längre än de insulinpulser som produceras i isolerade langerhanska öar från human pankreas [3]. Efter förbättringar av analystekniken har det visats att pankreas frisätter insulin med periodiciteten 3–6 minuter [2, 4, 5].


Beta-cellens endogena rytm
Beta-cellen är elektriskt retbar och depolariseras rytmiskt av glukos. Härvid öppnas potentialberoende kanaler, vilket ger periodiskt inflöde av Ca2+ och därmed den ökning av cytoplasmatiskt Ca2+ som stimulerar insulinsekretionen. Det är svårt att direkt studera hur enskilda beta-celler frisätter insulin. Mätningar av cytoplasmatiskt Ca2+ i levande beta-celler har därför i hög grad bidragit till förståelsen av sekretionens dynamik. Sålunda kunde vi redan 1988 rapportera att glukos orsakar oscillatorisk ökning av cytoplasmatiskt Ca2+ med 2–10 minuter långa cykler [6]. Isolerade beta-celler kan beskrivas som biologiska oscillatorer med olikheter i sin endogena rytm (Figur 1A). Pulsatil frisättning av insulin är en komplex process, som utöver nivån av Ca2+ också påverkas av andra periodiska variationer i beta-cellernas cytoplasma, exempelvis cykliskt AMP (adenosinmonofosfat) och ATP (adenosintrifosfat).


Ca2+-oscillationerna påverkas av överlagrade spikar
Studier av isolerade beta-celler visar att de glukosinducerade Ca2+-oscillationerna ibland är överlagrade med snabba spikar (Figur 2A). Dessa spikar beror inte på inflöde av Ca2+ utan på mobilisering av intracellulärt Ca2+. Spikarna har ofta en hyperpolariserande effekt (ökning av K+-permeabiliteten), vilket temporärt avbryter inflödet av Ca2+ genom de potentialberoende jonkanalerna. Om Ca2+-kanalerna blockeras med antagonister som metoxiverapamil kan spikarna studeras oberoende av Ca2+-oscillationerna (Figur 2). Försöksmodellen visar att Ca2+-spikarna är synkroniserade i närbelägna celler både i när- och frånvaro av direkt cellkontakt (Figur 2B). Detta kan förklaras med att beta-cellerna kommunicerar med signalmolekyler. Vi vet nu att extracellulärt ATP synkroniserar beta-cellernas Ca2+-spikar [7]. Figur 3 presenterar en modell för hur beta-celler via purinerga receptorer tar emot ett ATP-budskap. Härigenom genereras Ca2+-spikar, vilka stimulerar frisättningen av ATP från beta-cellernas sekretoriska granula. Processen initierar en kedjereaktion genom att frisatt ATP påverkar närbelägna beta-celler.


Synkronisering av beta-cellerna inom en ö
I de langerhanska öarna finns grupper av nästan perfekt synkroniserade beta-celler [8, 9], som är elektriskt kopplade via gap junctions [10]. Ca2+-rytmiken är också väl synkroniserad i hela ön, vilket ger upphov till 3–6 minuter långa insulinpulser (Figur 1B). Förutom den elektriska kopplingen sker samordningen via diffusibla faktorer, företrädesvis ATP. ATP-utlösta Ca2+-spikar har sålunda en synkroniserande effekt på oscillationerna i närbelägna beta-celler/aggregat (Figur 4). Studier av olika
fysikaliska system, som urladdning av kondensatorer, har visat att oscillatorer kan fås att samverka via utifrån kommande stimuli [11]. I det aktuella fallet kommer spikarna via hyperpolarisering att ge den förändring av membranpotentialen som får öarnas beta-celler att samverka också då de saknar direkt kontakt.


Anpassningen av öarna till samma oscillatoriska fas
Pulserande frisättning av insulin i portavenen förutsätter att beta-cellernas aktivitet samordnas såväl inom den langerhanska ön som mellan öarna i pankreas. Som ovan nämnts är varje ö en funktionell enhet, vilken i isolerat tillstånd frisätter insulin med en periodicitet liknande den i andra öar. För att få en miljon öar i pankreas att samverka i en gemensam insulinpuls är det nödvändigt att låsa deras Ca2+-oscillationer i samma fas (Figur 1C). Detta sker via nervösa impulser (Figur 3) från ett nätverk av intrapankreatiska ganglier liknande de som finns i tarmen. Ganglierna är autonoma och har en synkroniserande effekt även i frånvaro av centralnervöst inflytande. Nervernas betydelse illustreras av att frisättningen av insulin från en lever med transplanterade öar blir pulserande först efter reinnervering [12].
I likhet med enstaka beta-celler (se ovan) är öarna i pankreas kopplade oscillatorer som synkroniseras via plötsliga förändringar av membranpotentialen. Härav följer att signalen från ganglierna har en samordnande effekt utan att dess periodicitet behöver motsvara den som finns i öarna. Huvudscenariot är att ATP, som frisatts från nerver, via purinerga receptorer ger en hyperpolariserande Ca2+-spik, vilken vidarebefordras till närbelägna beta-celler inom ön (Figur 3). Andra transmittorer med samordnande effekt är gaserna NO (kvävemonoxid) och CO (kolmonoxid) [13].


Möjligheter att påverka insulinrytmiken i cirkulerande blod
En ökning av blodets glukoskoncentration ger insulinoscillationer med större amplitud men har obetydlig inverkan på frekvensen [2]. På liknande sätt kommer sulfonylurea och glukagonlik peptid 1 (GLP-1) att förstärka oscillationerna medan inhibitorer av sekretionen, såsom somatostatin, har motsatt effekt. Störningar av insulinfrisättningens rytmik uppträder redan i förstadierna till diabetes [2]. Man kan med farmaka avlägsna oscillationerna utan att minska mängden cirkulerande insulin [14]. Ett intressant exempel är att inhibering av en receptor för ATP på cellytan ger kontinuerlig förhöjning av insulin i portavenen (Figur 5). Iakttagelsen understryker betydelsen av ATP som samordnare av pulserande insulinfrisättning inom och mellan öarna i pankreas.


Betydelsen av insulinoscillationer
Störningar av insulinfrisättningens pulsatilitet, och därmed oscillationerna i blodet, kan användas som en markör för att identifiera förstadier till diabetes [2]. Vid kontinuerlig exponering för insulin försvinner dess receptorer från målcellernas yta genom internalisering. Oscillationerna motverkar denna nedreglering och minskar sålunda behovet av insulin [1].
Inom öarna har såväl glukagonproducerande (alfa)-celler som beta- cellerna själva receptorer för insulin. Det finns därför anledning att anta att såväl den autokrina regleringen av beta-cellerna som dessa cellers parakrina effekt på (alfa)-cellerna förstärks av att insulinfrisättningen är rytmisk. Ett annat målorgan för insulin är exokrina pankreas. För snart 60 år sedan framfördes hypotesen att uppdelningen av endokrin pankreas i en miljon langerhanska öar garanterar att den exokrina delen exponeras för höga lokala koncentrationer av insulin [15]. Det är därför värt att notera att förtunnade partier av kapillärväggen (fenestrationer), som gör det lätt för insulinet att passera, förekommer också utanför öarna i pankreas. Exokrina celler runt öarna företer olika tecken på förhöjd aktivitet [16]. Ett annat uttryck för betydelsen av insulin är att de exokrina pankreascellernas funktion ofta är nedsatt vid diabetes [17]. Insulinets akuta effekter på exokrina pankreas tycks huvudsakligen bestå i potentiering av klassiska stimuli som kolecystokinin [18].
Ett viktigt målorgan för insulin är levern, vars sinusoider innehåller talrika fenestrationer. Det har övertygande visats att oscillationer av insulin ger mer uttalad hämning av levercellernas glukosproduktion än när motsvarande mängd tillförs kontinuerligt [2]. Av särskilt intresse är att oscillationerna av insulin i portavenblod är fasförskjutna 180° jämfört med oscillationerna av glukagon (Figur 6). Som en följd av denna antisynkroni kommer levercellerna att exponeras för mest insulin när koncentrationen av blodsockerhöjande glukagon är som lägst [19].
Nästan 80 procent av det insulin som frisätts från pankreas tas upp under sin första passage genom levern [4]. Leverns förmåga att extrahera insulin från blodbanan är särskilt uttalad vid höga koncentrationer av hormonet. Härigenom kommer amplituden av insulinoscillationerna i perifert blod att påtagligt reduceras. Trots denna minskning förbättras det perifera upptaget av glukos vid närvaro av insulinpulser, men effekten visar sig först efter 6–7 timmar [2]. Det är möjligt att denna förbättring är en indirekt effekt, medierad av levern, eftersom kapillärerna i fett- och muskelceller saknar fenestrationer.


Insulinoscillationer och behandling av diabetes
Aktuella forskningsresultat motiverar att man inom kliniken ägnar ökad uppmärksamhet åt insulinrytmiken. Som ovan nämnts är denna rytmik väsentlig för att öka levercellernas extraktion av insulin från blodet, motverka nedreglering av dess insulinreceptorer och medverka till att målcellerna exponeras för insulin växelvis med glukagon. Vid behandling av diabetes bör man därför eftersträva att återställa normala fysiologiska variationer av insulin i levern. Detta kan ske genom stimulering av den pulsatila komponenten i hormonfrisättningen från befintliga beta-celler, rytmisk tillförsel av insulin till portavenen och transplantation av pankreas eller isolerade langerhanska öar. Det har rapporterats att den vanligen använda tekniken för att transplantera humana öar till levern efter en tid ger oscillationer av cirkulerande insulin [5].
Diabetesläkemedel bör öka den pulsatila och inte den basala komponenten av insulinfrisättningen. Det har rapporterats att vissa sulfonylureasubstanser, liksom stimulering av GLP-1-receptorerna, har denna effekt [2, 20]. Det är tillsvidare oklart om GLP-1, utöver att öka amplituden av insulinpulserna genom en direkt effekt på beta-cellerna (förhöjt cykliskt AMP), också förbättrar synkroniseringen genom att stimulera de nerver som anpassar öarna till samma oscillatoriska fas.

Potentiella bindningar eller jävsförhållanden: Erik Gylfe är aktieägare i Cyclocrine AB, som utvecklar utrustning för pulserande hormontillförsel.


Figur 1. Beta-cellernas endogena rytm och hur denna förändras till synkrona 3–6 minuters oscillationer inom och mellan öarna i pankreas.



Figur 2. Glukosinducerade Ca2+-spikar i beta-celler. A. Spikarna är normalt överlagrade oscillationerna men kommer efter hämning av Ca2+-kanalerna (50 µmol/l metoxiverapamil) att utlösas från basalnivån. B. Synkronisering av Ca2+-spikar i de enskilda beta-celler/aggregat (a, b, c) som visas till höger i figuren.



Figur 3. Modell för synkronisering av Ca2+-spikar genom bindning av ATP till purinerga receptorer på beta-cellernas yta. Beta-cellerna är inte bara mottagare av en ATP-signal (från nerver etc) som ger spikar genom att mobilisera Ca2+ från det endoplasmatiska retiklet (ER), utan kan också vidarebefordra signalen genom att ATP frisätts via exocytos. Ca2+-spikarna aktiverar ofta hyperpolariserande K+-kanaler och kan därmed temporärt avbryta den elektriska aktiviteten.



Figur 4. Synkronisering av Ca2+-oscillationer i närbelägna celler/aggregat studerade under betingelser avsedda att gynna uppkomsten av spikar (syns inte beroende på låg tidsupplösning). Närbelägna celler (b och c) har i motsats till översta cellen (a) väl synkroniserade Ca2+-oscillationer (korrelation = 0,90).



Figur 5. Betydelsen av purinerga receptorer (P2Y) för pulserande frisättning av insulin från pankreas. Pulsatiliteten försvinner då receptorerna hämmas med MRS 2179.



Figur 6. Pulserande frisättning av insulin och glukagon vid perfusion av pankreas med 20 mmol/l glukos. Analyser av 30 sekunders fraktioner av perfusat visar att insulinpulserna är antisynkrona jämfört med glukagon. Data från råtta [19].