Действие гормональных препаратов на поджелудочную железу

Поджелудочная железа относится к смешанным железам. В ней одновременно с образованием пищеварительного сока секретируются гормоны, поступающие в кровь. Эндокринная часть железы представлена группами панкреатических островков Лангерганса диаметром 100-300 мкм, которые сформированы яйцевидными клеточными скоплениями, богатыми капиллярами и разбросанными по телу поджелудочной железы. Они составляют около 2% объема железы, тогда как вся эндокринная часть — 80%, остальное приходится на протоки и кровеносные сосуды.

Общее количество островков колеблется в пределах 1-2 млн. Каждый из них имеет хорошее кровоснабжение, кровь из них поступает в воротнню вены печени. Клетки в островках разделяют на типы по их морфологическим свойствам. У человека различают четыре различных типа клеток: 1) А, 2) В, 3) D и 4) F. Эти клетки называют также  1) альфа, 2) бета, 3) дельта, 4) ПП или PP.  Клетки А (альфа) секретируют глюкагон (10-30% от общего количества клеток островков), клетки В (бета) — инсулин (60-80%), клетки D (дельта) — соматостатин (около 10%) и F (ПП, PP) — панкреатический полипептид (3-5%).

Клетки типа В расположены в центре каждого островка, окружены клетками A, D и F. Островки на теле, хвосте, передней и верхней части головки поджелудочной железы человека имеют много А-клеток и лишь несколько F- клеток во внешней части, тогда как в задней — сравнительно много F-клеток и мало типа А.

Доказано также наличие в островковом аппарате эпсилон-клеток (менее 1% всего пула клеток островковков), которые секретируют «гормон голода» грелин, возбуждающий аппетит.

В островках поджелудочной железы образуются три основных гормона: инсулин, глюкагон и соматостатин. Все они являются белками.

Инсулин.

Синтезируется в В (бета) клетках; полипептид, состоящий из двух пептидных цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Синтезированный сначала в виде проинсулина, гормон, проходя через аппарат Гольджи, накапливается в гранулах уже в виде активного инсулина. Эти процессы проходят с участием цАМФ. Основным стимулятором синтеза проинсулина является глюкоза, в меньшей степени — манноза и лейцин.

На образование инсулина влияют и гормоны — СТГ, глюкагон, адреналин. Но, например, глюкагон стимулирует синтез инсулина только при наличии глюкозы, то есть, в данном случае он является агонистом глюкозы. Образование гормона возрастает при условии потребления пищи с высоким содержанием углеводов, в случае ожирения, беременности, а также в условиях хронического избытка гормона роста. Образование гормона тормозится на фоне повышения в крови уровня адреналина, низкого содержания в пище углеводов и высокого — жиров, во время голодания.

Непосредственным катализатором секреции готового гормона инсулина служат ионы кальция. Поэтому процессы, приводящие к увеличению внутри В (бета) — клеток этих ионов, обеспечивают рост концентрации гормона в крови. Наиболее мощными стимуляторами синтеза является сама глюкоза или её метаболиты.

Поступление инсулина в кровь приводит к снижению в ней уровня глюкозы. Механизм действия инсулина определяется его взаимодействием с рецепторами клеточных мембран. Плотность рецепторов, как и их сродство с гормоном, непостоянны. Так, чувствительность к инсулину повышается при голодании, а в случае увеличения концентрации гормона в крови, наоборот, прогрессивно снижается.

Физиологические эффекты инсулина долгосрочные и сложные, их можно разделить на быстрые, промежуточные и медленные.

Главным эффектом гормона является увеличение трансмембранного транспорта глюкозы, что обеспечивает усвоение её клетками, и, соответственно, снижение концентрации глюкозы в крови. Особенно это характерно для клеток печени и скелетных мышц. В печени инсулин обеспечивает усиление синтеза гликогена из глюкозы, а в высокой концентрации может даже ингибировать ферменты, расщепляющие гликоген, и тем самым блокировать его использование.

Влияние на печень ярко проявляется после еды, благодаря чему глюкоза из крови быстро поступает в депо. В случае избытка гликогена в клетках печени под влиянием инсулина из глюкозы синтезируется жир. В скелетных мышцах поступившая глюкоза может использоваться для синтеза гликогена (если мышца не сокращается) или для образования АТФ при выполнении физической работы.

При недостаточной выработке инсулина развивается сахарный диабет. В этом случае ткани не могут в полной мере потреблять глюкозу из крови, поскольку нарушается её транспорт в клетки, что приводит к накоплению глюкозы в крови (гипергликемии) и появлению сахара в моче. Поскольку глюкоза является основным энергетическим веществом организма, в клетках происходит интенсивное окисление жиров и накопление продуктов их распада — ацетона, ацетоуксусной и p-гидроксимасляной кислот (кетоновых тел). Эти вещества, накапливаясь в крови, оказывают токсическое воздействие на ЦНС, вызывая развитие тяжелого состояния — диабетической комы.

Инсулин оказывает также и стимулирующее влияние на рост. Это митогенное влияние гормона, вероятно, обусловлен его участием в синтезе печеночного соматомедина. Возможно, это обусловлено участием инсулина в белковом обмене: под влиянием гормона активируется трансмембранный транспорт многих, хотя и не всех, аминокислот, также инсулин повышает скорость транскрипции ДНК в ядре клеток.

Инсулин влияет также на обмен жиров. Избыток глюкозы, поступившей в печень под влиянием инсулина, превращается не в гликоген, а в жир, а образующиеся жирные кислоты транспортируются кровью в жировую ткань. Аналогично влияние инсулина на образование жиров и в клетках жировой ткани.

Таким образом, хотя инсулин и является одним из основных регуляторов углеводного обмена, он участвует в регуляции обмена и других органических соединений. Поэтому в случае его недостатка (при диабете) наступают значительные патологические изменения в организме.

Глюкагон.

Пептид, как и инсулин, образуется путем протеолиза из прогормона. Кристаллы активного гормона образуют А (альфа)-клетки островков поджелудочной железы и клетки верхнего отдела пищеварительного тракта. Секреция глюкагона подавляется вследствие повышения внутри клетки концентрации свободного кальция, что происходит, например, под влиянием глюкозы.

Глюкагон является одним из основных физиологических антагонистов инсулина, что особенно проявляется на фоне дефицита последнего. Глюкагон влияет прежде всего на печень, где стимулирует расщепление гликогена (гликогенолиз), обеспечивая таким образом быстрый рост концентрации глюкозы в крови. Биологические эффекты гормона обусловлены взаимодействием с соответствующим рецептором и последующей стимуляцией образования цАМФ. Под влиянием гормона также стимулируется расщепление белков, липидов, а синтез белков и жиров подавляется.

Соматостатин.

Синтезированый в D (дельта)-клетках островков полипептид соматостатин имеет короткий период полураспада (около 5 мин). Конечно, стимуляторы секреции инсулина повышают образование и соматостатина, который преимущественно ингибирует секрецию инсулина, глюкагона, а также гормона роста.

Таким образом, между отдельными клетками островков Лангерганса проявляется тесная взаимосвязь: инсулин ингибирует секреторную активность А (альфа) клеток, глюкагон — стимулирует секрецию В (бета) клеток, а соматостатин ингибирует активность А (альфа) и В (бета) — клеток.

Препараты    гормонов  поджелудочной   железы

Поджелудочная железа вырабатывает несколько гормонов:

глюкагон, инсулин, соматостатин, гастрин.

Из них инсулин имеет наибольшее практическое значение.

Инсулин вырабатывается  в-клетками островков Лангерганса.

Клетки поджелудочной железы постоянно высвобождают небольшое базальное количество инсулина. 

В ответ на различные стимулы (особенно глюкозу) выработка инсулина значительно повышается.

Недостаток инсулина или избыток факторов, которые противодействуют его активности,

приводят к развитию сахарного диабета — тяжелого заболевания,

которое характеризуется:

       высоким уровнем глюкозы в крови (гипергликемия)

       выделением ее с мочой  (концентрации в первичной моче превышают  возможности

                                                последующей реабсорбции   —  глюкозурия)

       накоплением продуктов нарушенного обмена жиров  — ацетона, оксимасляной кислоты  —

                                                 в крови с интоксикацией и развитием ацидоза (кетоацидоз)

       выделением их с мочой (кетонурия)

       прогрессирующим поражением капилляров почек

       и сетчатой оболочки глаз (ретинопатия)

       нервной ткани

       генерализованным атеросклерозом

Механизм действия инсулина:

1, Связывание с рецептором

В мембранах клеток для инсулина есть специальные рецепторы,

взаимодействуя с которыми  гормон в несколько раз усиливает поглощение ими глюкозы.

Важно для тканей, в которые без инсулина  глюкозы поступает очень мало (мышечная, жировая).

Усиливается поступление глюкозы и в органы, которые достаточно снабжаются ею и без инсулина (печень, мозг, почки).

2. Поступление в мембрану белка-переносчика глюкозы

В результате связывания гормона с рецептором активируется ферментная часть рецептора (тирозинкиназа).

Тирозинкиназа  включает в работу другие ферменты обмена веществ в клетке и поступление из депо в мембрану белка-переносчика глюкозы.

3. Комплекс инсулин-рецептор входит внутрь клетки и активирует работу рибосом

(синтез белка) и генетического аппарата.

4. В результате в клетке усиливаются  анаболические процессы и угнетаются катаболические.

Эффекты   инсулина

В целом оказывает анаболическое и антикатаболическое действие

Углеводный обмен

-Ускоряют транспорт глюкозы через цитолемму в клетки

-Тормозят глюконеогенез

  (превращение аминокислот в глюкозу)

-Ускоряют образование гликогена

  (активирует глюкокиназу  и гликогенсинтетазу) и

  тормозит гликогенолиз (ингибирует фосфорилазу)

Жировой обмен

-Подавляет липолиз (подавляет активность липазы)

-Увеличивает синтез жирных кислот,

  ускоряет их эстерификацию

-Тормозит превращение жирных кислот и аминокислот

  в кетокислоты

Белковый обмен

-Ускоряет транспорт аминокислот в клетку, увеличивает синтез белка и рост клетки

Действие инсулина:       

На печень

— усиление депонирования глюкозы  в виде гликогена за счет

           торможения  гликогенолиза,

                                  кетогенеза,

                                  глюконеогенеза

           (это отчасти  обеспечивается  усилением транспорта глюкозы в клетки и ее фосфорилирования)

На скелетные мышцы

— активация синтеза белка вследствие

            усиления транспорта аминокислот и увеличения рибосомальной активности,

— активация синтеза гликогена,

            израсходованного при мышечной работе

             (вследствие усиления транспорта глюкозы).

На жировую ткань

— увеличение депонирования триглицеридов

            (наиболее эффективная форма сохранения энергии в организме)

            за счет уменьшения липолиза и стимуляции этерификации жирных кислот.

Симптомы:     жажда (полидипсия)

                            повышенный диурез (полиурия)

                            повышенный аппетит (полифагия)

                            слабость

                            снижение массы тела

                            ангиопатия

                            нарушение зрения  и др.

Этиологическая классификация   нарушений гликемии (ВОЗ, 1999)

Результат  применения инсулина— многосторонние положительные сдвиги обмена:

Активация углеводного обмена.  

Усиление транспорта глюкозы  в клетки

Усиление использования глюкозы в цикле трикарбоновых кислот и поставке глицерофосфата Увеличение перевода глюкозы в гликоген

Торможение глюконеогенеза

Снижение уровня сахара в крови – прекращение глюкозурии.

Трансформация жирового обмена в сторону липогенеза.

Активация образования триглицеридов из свободных жирных кислот

  в результате поступления в жировую ткань глюкозы и образования глицерофосфата

Снижение уровня свободных жирных кислот в крови и

  уменьшение их превращения в печени в кетоновые тела — устранение кетоацидоза .

Уменьшение образования в печени холестерина.

   ответственного за развитие диабетогенного атеросклероза

Вследствие усиления липогенеза возрастает масса тела.

Изменения белкового обмена.

Экономия фонда  аминокислот за счет торможения  глюконеогенеза

Активация синтеза РНК

Стимуляция синтеза и торможение распада белков.

Лечение  диабета:

За молекулу инсулина Нобелевская премия присуждалась дважды:

В 1923 г – за его открытие (Фредерик Бантинг и Джон Маклеод)

В 1958 г – за установление химического состава (Фредерик  Сенгер)

Немыслимая скорость внедрения открытия в практику:

От гениального озарения до проверки действия препарата на собаках  с удаленной поджелудочной железой прошло всего 3 месяца.

Через 8  месяцев инсулином лечили первого пациента,

Через 2 года фармацевтические компании могли обеспечить им всех желающих.

Голоднаядиета.

Banting and Best.

Слово Banting в английском языке стало общеизвестным за 60 лет до открытия инсулина – благодаря Уильяму  Бантингу, гробовщику и непомерному толстяку.

На Сент-Джеймс стрит в Лондоне до сих пор сохранился его дом, вывеска и лестница.

По этой лестнице в один прекрасный день Бантинг не смог спуститься, так  он растолстел.

Тогда он сел на голодную диету.

Свой опыт похудания Бантинг изложил в брошюре «Письмо о тучности, адресованное общественности».   Книга вышла в 1863 г и мгновенно стала бестселлером.

Его система приобрела такую популярность, что слово «бантинг» в английском языке получило значение «голодная диета».

Для  англоязычной публики сообщение об открытии инсулина учеными по фамилии Бантинг и Бест  прозвучало как каламбур: Banting and Best  —  Голодная диета и Лучший.

До начала ХХ века вызванные диабетом  слабость, утомляемость, постоянную жажду, мочеизнурение  (до 20 л мочи в сутки), незаживающие язвы на месте малейшей ранки и др.  можно было продлить единственным эмпирически найденным способом – морить  голодом.

При диабете 2-го типа это помогало довольно долго, при  1-м типе – несколько лет.

Причина развития диабета стала отчасти понятна в 1674 году,

когда лондонский врач Томас Виллис попробовал мочу больного на вкус.

Она оказалась сладкой  из-за того, что организм любыми путями избавлялся от сахара.

Связь диабета с нарушениями функции поджелудочной железы   выявлена середине ХIХ века.

В 1900-1901 гг сформулировал принципы получения инсулина.

Уровень сахара в крови регулирует гормон островков Лангерганса поджелудочной железы –

предположил в 1916 г английский физиолог Шарпи-Шефер.

Оставалось главное – выделить инсулин из поджелудочных желез животных и применить его  для лечения людей.

Первым, кому это удалось, оказался канадский врач Фред Бантинг.

Бантинг занялся проблемой  диабета без опыта работы и серьезной научной подготовки.

Прямо с родительской фермы он поступил в университет Торонто.

Затем служил в армии, работал хирургом в полевом госпитале, был тяжело ранен.

В госпитале стал читать литературу по диабету, так как его друг  умер от этой болезни.

После демобилизации Бантинг устроился на должность младшего преподавателя анатомии и физиологии университета Торонто.

Он тут же предложил заведующему  кафедрой профессору Джону Маклеоду заняться выделением гормона поджелудочной железы.

Маклеод, крупный специалист в области диабета, прекрасно знал, сколько известных ученых десятилетиями  безуспешно бились над этой проблемой, поэтому предложение  он отклонил.

Но через несколько месяцев Бантинг предложил идею, которая осенила его в 2 часа ночи в апреле 1921 г:

перевязать протоки поджелудочной железы, чтобы в ней перестал вырабатываться трипсин.

Идея оказалась правильной, т.к. трипсин переставал расщеплять белковые молекулы инсулина, и инсулин стало возможно выделить.

Маклеод уезжал в Шотландию и разрешил Бантингу 2 месяца пользоваться своей лабораторией, опыты ставить за свой счет.  Даже выделил в помощники студента Чарльза Беста.

Бест умел виртуозно определять концентрацию сахара в крови и моче.

Чтобы добыть средства Бантинг продал все свое имущество, но на получение первых результатов вырученных денег не хватило.

Через 2 месяца профессор вернулся и чуть было не выгнал Бантинга и Беста из лаборатории.

Но, разобравшись, чего успели достичь исследователи, немедленно подключил к работе всю кафедру во главе с собой.

Бантинг  не стал подавать заявку на патент.

Разработчики сначала попробовали препараа на себе – по обычаю тогдашних врачей.

Правила  тогда были простыми, а больные диабетом умирали, поэтому совершенствование методов выделения и очистки проводили параллельно с клиническим применением.

Они рискнули  сделать укол мальчику, который должен был умереть через несколько дней.

Попытка оказалась неудачной – неочищенный экстракт поджелудочной железы не подействовал

Но через 3 недели 23 января 1922 г после инъекции плохо очищенного инсулина у 14-летнего Леонарда Томпсона снизилась концентрация сахара в крови.

Среди первых пациентов Бантинга был его друг, тоже врач.

Еще одну пациентку, девочку-подростка привезла из США в Канаду ее мать-врач.

Девочке была сделана инъекция прямо на вокзале, она была уже в коме.

После того, как пришла в себя, девочка, получая инсулин, прожила еще 60 лет.

Промышленный выпуск инсулина начал врач, жена которого, врач-эндокринолог, болела диабетом, датчанин Авгус Крог (Ново Нордиск – датская фирма, которая до сих пор является одним из крупнейших производителей инсулина).

Свои премии Бантинг поровну поделил с Бестом, а Маклеод с Коллипом (биохимик).

В Канаде Бантинг стал национальным героем.

В 1923 г университет Торонто (через 7 лет после его окончания Бантингом) присвоил ему степень доктора наук, избрал профессором и открыл новое отделение – специально для продолжения работы.

Канадский парламент выделил ему ежегодную пенсию.

В 1930 Бантинг стал директором научно-исследовательского института имени Бантинга и Беста, был избран членом Королевского общества в Лондоне, получил звание рыцаря Великобритании.

С началом 2-й Мировой войны он пошел на фронт добровольцем, организатором медицинской помощи.

22 февраля 1941 г Бантинг погиб, самолет, в котором он летел, потерпел аварию над снежной пустыней Ньюфаундленда.

Памятники Бантингу стоят в Канаде на родине и на месте его гибели.

14 ноября – день рождения Бантинга – отмечается как день борьбы с сахарным диабетом.

Препараты  инсулина

Ультракороткого   действия

Лизпро (Хумалог)

Начало действия через 15 минут, длительность 4 часа, принимают перед едой.

Регулярный кристаллический  инсулин (устарел),

актрапид МК, МП (свиной), актрапид Ч, илитин Р (регуляр),  хумулин Р

Начало действия через 30 минут, длительность 6 часов, принимают за 30 минут до еды.

Промежуточного    действия

Семиленте МК

Начало действия через 1 час, длительность 10 часов, принимают за час до еды.

Ленте, Ленте МК

Начало действия через 2 часа, длительность 24 часов, принимают за 2 часа до еды.

Хомофан, протофан Ч, монотард Ч, МК

Начало действия через 45 минут, длительность 20 часов, принимают за 45 минут до еды.

Пролонгированного    действия

Ультраленте МК

Начало действия через  2 часа, длительность 30 часов, принимают за 1,5 часа до еды.

Ультраленте илетин

Начало действия через  8 часов, длительность 25 часов, принимают за 2 часа до еды.

Ультратард Ч

Начало действия через  3 часов, длительность 25 часов, принимают за 3 часа до еды.

Хумулин У

Начало действия через  3 часов, длительность 25 часов, принимают за 3 часа до еды.

Препараты короткого действия:

Вводятся инъекционно — подкожно или (при гипергликемической коме) внутривенно

Недостатки — высокая активность на пике действия (что создает опасность гипогликемической комы), малая продолжительность действия.

Препараты средней продолжительности:

Применяются при лечении компенсированного диабета, после лечения препаратами короткого действия с определением чувствительности к инсулину.

Препараты длительного действия:

Вводятся только подкожно.   

Целесообразно сочетание препаратов короткой и  средней продолжительности действия.

МП — монопиковый: очищенный методом гель-фильтрации.

МК — монокомпонентный: очищенный методами молекулярного сита и ионообменной хроматографии (лучшая степень очистки).   

Бычий инсулин отличается от человеческого  3 аминокислотами, большая антигенная активность.

Свиной инсулин отличается от человеческого всего на одну аминокислоту.

Человеческий инсулин  получен по технологии рекомбинантной ДНК (помещая ДНК в дрожжевую клетку и гидролизуя наработанный проинсулин до молекулы инсулина).

Системы доставки инсулина:

Портативный инъектор в виде авторучки.

Инфузионные системы.

Портативные помпы.

Имплантируемый автоинъектор

Имплантируется титановый резервуар с запасом инсулина на 21 день.

Его окружает резервуар, наполненный газообразным фотруглеродом.

Катетер из титанового резервуара соединен с кровеносным  сосудом.

Под действием тепла газ расширяется  и обеспечивает непрерывную подачу инсулина в кровь.

Назальный спрей

Осенью 2005 г Управление по контролю продуктов и лекарств США одобрило первый препарат инсулина в виде назального спрея.

Регулярные инъекции инсулина

Дозирование инсулина: строго индивидуально.

Оптимальная доза должна снижать уровень глюкозы в крови до нормы, устранять глюкозурию и другую симптоматику сахарного диабета.

Области подкожных инъекций (разная скорость всасывания): передняя поверхность брюшной стенки, наружная поверхность плеч, передняя наружная поверхность бедер, ягодицы.

Препараты короткого действия – в область живота (более быстрое всасывание),

Препараты продленного действия – в бедра или ягодицы.

Плечи неудобны для самостоятельных инъекций.

Эффективность терапии контролируется путем

-систематического определения «голодного» уровня сахара в крови и

-выделения его с мочой за сутки

Наиболее рациональный вариант лечения сахарного диабета 1 типа –

Режим многократных инъекций инсулина, имитирующий физиологическую секрецию инсулина.

В физиологических условиях

базальная (фоновая) секреция инсулина происходит непрерывно и составляет 1 ЕД инсулина в час.

При физической нагрузке инсулиновая секреция в норме уменьшается.

Во время еды

Требуется добавочная (стимулированная) секреция инсулина (1-2 ЕД на 10 г улеводов).

Эту сложную секрецию инсулина можно имитировать следующим образом:

Перед каждым приемом пищи вводятся препараты короткого действия.

Базальная секреция поддерживается препаратами пролонгированного действия.

Осложнения инсулиновой терапии:

Гипогликемия

В результате

-несвоевременного приема пищи,

-необычной физической нагрузки,

-введения необоснованно высокой дозы инсулина.

Проявляется

-головокружением,

-тремором,

-слабостью

Гипогликемическая кома

Возможно развитие инсулинового шока, потеря сознания, летальный исход.

Купируется приемом  глюкозы.

Осложнения сахарного диабета

Диабетическая кома

Вследствие 

-применения недостаточных доз инсулина,

-нарушения диеты,

-стрессовых ситуаций.

Без немедленной интенсивной терапии диабетическая кома (сопровождается отеком мозга)

всегда ведет к летальному исходу.

В результате

-нарастающей интоксикации ЦНС кетоновыми телами,

-аммиаком,

-ацидотического сдвига

Экстренная терапия  проводится внутривенным введением инсулина.

Под влиянием большой дозы инсулина в клетки вместе с глюкозой входит калий

(печень, скелетные мышцы),

Концентрация калия в крови резко падает. В результате — расстройства сердечной деятельности.

Иммунные нарушения.

Инсулиновая аллергия, иммунная резистентность к инсулину.

Липодистрофия в месте инъекции.

С целью предупреждения рекомендуется смена мест введения инсулина в пределах одной области.