Inkretiny (GIP a GLP-1) – aktuální pohled na patofyziologii a klinické perspektivy

prof. MUDr. Jan Škrha, DrSc.

III. interní klinika, 1. LF UK a VFN, Praha

Objevení hormonů trávicí trubice, které regulují sekreci endokrinní části slinivky, se stalo významným mezníkem nejen pro hlubší poznání fyziologických regulací, ale bylo startem k novému přístupu v léčbě diabetu a obezity. V roce 1978 představil profesor Werner Creutzfeldt na kongresu Evropské asociace pro studium diabetu (EASD) poprvé inkretinový efekt, který spočívá ve 2–3x větší stimulaci sekrece inzulínu po požití sacharidu glukózy než po jejím intravenózním podání při dosažení stejné glykemie (tzv. izoglykemie)¹. Tento fenomén je podmíněn dvěma hormony, glukózo-dependentním inzulinotropním polypeptidem (GIP) a glukagon-like peptidem-1 (GLP-1), které se uvolňují ze specifických buněk trávicí trubice vlivem přijaté potravy. Studium GLP-1 vedlo od roku 1987 nejprve k novým poznatkům na poli regulace sekrece inzulínu², následně pak k průkazu normalizace glykemie po aplikaci GLP-1 u diabetiků 2. typu³. Další rozvoj bádání s GLP-1 vedl ke studiu jeho analogů a tím ke klinickému využití ve studiích, které doložily mnohotné efekty přesahující rámec regulace glukózové homeostázy. Zatímco GLP-1 tak získal jednoznačné postavení v současné medicíně, GIP, který byl původně nazván gastrický inhibiční peptid, zůstal mnoho let nevyužit pro klinickou praxi. Následující přehled uvádí aktuální poznatky včetně srovnání obou polypeptidů a výhled do klinického využití nově uváděného duálního GIP/GLP-1 agonisty.

Fyziologické působení GIP a GLP-1

Více než tři desítky let experimentální práce ukázaly rozdíly v působení obou hormonů včetně rozdílů při srovnání zvířecích modelů s aplikací u člověka. V tomto přehledu, který je věnován především lékařům, se zaměřím pro zjednodušení na efekty obou inkretinů u člověka. To však jistě neubírá na celkovém významu obou hormonů v širším pojetí fyziologických regulací a vztahů odhalených na základě experimentálních prací na zvířatech. V současné době se považuje za primární fyziologickou úlohu obou hormonů jejich inkretinový efekt, který podmiňuje efektní sekreci inzulínu vedoucí k dosažení normoglykemie.

GIP je produkován v K buňkách lokalizovaných v duodenu a proximálním jejunu, kdežto GLP-1 syntetizují L-buňky distálního ilea, ale též tlustého střeva a rekta (gradient jeho syntézy narůstá v distálních partiích střeva). Oba hormony jsou syntetizovány jako prohormony, tedy proGIP a proglukagon, z něhož vzniká v A-buňkách pankreatu glukagon, kdežto v L-buňkách střeva jednak dva „glukagon-like“ peptidy, GLP-1 a GLP-2 a vedle nich ještě glicentin a oxyntomodulin.² Další výzkum však ukázal, že biologicky aktivní formou jsou GLP-1[7-36 amide] a GLP-1[7-37].⁴ Na sekreci obou hormonů se podílí požitá potrava, a to zejména obsahující sacharidy a tuky (především triglyceridy), kdežto proteiny se podílejí na jejich sekreci málo, resp. spíše se uplatňují aminokyseliny.⁴ Plazmatická koncentrace obou hormonů nalačno je velmi nízká (v pikomolech na litr), po požití potravy rychle stoupá a maxima dosahuje asi za hodinu. Vzestup GIP po stimulaci potravou je větší než vzestup GLP-1.⁵ Přestože je GLP-1 produkován v distálních částech střeva, jeho koncentrace stoupá prakticky současně s GIP.⁴ Úloha signálů z horní části trávicího traktu, které by stimulovaly i sekreci GLP-1, je předmětem výzkumu.

GIP i GLP-1 působí na cílovou buňku prostřednictvím transmembránových G-proteinových receptorů, které byly prokázány nejen v endokrinních buňkách pankreatu, ale též v dalších orgánech (srdci, cévách, podkožní a viscerální tukové tkáni).⁵ Dále byly receptory pro GIP prokázány u člověka v kosterním svalu, plicích a na osteoblastech, pro GLP-1 v játrech a ledvinách, kdežto v mozku zatím u zvířat.⁵ Je tedy zřejmé, že působení obou hormonů je daleko širší, než se původně předpokládalo. To by vysvětlovalo jejich další účinky, které se postupně dokládají i v klinických studiích.

a) Působení inkretinů na sekreci inzulínu (B-buňku pankreatu)

Oba hormony působí na B-buňku pankreatu prostřednictvím membránových receptorů jen za přítomnosti zvýšené koncentrace glukózy. Právě hyperglykemie, která podmíní uzavření draslíkových kanálů a vzestup kalcia v buňce, umožní regulované působení obou inkretinů. Jejich efekt stoupá při narůstající hyperglykemii a naopak při glykemii 3,7 mmol/l považované za prahovou hodnotu je účinnost GLP-1 i ve velmi vysoké koncentraci nulová.⁶ Při porovnání jejich efektu se ukázalo, že GIP je hlavním inkretinovým hormonem.⁵ Tento závěr se potvrdil i při použití specifických vysoce účinných antagonistů obou hormonů (GIP[3-30] a GLP-1(exendin[9-39]), které blokují jejich biologické působení.⁷ To odpovídá i již zmíněné vyšší koncentraci GIP v porovnání s GLP-1 dosažené po stimulaci. V účinnosti obou inkretinů byly shledány rozdíly nejen mezi zvířaty a člověkem, ale též i interindividuálně.

b) Působení inkretinů na sekreci glukagonu (A-buňku pankreatu)

Studium účinků GLP-1 ukázalo, že nalačno hormon inhibuje sekreci glukagonu a snižuje tvorbu glukózy játry.⁸ Při hypoglykemii však efekt GLP-1 chybí a koncentrace glukagonu stoupá, kdežto při hyperglykemii se uplatní účinek GLP-1 a sekrece glukagonu je potlačena.⁶ GIP naopak stimuluje sekreci glukagonu a to i při nepřítomnosti hypoglykemie.⁹ Jeho působení je tedy v protikladu ve srovnání s účinkem GLP-1. Dále se ukázalo, že při navození isoglykemie je sekrece glukagonu více potlačena po nitrožilní aplikací glukózy než po perorálním podání glukózy. To se vysvětluje stimulací GIP a současně i GLP-2 po perorálním podání glukózy, kdežto při nitrožilní aplikací glukózy stimulace obou hormonů chybí.⁵

c) Vliv inkretinů na energetický metabolismus

Klinické studie doložily velmi příznivý efekt GLP-1 receptorových analogů na redukci hmotnosti, a to nejen u diabetiků, ale i u obézních nediabetiků. V popředí zájmu je proto působení obou inkretinových hormonů na metabolismus tukové tkáně, resp. ovlivnění chuti k jídlu, pocitu sytosti, množství konzumovaného jídla, případně energetického výdeje. U zdravých jedinců vede farmakologická dávka GLP-1 k poklesu chuti k jídlu, snížení množství konzumovaného jídla a zvýšení pocitu sytosti. Naopak fyziologická plazmatická koncentrace GLP-1 neovlivňuje energetický příjem.

Situace u GIP je složitější a některé výsledky jsou protikladné. Ne všechny studie proběhly u člověka, řada pozorování byla u zvířat a výsledky některých výzkumů existují jen u myší nebo potkanů. To se týká zejména působení obou hormonů v mozku a ovlivnění některých center v hypothalamu. Zatímco GIP aplikovaný nitrožilně u myší vedl k potlačení příjmu jídla, u obézních dobrovolníků se tento inhibiční efekt GIP nedostavil ani při použití farmakologických dávek.¹⁰ GIP podaný současně s GLP-1 snižoval jeho účinek na potlačení příjmu jídla. Je tedy zřejmé, že preklinické studie dokumentující snížení příjmu jídla a potenciálně i pokles hmotnosti po GIP nebyly podpořeny stejnými nálezy u člověka. U obou hormonů nebylo prokázáno ovlivnění energetického výdeje.⁵ Při použití agonistů i antagonistů receptorů pro GIP se ukázal obdobný efekt na tělesnou hmotnost (mírné snížení) nebo energetický příjem.⁵ Tedy souhrnně lze uvést, že zatímco u zvířecích studií působil GIP snížení příjmu potravy a pokles hmotnosti podobně jako GLP-1, jsou výsledky u lidských dobrovolníků po podání GIP rozdílné.

d) GIP a tuková tkáň

Řada prací týkajících se vlivu GIP na tukovou tkáň vede k rozdílným závěrům. Tukové buňky mají receptory pro GIP, jejichž množství se zvyšuje se zralostí adipocytu. GIP zvyšuje vychytávání glukózy (tedy clearance glukózy), aktivitu lipoproteinové lipázy (LPL) a lipogenezi, tj. reesterifikaci volných mastných kyselin do triglyceridů.⁵ Tuková tkáň působí jako dynamický „pufrovací“ systém lipidů. V postprandiální fázi se kombinuje efekt GIP a inzulínu vedoucí k hydrolýze cirkulujících triglyceridů aktivovanou lipoproteinovou lipázou a ukládáním lipidů do tukové buňky, kdežto nalačno dochází v tukové tkáni k hydrolýze intracelulárně uložených triglyceridů lipázami (HSL) a k uvolnění mastných kyselin jako energetických substrátů. GIP tudíž podporuje ukládání lipidů v rámci tzv. zdravé expanze podkožní tukové tkáně a tím omezuje ektopické ukládání tuku. Pro tuto lipotropní funkci GIP se hormon v řadě studií považuje za obesogenní endogenní hormon tukové tkáně. Proto se diskutuje o jeho vlivu na obezitu též při podávání s GLP-1.¹¹

Studie u neobézních osob ukázaly, že působení GIP v tukové tkáni se pojí s inzulínem, a to jak v souvislosti s krevním průtokem, tak metabolismem. To se týká též pozorovaného efektu transportu triglyceridů do adipocytu, neboť GIP nemění clearance triglyceridů bez přítomnosti inzulínu.⁵ U obézního jedince dochází k rezistenci na GIP. Ukázalo se, že množství GIP receptorů i jeho účinek s obezitou klesá, kdežto při poklesu hmotnosti navozeném restrikcí přijímaných kalorií naopak účinek GIP stoupá.¹² V tukové tkáni GIP dále zvyšuje expresi cytokinů (IL-6) a chemokinů (MCP-1), ale jedná se spíše o fyziologickou reakci, která pouze v situaci vystupňované inzulínové rezistence může mít charakter zánětlivé reakce. Některé studie doložily protizánětlivé působení GIP spolu s redukcí hmotnosti.¹³

e) Další efekty inkretinů

Studium vlivu obou inkretinů na vyprazdňování žaludku ukázalo jednoznačný efekt GLP-1 (zpomalené vyprazdňování), kdežto GIP je zcela bez efektu.⁵ Vlivem GLP-1 dochází ke zpomalení transportu potravy do dalších úseků trávicí trubice, oploštění vzestupu glykemie a triglyceridů v krvi, ale též i ke snížení motility a sekrece žaludku a exokrinního pankreatu. Zatímco za normálního stavu nutrienty nedospějí do distálních úseků střeva (a tím k L buňkám), při průjmu naopak dochází se stimulaci sekrece GLP-1 nutrienty s následným omezením motility a sekrece (tzv. ileální brzda).¹⁴

Zajímavé účinky byly popsány u kostního metabolismu, i když většinou u zvířecích modelů. Stimulace GIP receptorů vedla ke vzestupu osteoblastické aktivity a potlačení osteoresorpce. Podobné efekty se supresí funkce osteoklastů byly popsány i u GLP-1. Tyto efekty zřejmě souvisejí s provázejícími anabolickými procesy, nicméně v dosavadních klinických studiích nebyly konzistentní účinky pozorovány.¹⁵

Agonisté GLP-1 receptoru doznaly již velkého zhodnocení svého vlivu na kardiovaskulární systém v řadě klinických studií. Tyto účinky ovlivnily jejich postavení v rámci terapie diabetu 2. typu (viz níže). Naproti tomu jsou pozorování efektu GIP teprve v počátcích.⁵ Nicméně GIP podobně jako GLP-1 také zvyšuje srdeční frekvenci, krevní průtok v portálním řečišti i v podkožní tukové tkáni. Ukazuje se, že GIP snižuje oxidační stres v endotelových buňkách. Mnohé účinky však zůstávají ještě k objasnění zejména pak v klinických studiích.

Účinky obou inkretinů, GIP a GLP-1, jsou přehledně shrnuty v tabulce 1.

Působení GIP a GLP-1 u diabetu 2. typu

Poznatky o fyziologickém působení obou inkretinů u zdravých jedinců vedly ke studiu jejich účinků u diabetiků 2. typu. Pro tento typ diabetu je příznačná porucha sekrece inzulínu v kombinaci s různým stupněm inzulínové rezistence. Vznikla tudíž otázka, jak se promítá inkretinový efekt do těchto změn, zda je jeho porucha příčinou diabetu anebo zda je následkem diabetu.⁵

a) Inkretinový efekt u diabetu 2. typu

Původně se předpokládalo, že diabetes 2. typu se vyznačuje sníženou sekrecí obou inkretinů. Ukázalo se však, že sekrece GIP i GLP-1 je u diabetiků 2. typu srovnatelná se zdravými jedinci. Nicméně inkretinový efekt, tedy vzestup sekrece inzulínu (i C-peptidu) je u diabetiků 2. typu třetinový v porovnání se zdravými jedinci. Na tomto efektu se podílí především nedostatečná stimulace B-buněk podmíněná GIP jako hlavním inkretinovým hormonem. Podle současných poznatků jde o kombinaci sníženého množství GIP receptorů na B-buňkách a redukovaného množství B-buněk. Stav bývá označován jako GIP rezistence.⁵ Tyto změny se zřejmě promítají do bludného kruhu, přičemž progrese diabetu přispívá ke zhoršování glykemií, které zpětně negativně působí na sekreci inzulínu.⁴ V případě GLP-1 byla u diabetu 2. typu popsána jen velmi mírná porucha stimulace a při hyperglykemii reagují B-buňky na podání GLP-1 zřetelným poklesem glykemie. A právě tato odlišnost mezi účinkem GLP-1 a GIP vedla ke klinickému uplatnění agonistů GLP-1 receptoru na rozdíl od GIP, který zůstal řadu let bez klinického využití. Uvedený rozdíl mezi GIP a GLP-1 ve vztahu k B-buňce není zatím zcela vysvětlen a je předmětem dalšího bádání. Předpokládá se negativní efekt hyperglykemie (včetně možné glukotoxicity) na genovou expresi GIP receptorů. Tomu by nasvědčovala studie o částečné úpravě efektu GIP na B-buňku po normalizaci glykemie.¹⁶

b) Sekrece glukagonu u diabetu 2. typu

Při diabetu 2. typu byla dokladována zvýšená sekrece glukagonu. I zde se uplatňuje rozdílné působení obou inkretinů. GIP stimuluje sekreci glukagonu a to jak při glykemii nalačno, tak při hypoglykemii, ale též i při hyperglykemickém clampu.⁵ Naproti tomu GLP-1 potlačuje sekreci glukagonu při hyperglykemii, ale nikoli při normální glykemii nalačno. Právě toto inhibiční působení GLP-1 na sekreci glukagonu, které se pojí s potlačením tvorby glukózy v játrech a poklesem glykemie, vedl k využití GLP-1 v klinické praxi na rozdíl od GIP. Současné podání GIP a GLP-1 u pacientů s diabetem 2. typu nevedlo k větší stimulaci sekrece inzulínu, než podmínilo samotné podání GLP-1 a navíc vlivem GIP nedošlo k potlačení sekrece glukagonu jako po samotném GLP-1.¹⁷

c) Tuková tkáň u diabetu 2. typu

Působení GIP v tukové tkáni diabetiků je ovlivněno jeho sníženým inzulinotropním efektem, neboť právě v tukové tkáni se uplatňuje společné působení GIP a inzulínu. Efekt GIP je podmíněn stavem jeho receptorů na adipocytech v bílé tukové tkáni. Právě GIP receptory lokalizované v tukové tkáni vedly k odhalení velmi dynamického působení GIP v metabolismu lipidů. Při diabetu 2. typu je tato pufrovací kapacita tukové tkáně pro lipidy snížena, neboť je porušena regulační úloha GIP, který fyziologicky zvyšuje krevní průtok tukovou tkání, snižuje hladinu cirkulujících volných mastných kyselin a stimuluje vychytávání glukózy a uskladnění triglyceridů v tukové tkáni. Působí tak na dynamiku metabolismu lipidů v adipocytu, která se však zlepšuje po hmotnostním úbytku. GIP též zvyšuje citlivost adipocytu k inzulínu včetně zvýšení transportu glukózy zprostředkovaného GLUT4. Při diabetu 2. typu jsou tyto děje zhoršeny (dysregulovány), což se promítá do zvýšeného ukládání tuků v ektopických lokalizacích – zejména v játrech, pankreatu a svalu. Jedná se o důsledky gluko- a lipotoxicity, které se uplatňují i v patogenezi zhoršeného inkretinového efektu zejména GIP. Proto je významná co nejlepší kompenzace diabetu, neboť dosažení normoglykemie vedlo k částečné reverzibilitě efektu GIP, který se promítá do zlepšení inzulínové senzitivity.

Terapeutické uplatnění kombinace účinků GLP-1 a GIP

GLP-1 doznal využití v klinické praxi již více než desetiletí a to nejen v ovlivnění samotného diabetu. Uplatnění v obezitologii a studie dokládající příznivé efekty v kardiologii a nefrologii vedly v posledních letech k širšímu využití agonistů GLP-1 receptorů. Tyto účinky byly již zevrubně popsány a nejsou předmětem tohoto sdělení.

Fyziologické působení obou inkretinů však otvírá cestu k jejich použití v kombinaci, tedy k současné stimulaci jejich receptorů. Zatímco na některých buňkách jsou receptory pro GIP i GLP-1 (endokrinní buňky pankreatu), v jiných orgánech jsou lokalizovány samostatně v různých buňkách (CNS), kdežto v bílé tukové tkáni byly prokázány jen GIP receptory.¹⁸ Rozdílná lokalizace receptorů může vysvětlovat některé specifické účinky obou inkretinů. Vedle ovlivnění sekrece inzulínu a tudíž i kompenzace diabetu se pozornost upíná k ovlivnění tělesné hmotnosti, a to nejen u diabetiků.

Regulační úloha GIP spočívající ve snížení příjmu potravy a následně i redukci tělesné hmotnosti je zprostředkována centrálně, tedy přes receptory (GIPR) lokalizované v buňkách CNS, zejména ventromediálního jádra hypothalamu. Zatímco izolované působení obou hormonů vedlo k rozdílnému efektu na hmotnost (viz. obesogenní efekt GIP u člověka, kdežto redukce hmotnosti v experimentu na zvířeti a vedle toho redukce hmotnosti vlivem agonistů GLP-1 receptoru), je v popředí pozornosti současná stimulace receptorů obou hormonů.¹⁸ Ze studií totiž vyplynulo, že nelze přenášet výsledky získané na zvířatech také na člověka, neboť právě podání samotného GIP poskytlo kontroverzní údaje.

Fyziologicky jsou zapojeny do regulačních mechanismů oba hormony prostřednictvím jejich receptorů. Proto i zkoumání současné stimulace obou receptorů dává smysl při hledání vhodné molekuly, která by vedla k požadovanému efektu. V případě diabetu 2. typu se jedná o kombinaci tří efektů, totiž stimulace sekrece inzulínu, snížení spotřeby energie a dále zvýšení inzulínové senzitivity. Na tomto základě vznikla duální hypotéza efektu GIP/GLP-1. Zatímco pro stimulaci sekrece se uplatňují receptory pro oba hormony lokalizované na B-buňkách a při lepší kompenzaci se může projevit zlepšující se inkretinové působení GIP, stimulace GIP receptorů v mozkové i bílé tukové tkáni může přinést komplementární efekt k účinku GLP-1.

Tirzepatid

Dosud bylo použito několik molekul s různou odpovědí v uvedených účincích.¹⁸ Slibné výsledky poskytl polypeptid s navázaným řetězcem mastné kyseliny aktivující oba receptory. Takto byl syntetizován tirzepatid (molekula původně označená jako LY3298176), jehož polypeptidová sekvence má stejnou aktivitu jako nativní molekula GIP, ale je méně účinná v oblasti GLP-1 receptoru.¹⁹ Na polypeptid je navázán dvojřetězec C20 nenasycené mastné kyseliny, která umožní prolongovaný účinek s dávkováním jednou týdně (obr. 1). Tato molekula vedla u pacientů s diabetem 2. typu k lepšímu efektu kompenzace diabetu a většímu snížení tělesné hmotnosti než kontrolně použitý dulaglutid.²⁰ HbA_1c klesl o 16, 20, resp. 24 mmol/mol při dávkách 5, 10 a 15 mg v porovnání s 11 mmol/mol u 1,5 mg dulaglutidu. Také hmotnost klesla v závislosti na použité dávce o více než 5–15 % v porovnání s dulaglutidem. Vedlejší gastrointestinální příznaky (nauzea, průjem či zvracení) byly srovnatelné s dulaglutidem kromě nejvyšší dávky 15 mg tirzepatidu, která převyšovala uvedenými příznaky dulaglutid.

Tirzepatid vedl ke zlepšení inzulínové senzitivity, které jen zčásti odpovídalo hmotnostnímu poklesu²¹ a vedle toho snížil nalačno hladinu triacylglycerolu a lipoproteinu ApoB. Použití tohoto duálního agonisty zlepšuje aterogenní lipoproteinový profil. Pro zhodnocení účinku tirzepatidu byly navrženy studie SURPASS.²²

Studie dokládají bezpečnost a toleranci tirzepatidu. Byly provedeny studie srovnávající efekt tří dávek (5, 10 a 15 mg) tirzepatidu s placebem (SURPASS-1), dále s agonisty GLP-1 receptorů dulaglutidem (SURPASS-J) a semaglutidem (SURPASS-2), dlouze působícími inzulíny glarginem (SURPASS-4) a degludekem (SURPASS-3) a krátce působícím inzulínem lispro (SURPASS-6). Studie prokázaly superioritu tirzepatidu v porovnání s komparátory a tedy výraznější efekt na snížení HbA_1c v porovnání se samotnými agonisty GLP-1 receptorů semaglutidem²³ a dulaglutidem²⁰. Současně byl popsán výraznější efekt tirzepatidu na pokles hmotnosti v porovnání s GLP-1 agonisty. Gastrointestinální vedlejší účinky byly přitom srovnatelné se samotnými agonisty GLP-1 receptorů a nejvíce byly vyjádřeny při použití dávky 15 mg tirzepatidu. Ve studiích, kde byl použit jako komparátor inzulín glargin²⁴ nebo degludek²⁵, došlo také k výraznějšímu poklesu HbA_1c, v průměru o 5–10 mmol/mol, při použití tirzepatidu v porovnání s inzulíny. Výrazný pokles hmotnosti při tirzepatidu kontrastoval s jejím vzestupem po inzulínu. Naopak vedlejší gastrointestinální účinky byly zřetelně častější po tirzepatidu.

Inhibitory SGLT2 byly použity zatím jako souběžná medikace, tedy nikoli jako komparátory, ve studii SURPASS-3 a SURPASS-4. Jejich kombinace s tirzepatidem může být přínosem pro pacienty s kardiovaskulárním onemocněním. Vlastní efekt tirzepatidu u pacientů s kardiovaskulárním onemocnění se teprve očekává ve studii SURPASS-CVOT, kde je použit dulaglutid jako komparátor.

Závěr

Duální terapie GIP/GLP-1RA je novou a nadějnou oblastí terapie diabetu 2. typu. Nové molekuly ovlivňující receptory pro oba inkretiny dokládají intenzivnější účinky než poskytovaly dosud agonisté GLP-1 receptorů. Vedle lepší kompenzace diabetu a většího efektu na hmotnost se očekává i zlepšení prognózy pacientů s kardiovaskulárním onemocněním.