obrázek 1 - cyklopentanoperhydrofenanthrenové jádro

Transkript

1 Obsah 1. Úvod Steroidy Steroidní hormony Biosyntéza steroidních hormonů Sekrece kortikoidů Sekrece aldosteronu Sekrece kortizolu Sekrece kortikálních androgenů Sekrece pohlavních hormonů Transport kortikoidů Transport kortizolu Transport aldosteronu Signalizace Vazba steroidních hormonů na receptory β hydroxysteroiddehydrogenáza (11β-HSD) Historie Izoformy β-hydroxysteroiddehydrogenáza β-hydroxysteroiddehydrogenáza Inhibitory Funkce 11β-HSD Funkce 11β-HSD Funkce 11β-HSD Účinky glukokortikoidů na organismus Viscerální obezita Viscerální obezita a její spojitost s metabolismem glukokortikoidů Viscerální obezita a její spojitost s 11β-HSD Studie provedené na zvířecích modelech β-HSD knock out kmen myší Zucker rat Kmen myší s nadprodukcí 11β-HSD1 v tukové tkáni model viscerální obezity a metabolického syndromu Studie provedené na lidech Diskuze Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků

2 1. Úvod Obezita je závažným onemocněním, které s sebou navíc přináší i jiné komplikace bezprostředně ohrožující život. Je dobře známo, že zvyšuje rizika kardiovaskulárních onemocnění, napomáhá vzniku diabetes mellitus II. typu, přispívá k problémům s páteří a klouby nehledě na zjevný estetický handicap. Ke zdravotně závažnějším patří obezita viscerální, tedy hromadění útrobního tuku. Údaje mezinárodní zdravotnické organizace (WHO) potvrzují narůstající počet obézních pacientů po celém světě. Zatímco v roce 1995 bylo zaznamenáno 200 milionů obézních lidí na celém světě, v roce 2000 to již bylo 300 miliónů lidí. V některých zemích trpí obezitou až polovina dospělé populace. Na kardiovaskulární choroby jako důsledek obezity umře každý rok až 12 miliónů lidí a přibližně u 177 miliónů má obezita za následek rozvoj diabetes mellitus II. typu. V průmyslově vyspělých zemích je tento problém alarmující a bohužel se začíná objevovat i v zemích rozvojových. Z klinických pozorování vyplývá, že kumulace tuku může být ovlivňována působením glukokortikoidů. U pacientů s Cushingovým syndromem, který je charakterizován zvýšenou hladinou kortizolu v plazmě, nebo u pacientů, kterým jsou podávány glukokortikoidy jako imunosupresiva, lze pozorovat kumulaci tuku ve viscerálních abdominálních partiích. Po objevení důležitého regulačního mechanismu 11βhydroxysteroiddehydrogenázy (11β-HSD), kterým jsou tkáňově specificky řízeny poměry aktivních hydroxyglukokortikoidů a neaktivních ketoglukokortikoidů, se začala intenzivně studovat činnost 11β-hydroxysteroiddehydrogenázy v tukové tkáni s nadějí, že ovlivnění tohoto mechanismu by mohlo být nástrojem k léčbě alespoň některých případů obezity. 2

3 2. Steroidy Substráty 11β-HSD jsou látky, které strukturně patří mezi steroidy. Základním skeletem steroidů je cyklopentanoperhydrofenantrenové jádro (viz obrázek 1) obrázek 1 - cyklopentanoperhydrofenanthrenové jádro a jednotlivé steroidy se liší různými modifikacemi na atomech jádra (např. přítomností alkylového řetězce, hydroxylací apod.). Mezi nejznámější a nejdůležitější steroidy patří cholesterol (viz obrázek 2), který je důležitou stavební molekulou biologických membrán. H O obrázek 2 - cholesterol Je také prekurzorem pro syntézu některých důležitých molekul. Steroidy jsou poměrně rigidní, téměř planární molekuly. Cyklopentanoperhydrofenanthrenová jádra zaujímají převážně energeticky stálejší židličkovou konformaci (viz obrázek 3) obrázek 3 - židličková konformace Vyskytují se mezi nimi též prostorové izomery (obrázek 4). 3

4 obrázek 4 - prostorové izomery Nutnou podmínkou pro katalýzu enzymem 11β-HSD je přítomnost OH- skupiny nebo O= skupiny na 11. pozici cyklopentanoperhydrofenanthrénového jádra. Substráty dále obsahují 5αkonformaci A/B cyklu, 5β-konformace brání vazbě, stejně tak jako velké ligandy na 5α povrchu s výjimkou halogenů. Substráty dále nemohou obsahovat aromatický A cyklus a příliš velké ligandy na C21 (14). Mezi nejdůležitější substráty, které činí z 11β-HSD důležitý faktor regulující metabolismus, patří steroidní hormony, zejména glukokortikoidy, o kterých bude následující kapitola Steroidní hormony Rozdělení steroidních hormonů podle účinku: mineralokortikoidy řídí hospodaření s vodou a solemi glukokortikoidy podílejí se na řízení metabolismu řídí procesy vedoucí ve výsledku k mobilizaci glukózy, připravují organismus na překonání zátěže pohlavní hormony androgeny řídí vývoj samčích sekundárních pohlavních znaků, ovlivňují vývoj psychiky a chování estrogeny, gestageny řídí vývoj samičích sekundárních pohlavních znaků, ovlivňují vývoj psychiky a chování, řídí pohlavní cyklus a zajišťují správný průběh těhotenství 4

5 Rozdělení steroidních hormonů podle počtu uhlíků: C21 - steroidy: 17 = cyklopentanoperhydrofenanthrénové jádro 2 = methylové skupiny na C10 a C13 2 = - CO CH 2 řetězec na C19 C19 - steroidy: 17 = cyklopentanoperhydrofenanthrénové jádro 2 = methylové skupiny na C10 a C13 C18 - steroidy: 17 = cyklopentanoperhydrofenanthrénové jádro 1 = methylová skupina na C Biosyntéza steroidních hormonů Biosyntéza začíná odštěpením postranního alkylového řetězce cholesterolu, čímž vzniká pregnenolon. Pregnenolon je prekurzorem ostatních steroidních hormonů. Podléhá 3β-oxidaci hydroxylové skupiny na keto skupinu a izomeraci dvojné vazby z 5,6 na 4,5, čímž vzniká progesteron. Progesteron poté prochází dalšími modifikacemi: 21- hydroxylací, 11βhydroxylací a dalšími oxidačními procesy na 18. uhlíku, čímž vznikne aldosteron. V zona fascikulata je přítomna 17α- hydroxyláza, proto z pregnenolonu může vznikat 17α-hydroxypregnenolon a z něj 3β- oxidaci hydroxylové skupiny na keto skupinu a izomerací dvojné vazby z 5,6 na 4,5 17α-hydroxyprogesteron. Ten podléhá 21-hydroxylaci a 11βhydroxylaci a vzniká z něj kortizol (viz obrázek 5). 17α-hydroxylace, která je nezbytná pro vznik kortizolu, se nevyskytuje u všech organismů. Chybí např. u ptáků, nebo u některých hlodavců. U těchto živočichů je hlavním glukokortikoidem kortikosteron. Ze 17α-hydroxyprogesteronu může také odštěpením C20 a C21 vzniknout androstendion a navazuje pak syntéza androgenů a estrogenů. Testosteron vzniká z androstendionu redukcí oxo skupiny na C17 pozici. Z testosteronu pak vzniká odštěpením CH 3 skupiny na C19 a aromatizací A cyklu estradiol. Z androstendionu pak stejným způsobem vzniká estron (viz 5

6 obrázek 6). obrázek 5 - schéma biosyntézy kortikoidních hormonů (22) 6

7 obrázek 6 schéma biosyntézy pohlavních hormonů (22) Biosyntéza steroidních hormonů probíhá v různých buněčných kompartmentech. Cholesterol se nejprve uvolní z tukových kapének, poté putuje do mitochondrií, kde dojde k odštěpení postranního řetězce. Další modifikace mohou probíhat v endoplazmatickém retikulu a v mitochondriích. Zde ukázáno na příkladu kortizolu (viz obrázek 7) (20). 7

8 obrázek 7- buněčná kompartmentace syntézy kortizolu (20) Tab. 1 Přehled nejdůležitějších steroidních hormonů hormon počet uhlíků funkční skupiny poloha dvojných vazeb účinky progesteron 21 oxoskupina na C3 4,5 gestagen kortikosteron 21 oxoskupina na C3 hydroxylová skupina na C21 4,5 glukokortikoid hydroxylová skupina na C11 kortizol 21 oxoskupina na C3 hydroxylová skupina na C21 hydroxylová 4,5 glukokortikoid skupina na C11 hydroxylová skupina na C17 aldosteron 21 oxoskupina na C3 hydroxylová skupina na C21 hydroxylová 4,5 mineralokortikoid skupina na C11 hemiacetálový kruh na C11 a C18 androstendion 19 oxoskupina na C3 oxoskupina na C17 4,5 androgen oxoskupina na C3 testosteron 19 hydroxylová skupina 4,5 androgen na C17 estradiol 18 hydroxylová skupina na C3 aromatický A cyklus 1,2, 3,4, 5,10 estrogen hydroxylová skupina na C17 estron 18 hydroxylová skupina na C3 aromatický A cyklus oxoskupina na C17 1,2, 3,4, 5,10 estrogen 8

9 Sekrece kortikoidů Kortikosteroidy jsou syntetizovány v korové oblasti nadledvin. Ta se dále skládá z tukového pouzdra a dřeňové oblasti, která je rovněž pro organismus významná produkcí katecholaminů. obrázek 8- podélný řez nadledvinou Sekrece aldosteronu Těsně pod pouzdrem se nachází zona glomeruloza, která je místem syntézy aldosteronu (viz obrázek 8). V této oblasti chybí 17α-hydroxyláza, proto zde není syntetizován kortizol. Sekrece aldosteronu je řízena renin angiotensinovým systémem. Tlaková tělíska v aferentních arteriolách v ledvině reagují na změnu krevního tlaku. Při poklesu tlaku začne juxtaglomerulární aparát produkovat renin, který štěpí prekurzor angiotenzinu I, ten je dále štěpen na angiotenzin II, který stimuluje sekreci aldosteronu a způsobuje vazokonstrikci. Aldosteron stimuluje resorpci Na + a H 2 O v distálních tubulech a tím pomáhá zadržovat vodu v organismu (20) Sekrece kortizolu Kortizol a v malé míře i kortikosteron jsou syntetizovány ve střední oblasti kůry, zona fasciculata (viz obrázek 8). Sekrece kortizolu je řízena hypothalamo-hypofyzální osou. V hypothalamu je syntetizován peptid označovaný jako CRH (Corticotropin Releasing Hormon), který se krevním řečištěm dostává do adenohypofýzy a stimuluje tam sekreci ACTH 9

10 adrenokortikotropního hormonu. Ten se rovněž krevním řečištěm dostává do kůry nadledvin a stimuluje zona fasciculata k sekreci kortizolu. Sekreci ACTH a CRH negativně reguluje kortizol. Při překročení hranice hladiny kortizolu, na kterou jsou nastavena hypothalamická regulační centra, se zastaví syntéza CRH až do doby, kdy hladina kortizolu opět poklesne. Tato negativní zpětná vazba má za následek pulzující výlev kortizolu. Kromě toho vykazuje sekrece kortizolu nápadné rozdíly během dne. Maximální hladiny je dosaženo v ranních hodinách, minima přibližně o půlnoci (20) Sekrece kortikálních androgenů Těsně u dřeňové vrstvy se nachází zona retikularis, která funkčně splývá se zona fascikulata. Liší se především v pohotovosti syntézy glukokortikoidů a také se zde předpokládá syntéza malého množství androgenů. Strukturně se liší malým obsahem lipidů, kterých zona fascikulata obsahuje velké množství (20) Sekrece pohlavních hormonů Kůra nadledvin je schopná tvořit i gestageny a estrogeny, což se děje za některých patologických stavů. Jako zdroj těchto látek je však nevýznamná. Rovněž androgeny produkuje jen jako vedlejší zdroj. Hlavním zdrojem pro sekreci pohlavních hormonů jsou: vaječníky Graafovy folikuly - estrogeny vaječníky Corpus luteum - gestageny varlata Leydigovy buňky - androgeny Transport kortikoidů Transport kortizolu Kortizol a jiné přirozené glukokortikoidy jsou v oběhu vázány různě silně na proteiny plasmy. Nejspecifičtěji a nejpevněji je váže a 1 globulin transkortin, nazývaný též Cortisol Binding Globulin (CGB). Za normálních podmínek je na transkortin navázáno 90 až 95% kolujícího kortizolu. Po překročení vazebné kapacity transkortinu se váže volněji na albumin nebo zůstává 10

11 ve volné formě. Kortizol je ve vázané podobě pro řadu funkcí neúčinný, transkortin tak tvoří jistou mobilní zásobárnu glukokortikoidů a chrání je před rychlou inaktivací v játrech. Biologický poločas kortizolu je minut, tato doba se zvyšuje při jaterních poruchách a při vyšších hladinách kortizolu. Kortizol se nachází v periferních tkáních v dynamické rovnováze se svou neaktivní formou, kortizonem. Tato rovnováha je zajištěna právě enzymem 11β hydroxysteroiddehydrogenázou a představuje velice důležitý regulační mechanismus, kterým se zabývá tato práce. Kortizon na rozdíl od kortizolu není vázán na sérové proteiny, jeho biologický poločas je tedy nižší, přibližně 30 minut (20) Transport aldosteronu Aldosteron, stejně jako kortizon, není vázán na sérové proteiny, jeho metabolický obrat je tedy ve srovnání s kortizolem rychlejší (20) Signalizace Steroidy patří spolu s thyroidními hormony a retinoidy mezi hormony, které mohou procházet plazmatickou membránou. Jejich receptor je lokalizován v jádře nebo v cytosolu. Po navázání hormonu vytvoří homodimér nebo heterodimér s jiným hormon - receptorovým komplexem. V tomto stavu je schopen vázat se na regulační sekvenci HRE (Hormon Response Element) na DNA a zahájit tak transkripci příslušných genů (viz obrázek 9). obrázek 9- signalizace přes steroidní receptory (19) 11

12 Vazba steroidních hormonů na receptory. Mineralokortikoidy stejně jako glukokortikoidy mají své specifické receptory exprimované v příslušných cílových tkáních. Glukokortikoidy se však váží na mineralokortikoidní receptory s obdobnou specifitou jako mineralokortikoidy a kromě toho je jejich hladina v plazmě asi 10x vyšší. Jedná se o tzv. paradox mineralokortikoidních receptorů, o kterém bude zmínka v dalších kapitolách β-hydroxysteroiddehydrogenáza (11β-HSD) V databázi enzymu je zařazena mezi oxidoreduktázy katalyzující přeměnu na OH skupině a využívající jako kofaktor NAD + /NADH nebo NADP + /NADPH (E.C ). Jak již vyplývá z jeho názvu, enzym katalyzuje oxidaci hydroxylové skupiny nebo redukci oxo-skupiny na 11. pozici cyklopentanoperhydrofenanthrénového jádra. Strukturně patří 11β-HSD do velké nadrodiny dehydrogenáz zvané Short-Chain Alcohol Dehydrogenase (SCAD) superfamily. Enzymy z této nadrodiny mají obecně aminokyselin (některé enzymy však mohou mít až 400 aminokyselin), kofaktor vázající N terminální doménu a aktivní místo ve středu peptidového řetězce. Kofaktor vázající doméně obvykle předchází hydrofobní úsek o délce asi 100 aminokyselin, o němž se předpokládá, že slouží k zakotvení proteinu do membrány endoplazmatického retikula (14) Historie Enzymatická konverze 11-hydroxysteroidů na neaktivní ketoformy byla objevena už koncem 50. let 20. století, a to v širokém spektru buněk a tkání. Až později v 80. letech se panu Monderovi a jeho spolupracovníkům povedlo vyizolovat enzym 11β-HSD z potkaních jater. Enzym vykazoval in vitro převážně dehydrogenázovou aktivitu a jako kofaktor využíval NADP + (H), lokalizován byl v mikrozomální frakci. Z počátku mu byla přisuzována funkce jedné z mnoha složek metabolických drah odbourávajících steroidy, o pár let však byla objevena jeho klíčová role v tkáňově specifické modulaci účinků steroidních hormonů. Byly rovněž identifikovány izoformy s rozdílnou funkcí, afinitou k substrátu a kofaktorovou specifitou (2). 12

13 3.2. Izoformy β-hydroxysteroiddehydrogenáza 1 Jako izoforma 1 byl označen výše zmíněný enzym. Michaelisova konstanta byla stanovena na 1,83 ± 0,06 µm pro kortikosteron (hlavní glukokortikoid u hlodavců) a 17,3 ± 2,24 µm pro kortizol, přičemž maximální rychlosti byly podobné. Matoucí ovšem bylo, že stanovené hodnoty K M byly o několik řádů vyšší než je hladina volného kortizolu v plazmě (1-100 nm). Další studie pak prokázaly vyšší afinitu ke kortizonu než ke kortizolu, studie na buněčných liniích pak nasvědčovaly tomu, že in vivo převažuje oxoreduktázová aktivita. Tyto domněnky byly podpořeny pokusy na 11β-HSD1 knock - out kmenech myší, kde chybějící aktivita 11β-HSD1 vedla ke zjevné deficienci glukokortikoidu (5). Tato isoforma je exprimována hlavně v játrech, v mozku, v plicích, v gonádách a v tukové tkáni. V malé téměř nedetekovatelné míře se nachází v ledvině. V drtivé většině tkání je exprimována 1,7 kb mrna, která obsahuje N-terminální kotvící hydrofobní úsek. V potkaních ledvinách pak byla nalezena zkrácená forma bez tohoto kotvícího úseku, u ovce pak byla nalezen tento enzym s delecí exonu 5 (mrna obsahuje celkem 6 exonů). Tyto tři proteiny jsou označovány jako 11β-HSD1A, 11β-HSD1B, 11β-HSD1C, první z nich je však naprosto převažující. Na peptidové sekvenci se nacházejí dvě potenciální glykosylační místa. Modifikace na prvním místě (Asp 158) redukuje enzymovou aktivitu na 75% - 50%, zatímco mutace na druhém místě (Asp 203) způsobuje téměř úplnou ztrátu aktivity (14) β-hydroxysteroiddehydrogenáza 2 V době, kdy ještě nebyly popsány dvě rozdílné izoformy 11β-HSD, se pokoušeli vědci z týmu pana Edwarde nalézt 11β-HSD v distálních nefronech, kde se vyskytují mineralokortikoidní receptory. Snažili se tak prokázat, že činností 11β-HSD lze vysvětlit paradox mineralokortikoidních receptorů. Imunohistochemické studie přítomnost 11β-HSD neprokázaly, zato enzymatická aktivita detekována byla. Tato pozorování vedla k brzké identifikaci a izolaci NAD dependentní 11β-HSD, která byla označena jako izoforma 2. Tato izoforma vykazuje téměř 100 x vyšší afinitu k substrátu než 11β-HSD1 a má pouze dehydrogenázovou aktivitu. Je exprimována v mineralokortikoidních cílových tkáních. Stejně jako 11β-HSD1 obsahuje tento protein N terminální kotvící hydrofobní úsek. 11β-HSD2 je vysoce mezidruhově konzervována až do 382 aminokyseliny, naopak od tohoto bodu se vyskytují značné rozdíly. V peptidovém řetězci je jedno glykosylační místo, sama glykosylace však není nezbytně nutná pro správnou funkci proteinu. Není zcela jasné, kde je enzym lokalizován na buněčné úrovni. Některé studie naznačují, že jde o jaderný protein, ačkoliv mu chybí jaderný lokalizační signál, 13

14 jiné studie jej umísťují do endoplazmatického retikula (14). Existují některé indicie, které naznačují možnost výskytu 11β-HSD2 ve formě neaktivních homodimérů (3) Inhibitory Inhibitorů je dosud známa celá řada. Asi nejznámnějšími a také dříve hojně používanými v klinické praxi je složka lékořice, kyselina glycyrrhetinová a její ve vodě rozpustný derivát karbenoxolon. Mezi známé inhibitory patří také některé steroidy s methylovými substituenty na C21 a C2α pozicích. Inhibiční účinky mají rovněž androgeny a žlučové kyseliny. Z dalších látek lze mezi inhibitory 11β-HSD zařadit některé flavonoidy vyskytující se v grapefruitu (14). 4. Funkce 11β-HSD Hlavní funkcí 11β-HSD v organismu je konverze glukokortikoidu kortizolu u člověka resp. kortikosteronu (viz obrázek 10), u některých hlodavců na kortizon resp. 11-dehydrokortikosteron a zpět. obrázek 10 - konverze kortizolu Na konci minulé kapitoly byly zmíněny dvě izoformy s rozdílnou aktivitou a kofaktorovou specifitou, proto i jejich funkce je do značné míry protichůdná (viz obrázek 11) (14) Funkce 11β-HSD1 11β-HSD1 má převažující expresi v játrech, mozku plicích a tukové tkáni. In vivo u ní převažuje aktivace volně kolujícího kortizonu resp. 11-dehydrokortikosteronu na aktivní kortizol resp. kortikosteron. Tato regulace může způsobovat lokální zvýšení glukokortikoidů v různých tkáních a regulovat tak metabolismus v těchto tkáních (14). 14

15 4.2. Funkce 11β-HSD2 11β-HSD2 je exprimována v ledvině, colonu, ileu a v placentě. Rychlou inaktivací kortizolu resp. kortikosteronu na kortizon resp. 11-dehydrokortikosteron působí jako protekce mineralokortikoidních receptorů před jeho vazbou. Porušení této funkce má za následek tzv. falešný mineralokortikoidní syndrom, který se projevuje nadbytkem mineralokortikoidních účinků. Toto má za následek hypertenzi, hypernatremii a hypokalemii (14). obrázek 11- schéma protichůdné funkce izoforem 11β-HSD (12) 5. Účinky glukokortikoidů na organismus Účinky glukokortikoidů na savčí organismus jsou tkáňově specifické (viz obrázek 12). Dá se říci, že jsou protichůdné v játrech a v ostatních periferních tkáních. V játrech stimulují glukoneogenezi a syntézu glykogenu, dále pak syntézu RNA a proteinů. V ostatních periferních tkáních jako jsou svaly nebo tuková tkáň mají účinek výrazně prokatabolický, stimulují odbourávání tuků a aminokyselin a snižují proteosyntézu a lipogenezi. Konečným důsledkem je zvýšení hladiny glukózy, aminokyselin, volných mastných kyselin a ketolátek v krvi. Glukokortikoidy připravují organismus na překonání zátěže spojených s fyzickou aktivitou nebo stresem. Mimo to mají výrazně imunosupresivní a protizánětlivé účinky. Glukokortikoidní účinek je poměrně pomalý, rychlou adaptaci organismus na překonání nečekané zátěže tzv. útěk nebo boj zajišťují katecholaminy, adrenalin a noradrenalin. Dalším neméně důležitým účinkem je stimulace růstu a diferenciace buněk a inhibice proliferace (20). 15

16 obrázek 12 - schéma účinku glukokortikoidů na metabolismus 6. Viscerální obezita Jako viscerální obezita se označuje nadměrná kumulace viscerálního tuku. Ten je definován jako tuk, který se nachází v oblasti portálního oběhu, zejména v oblasti mesenteria a omenta. Tento druh obezity je obecně mnohem rizikovější a dochází zde častěji k úmrtí pacienta Viscerální obezita a její spojitost s metabolismem glukokortikoidů Výrazná spojitost mezi metabolismem glukokortikoidů a viscerální obezitou je patrná u pacientů trpících Cushingovým syndromem. Tito lidé mají zvýšenou hladinu kortizolu v plazmě. Příčiny mohou být v poruchách kdekoli v hypotalamo-hypofyzo-adrenálním systému. Podle toho se pak rozlišuje, zda jde o Cushingův syndrom primární nebo sekundární. Pacienti s Cushingovým syndromem trpí diabetem II. typu, charakteristickým znakem je inzulinová rezistence, dyslipidemie a kumulace tuku ve viscerálních partiích. Podobné komplikace mají i pacienti s metabolickým syndromem, kde také dochází k narušení lipidové rovnováhy v těle, ke zvýšení hladiny VLDL s (Very Low Density Lipoprotein s), které jsou napomáhají vzniku kardiovaskulárních problémů, a ke snížení hladiny HDL s (High Density Lipoprotein s), které 16

17 mají kardioprotektivní účinky. Řada enzymů, které regulují metabolismus lipidů je regulována glukokortikoidy. Jak již bylo napsáno, glukokortikoidy mobilizují energii uloženou v tucích a bílkovinách a připravují tak organismus na zvýšenou zátěž. Pokud však dojde ke zvýšení hladiny kortizolu nějakým nefyziologickým způsobem např. podáváním glukokortikoidů jako imunosupresivních léků nebo u lidí s Cushingovým syndromem, nedojde k jejímu spotřebování a mobilizovaná energie se opět ukládá. Nejvíce náchylná k depotizaci tuků je viscerální tuková tkáň. Při opětovné stimulaci glukokortikoidy dochází k dalšímu odbourávání a opětovnému ukládání tuků. Tuková tkáň je poté charakterizována vysokým metabolickým obratem, což má za následek vysokou koncentraci volných mastných kyselin, glukózy a ketolátek v krvi. Vysoká hladina těchto látek způsobuje snížení jaterní extrakce insulinu a rozvoj diabetes mellitus II. typu. Zvýšená hladina kortizolu tedy ve výsledku vede k akcentované depotizaci tuku v abdominální a viscerální oblasti s rozvojem metabolického syndromu (viz obrázek 13). Předpokládá se, že svým stimulačním účinkem na růst a diferenciaci buněk, také urychlují dozrávání adipocytů. Ve viscerální tukové tkáni je exprimováno největší množství glukokortikoidních receptorů, proto je tato tkáň k působení glukokortikoidů nejcitlivější. Kortizol je rovněž spojován s preferencí tuků v potravě. Zvýšená citlivost hypothalamo-hypofyzo-adrenální osy, která je způsobena rozvíjejícími se metabolickými komplikacemi, negativně ovlivňuje také sekreci růstového hormonu a pohlavních hormonů. Právě nižší hladiny testosteronu u mužů výrazně podporují abdominální kumulaci tuků (21). obrázek 13 - schéma endokrinních odchylek (17) 17

18 6.2. Viscerální obezita a její spojitost s 11β-HSD1 Lidé trpící Cushingovým syndromem mají zvýšenou hladinu kortizolu v plazmě. U lidí bez Cushingova syndromu je však hladina kortizolu normální. Z množství metabolitů kortizolu v moči vzhledem k volnému kortizolu je možno usuzovat na rychlé odbourání přebytečných glukokortikoidů. Přesto zde však dochází k rozvoji příznaku hyperkortizolismu. Možným vysvětlením, které je v současné době intenzivně studováno, je, že ke zvýšení hladiny kortizolu dochází činností 11β-HSD1 v tukových buňkách. Zralé adipocyty, kterých s rozvojem obezity stále přibývá, konvertují neaktivní kortizon, který není vázán na sérové proteiny a je tedy dobře přístupný, na aktivní kortizol a zvyšují tak jeho hladinu v krvi. Předpokládá se rovněž uplatnění stimulačních účinků kortizolu na diferenciaci buněk. V buňkách stromatu, které jsou nediferencované, převáží více proliferace. Mají málo 11β-HSD1. Dostávají však v malé míře parakrinní stimul kortizolu ze zralých adipocytů. Postupně se pomalu diferencují, stávájí se preadipocyty. Právě u preadipocytů naznačují výsledky různých studií výrazný nárust aktivity 11β-HSD1 (1, 8, 15). Začnou konvertovat kortizon na kortizol, čímž se autokrinně stimulují k rychlejší diferenciaci. Kromě toho jsou stále blíže zralým adipocytům, které konvertují kortizon na kortizol již v hojné míře, a začíná na ně stále více působit jeho parakrinní efekt. Buňky diferencují stále rychleji až se stanou zralými adipocyty, které svou nadprodukcí kortizolu způsobují metabolické odchylky (viz obrázek 14). obrázek 14 - schéma účinku kortizolu na diferenciaci buněk 18

19 7. Studie provedené na zvířecích modelech β-HSD knock out kmen myší Jedním z prvních zvířecích modelů, na kterém byla tato problematika zkoumána, je 11β-HSD1 knock out kmen myší. U tohoto kmene dochází nadledvinové hyperplazii a ke zvýšené sekreci kortikosteronu, a to bazální i ACTH stimulované. Zdá se tedy, že reaktivace kortikosteronu v játrech není zanedbatelným zdrojem aktivního hormonu v organismu. I přes srovnatelnou hladinu kortikosteronu v plasmě u -/- i +/+ jedinců, -/- jedinci měli výrazně sníženou aktivitu klíčových enzymů glukoneogeneze, glukoza-6-fosfatázy (G-6-P) a fosfoenolpyruvát karboxykinázy (PEPCK), a to pravděpodobně z důvodu lokální jaterní deficience kortikosteronu. U hladovějících neobézních -/- jedinců nedošlo po přijetí potravy ke zvýšení hladiny krevní glukózy, i u obézních -/- jedinců byly naměřeny nižší hodnoty krevní glukózy než u obézních +/+ jedinců. (4). Z toho je možné vyvodit závěr, že tento kmen myší s chybějící aktivitou 11β HSD1 je tedy rezistentní k hyperglykémii a při stresu nebo obezitě indukované vysokotukovou dietou (5). U hladovějících -/- jedinců byla zaznamenána nižší aktivita enzymů lipidového metabolismu, které jsou důležité pro adaptaci organismu na hladovění a jsou regulovány glukokortikoidy. Toto zjištění nasvědčuje tomu, že -/- jedinci mají málo vnitrobuněčných glukokortikoidů. Měření lipidů a lipoproteidů v plasmě prokázalo zvýšenou hladinu HDL s a sníženou hladinu triglyceridů a VLDL s oproti +/+ jedincům. Na pokusech, kdy byli jedinci vystaveni hladovění a opětovnému nakrmení, byla rovněž prokázána zvýšená senzitivita k inzulinu. U -/- jedinců došlo po opětovném nakrmení k rychlejší obnově hladiny triglyceridů na normální stav než u +/+ jedinců. Vysvětlením je stimulace aktivity lipogenních enzymů inzulinem (9) Zucker rat Tento model patří k dalším užitečným modelům pro studium obezity. Zucker rat má porušenou jednu z regulací příjmu potravy, leptinovou dráhu. Leptin je protein dlouhý asi 167 aminokyselin, který je produkovaný buňkami tukové tkáně. Je produktem genu označeného jako ob (obese) gen. Objeven a charakterizován byl v roce Jeho syntéza probíhá tukových buňkách hnědého i bílého tuku a u obézních jedinců může být zvýšena i 20x. Z tukové tkáně se krevním řečištěm dostává do hypothalamu, kde jsou exprimovány jeho receptory. Informuje tak CNS o stavu tukových zásob, snižuje chuť k jídlu a tím i příjem energie. Snižuje například sekreci neuropeptidu Y, který zvyšuje sekreci inzulinu a kortikosteronu s následným růstem buněk, obezitou a rezistencí na inzulin. Ovlivňuje i řadu 19

20 dalších látek, které se podílejí na centrálním řízení příjmu potravy např. Glukagon Like Peptide 1 (GLP1), Melanocyte Stimulating Hormon (MSH) - své agonisty, cholecystokinin atd Cirkulujicí leptin se vyskytuje ve vázané a volné formě. Šťíhlí lidé mají ve srovnání s obézními asi dvojnásobek leptinu ve vázané formě, která je nepřístupná mozkovým receptorům. Obézní lidé mají naopak většinu leptinu ve volné formě. U těchto lidí se však vyvinula leptinová rezistence. Tato bývá pak velmi často spojena s rezistencí inzulinovou, která je při obezitě prohloubena. Vyšší sekrece inzulinu pak podněcuje další sekreci leptinu, čímž se kruh uzavírá (21). Kmen Zucker rat má bodovou mutaci v genu pro leptinový receptor. Leptin, který koluje v krvi je tedy neúčinný. Tyto zvířata mají sklony k obezitě a zdá se, že právě glukokortikoidy jsou pro její vývoj důležité. Chirurgické odstranění nadledvin nebo použití antagonistů receptoru pro glukokortikoidy způsobuje úbytek na váze a zmírnění metabolických komplikací. Při analýze enzymové aktivity 11β-HSD1 byly zjištěny tkáňově specifické rozdíly. Ve viscerální tukové tkáni obézních zvířat byla nalezena zvýšená aktivita 11β-HSD1, zatímco v játrech byla její aktivita snížena. Tento fakt autoři vysvětlují jako kompenzační mechanismus, kterým se tělo brání před nadbytkem kortikosteronu. Zároveň byla naměřena vyšší aktivita 5α-reduktázy, což je enzym účastnící se odbourávání kortikosteronu, a vyšší hladina metabolitů kortikosteronu v moči. Rovněž zvýšená byla aktivita 11β-HSD2 v ledvině. Toto vše svědčí pro zvýšenou rychlost jaterní degradace kortikosteronu. Tato studie podporuje tvrzení, že viscerální tuková tkáň by mohla být výrazným producentem glukokortikoidů způsobujících metabolické odchylky a zároveň sebe sama stimulovat k vyššímu hromadění tuků a vývoji viscerální obezity (6) V další studii provedené na tomto modelu se autoři pokoušeli o inhibici 11β-HSD karbenoxolonem, který byl obézním zvířatům podáván žaludeční sondou. U jedinců, kteří dostávali karbenoxolon byla naměřena snížená hladina triglyceridů a zvýšená hladina HDL s. Mezi kontrolní skupinou se podařilo potvrdit předchozí zjištění, že v tukové tkáni mají tyto obézní zvířata zvýšenou aktivit 11β-HSD1 zatímco v játrech sníženou. Při měření aktivit 11β-HSD1 v různých tkáních však bylo zjištěno, že ve svalu a v tukové tkáni nedošlo k inhibici enzymu. Vylepšený lipidový profil je zřejmě výsledkem inhibice jaterní 11β HSD1 (7) Kmen myší s nadprodukcí 11β-HSD1 v tukové tkáni model viscerální obezity a metabolického syndromu Tento model je nejmladší a nejpřesvědčivější. Gen pro 11β-HSD1 byl umístěn za promotor pro fatty acyl binding protein (ap2), který je silně exprimován pouze v adipocytech. U jedinců z tohoto kmene byla zaznamenána aktivita 11β-HSD1 zhruba 2.5 x vyšší než u normálních zvířat, což koresponduje s aktivitou naměřenou u leptin deficientních myší a u obézních lidí. Fenotyp obezity se vyvinul během 15 měsíců, zejména v abdominální oblasti (viz obrázek 15). 20