Fisiologia e fisiopatologia das células beta: implicações clínicas e terapêuticas

 

• Células alfa, produtoras de glucagon (15-20% do total);

• Células beta, produtoras de insulina (70-80%);

• Células delta, produtoras de somatostatina (5%);

• Células PP produtoras de peptídeo pancreático (1%) (Figura 2).

Fig. 01 - Estrutura das ilhotas de Langerhans
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Com os avanços alcançados na obtenção e caracterização de células-tronco, torna-se importante conhecer a origem embrionária e as características de expressão gênica do pâncreas endócrino, e particularmente da célula beta.    

Evidências histológicas revelam que o pâncreas endócrino se origina a partir de precursores do epitélio endodérmico [3], que podem ser identificados, por volta da metade da gestação, como agregados de poucas células ainda fundidas ao epitélio dos ductos pancreáticos em formação. Ainda durante o segundo terço do período gestacional, ilhotas já apresentando características mais próximas às de adultos, podem ser vistas ligadas a ductos pancreáticos. Somente poucas semanas antes do final da gestação serão identificadas ilhotas totalmente envoltas por parênquima pancreático exócrino e com morfologia e distribuição celular definitiva [4].

Fig. 02 - Células secretoras nas ilhotas de Langerhans
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Os mecanismos de diferenciação celular que levam ao desenvolvimento das células beta são alvos de intensa investigação, pois podem revelar meios de se obter células produtoras de insulina a partir de precursores indiferenciados.

Genes da família Notch são expressos em ductos pancreáticos e parecem atuar como repressores do desenvolvimento de células do pâncreas endócrino [5].

Sua supressão faz com que genes comprometidos com as diferentes linhagens endócrinas possam ser ativados. Desses, os mais importantes são; Pdx1, envolvido na ativação do gene da insulina e de GLUT2; Isl1, envolvido no controle transcricional do gene da insulina; genes da família Pax, importantes na maturação da célula beta; e genes Nkx, importantes na expansão numérica da população de células beta [6].

Produção e Secreção de Insulina

A expressão do gene da insulina é restrita à célula beta pancreática, o que confere a esse tipo celular o controle total sobre o único hormônio hipoglicemiante existente [7]. O gene da insulina se localiza no cromossomo 2 (2p21) sendo composto por 3 exons que codificam uma proteína imatura denominada pré-proinsulina [8], a partir da qual formar-se a pró-insulina com 86 aminoácidos. Este peptídeo é então direcionado para grânulos secretórios, onde, por ação de três enzimas, PC2, PC3 e carboxipeptidase H, gerará a insulina com 51 aminoácidos e o peptídeo C, o qual é armazenado e secretado em concentração equimolar à insulina (Fig. 3) [9].

Fig. 03 - As moléculas de insulina e de peptídeo C
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Mutações no gene da insulina são raras, porém algumas formas são relacionadas ao desenvolvimento de DM por levarem à produção de uma forma de insulina com baixa atividade biológica. Pacientes com tais mutações são hiperinsulinêmicos e inicialmente intolerantes à glicose, progredindo para a hiperglicemia. De forma interessante e diferente do que ocorre com pacientes com forma clássica de DM2, tais indivíduos tem resposta normal à insulina exógena [10].

Sob condições fisiológicas, as concentrações sanguíneas da glicose oscilam numa faixa estreita. Tal fenômeno, que garante simultaneamente oferta adequada de nutrientes aos tecidos e proteção contra a neuroglicopenia, só é possível graças a um sistema hormonal integrado e eficiente, composto por um hormônio hipoglicemiante, a insulina, e alguns hormônios hiperglicemiantes como, o glucagon, o cortisol, a adrenalina e o hormônio de crescimento. Por se tratar do único hormônio hipoglicemiante, a insulina dispõe de um eficiente e finamente regulado sistema de controle de secreção.

A glicose é o principal estimulador da secreção de insulina (Fig. 4). Sua entrada na célula beta é garantida por um transportador de alta capacidade e baixa afinidade denominado GLUT2. Após sua entrada, a glicose é fosforilada em glicose-6-fosfato pela ação da enzima glicoquinase (hexoquinase IV), sendo a seguir direcionada à glicólise, etapa que consome 90% da glicose transportada ao interior da célula beta e responsável pela geração de piruvato [11]. Mutações do gene da glicoquinase não são infreqüentes e levam a uma forma de DM chamada MODY2 (maturity-onset diabetes of the young).

Fig. 04 - Mecanismo de ação dos secretagogos de insulina
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O piruvato é direcionado à mitocôndria, transformado em acetil CoA e metabolizado pelo ciclo de Krebs para produção de ATP (Fig. 4). Com o aumento da relação ATP/ADP no intracelular, ocorre o fechamento de canais de K+ - ATP dependentes o que leva à despolarização da membrana. A abertura dos canais de Ca2+ - voltagem dependente permite influxo de Ca2+ para a célula beta, que ativa um complexo sistema efetor, cujo resultado é a secreção de insulina (Fig. 4) [11]. Além da glicose, poucos nutrientes (leucina, a glutamina, a alanina, a arginina, a frutose, e alguns ácidos graxos) podem induzir de forma independente ou de forma potencializadora (do efeito primário da glicose) a secreção de insulina [12].

Vários mecanismos complementares desempenham papel importante na regulação da secreção basal e estimulada da insulina, sendo os mais importantes, os hormonais, particularmente o glucagon, a somatostatina, a adrenalina, o cortisol, o hormônio de crescimento, a leptina e a própria insulina; e os neurais, que por estímulo colinérgico aumentam, e por estímulo adrenérgico inibem a secreção da insulina [13,17].

É importante ressaltar que alguns medicamentos em uso clínico modulam a secreção de insulina por atuarem em etapas fundamentais do processo secretório. As sulfoniluréias e as glinidas se ligam a uma proteína componente dos canais de K+ - ATP dependentes, chamada SUR1. Tal interação promove o fechamento desses canais, despolarizando a célula beta e induzindo a abertura de canais de Ca2+ - voltagens dependentes.

Referência ao DM Neonatal

De forma inversa, a diazoxida também interage com proteínas SUR1, porém neste caso impedindo o fechamento dos canais de K+ - ATP dependentes, mesmo quando a relação ATP/ADT intracelular favorece tal evento. Essa droga, utilizada em algumas condições oftalmológicas, inibe a secreção de insulina estimulada por glicose. Bloqueadores de canais de Ca2+ como verapamil e nifedipina, utilizados no tratamento da hipertensão arterial, reduzem o influxo de Ca2+ e inibem a secreção de insulina induzida por glicose, entretanto seu efeito inibitório, por ser moderado, raramente se torna um problema na prática clínica [18]

Distúrbios funcionais das Ilhotas Pancreáticas nas principais Forma de DM

As perdas funcionais, totais ou parciais, da capacidade produtora e secretória da célula beta pancreática, foram consideradas, em tempos pregressos, como um fenômeno presente apenas em DM tipo 1, em algumas formas genéticas de diabetes, hoje reconhecidos como MODY, e em algumas formas de DM decorrentes da perda funcional pancreática produzida por drogas, agentes tóxicos ou doenças do pâncreas exócrino que afetem a função endócrina.

Hoje, reconhece-se que na forma mais prevalente de DM, o DM2, a perda funcional da célula beta é condição sine qua non para o desenvolvimento do quadro hiperglicêmico.

Fig. 05 - Perda da função pancreática com o decorrer do tempo de diabetes
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Serão discutidas a seguir as principais características dos distúrbios funcionais da célula beta no DM1A, DM2 e em algumas formas de MODY.

Diabetes mellitus tipo 1A

A destruição progressiva e específica das células beta pancreáticas por mecanismo autoimune é a base fisiopatológica do DM1A. As razões pelas quais alguns indivíduos na população passam, em um determinado momento de suas vidas, a apresentar reatividade autoimune contra antígenos próprios da célula beta é questão de intensa investigação.

Entre as razões mais aceitas no momento, encontram-se a falha na seleção linfocitária no timo durante a ontogênese do sistema imune; a expressão anômala de auto-antígenos através de algumas moléculas do MHC (o que explicaria o risco relativo elevado oferecido por alguns genótipos de HLA, particularmente DR3 e DR4); a infecção por alguns tipos de vírus ou bactérias em indivíduos geneticamente predispostos; ou ainda a exposição a fármacos, alimentos ou a outros fatores ambientais pouco conhecidos [19].

A destruição da célula beta é dependente de uma resposta imunológica predominantemente celular, com ativação de linfócitos T- CD4 e -CD8.

Em modelos animais, a doença pode ser induzida independente da presença de linfócitos T-CD8, mas não da presença de T-CD4, o que sugere que a expressão ?, coordenada por taisg? e IFNblocal de citocinas, principalmente TNF-alfa, IL-1 linfócitos, é fator necessário à destruição celular. Na prática clínica, detecta-se a presença de autoanticorpos contra antígenos da célula beta em todos os pacientes com DM1A.

Tais anticorpos não desempenham papel importante na destruição das células insulino-produtoras, mas servem como marcadores da doença e são utilizados como fatores preditivos para screening populacional ou na investigação de indivíduos sob risco acentuado de desenvolver a doença. Os principais autoanticorpos que podem ser determinados por métodos disponíveis em laboratórios de referência são ICA, insulina, GAD65 e ICA512 [20,21].

Como a lesão das células beta pancreáticas é dependente de mecanismos autoimunes estudos clínicos com uso de imunossupressores, na tentativa de se impedir a progressão da doença, foram realizados nas últimas décadas. O uso do potente imunossupressor ciclosporina A foi capaz de deter o avanço da doença enquanto em uso, entretanto as conseqüências da potente imunossupressão associadas a outros efeitos colaterais do fármaco inviabilizam seu uso clínico. Outras abordagens imunossupressoras ou imunomoduladoras como metotrexate, nicotinamida, BCG, timodulina e insulinoterapia oral, tiveram resultados insatisfatórios no controle da doença [22].

MODY

Maturity-onset diabetes of the young é definido como uma forma de DM monogênica, dominante, decorrente de mutações em genes que levam a disfunção da célula beta. De uma forma geral, há baixa produção de insulina frente a necessidades básicas periféricas. Pacientes são jovens, magros e há recorrência familiar por pelo menos duas gerações. De acordo com dados de vários estudos populacionais os genes mais freqüentemente envolvidos são: HNF-1 alfa (MODY3), 52% dos casos; e, glicoquinase (MODY2), 14% dos casos; outros genes afetados de forma mais rara são HNF-4 alfa (MODY1) e HNF-1 beta (MODY5). Aproximadamente 10% dos pacientes que preenchem critérios clínicos e familiares para diagnóstico de MODY não têm genes envolvidos identificados [24].

Diabetes Mellitus Tipo 2

A incapacidade da célula beta em responder à crescente demanda periférica de insulina, observada durante a evolução progressiva da insulino-resistência em indivíduos intolerantes à glicose, é aceito hoje como o fenômeno determinante no desenvolvimento do DM2. Alguns fatos corroboram tal conceito. Primeiro, todos os pacientes com DM2 tem disfunção mensurável da célula beta; segundo, a magnitude da insulino-resistência, após instalada sofre pequeno ou nenhum incremento com o tempo, por outro lado, a deterioração da função da célula beta é progressiva; terceiro, há perda progressiva da resposta da célula beta à terapêutica com sulfoniluréias [20].

A primeira e mais marcante evidência clínica da disfunção da célula beta em pacientes com predisposição para DM2 é a perda da primeira fase de secreção de insulina. (Fig.6).

Fig. 06 - As duas fases da secreção fisiológica da insulina
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Alterações na segunda fase de secreção e modificação no padrão pulsátil de secreção aparecem com a evolução da doença. Durante a evolução da resistência à insulina, particularmente em indivíduos obesos, observa-se aumento progressivo da concentração sanguínea basal de insulina. Esse incremento pode ser mantido em algumas pessoas, e perdido em outras. As primeiras se manterão normoglicêmicas e resistentes à insulina, enquanto as segundas perderão definitivamente a capacidade de manter a homeostase da glicose [23].

Várias causas têm sido apontadas como determinantes da perda funcional da célula beta. Alguns polimorfismos, como do fator de transcrição TCF7L2 ou da proteína Kir6.2, foram identificados em populações especificas, porém alterações genéticas comuns a múltiplas populações não foram identificadas.

Entre causas aparentemente não-genéticas discutem-se os papéis da disfunção mitocondrial com aumento da produção de espécies reativas de oxigênio, da glicotoxicidade, da lipotoxicidade, do estresse de retículo endoplasmático e finalmente da própria ação autócrina e parácrina da insulina, promovendo controle de sua própria síntese e secreção [14,15,23].

Dada a complexidade genética e a multifatorialidade ambiental de DM2, acredita-se que no futuro distintos mecanismos fisiopatológicos serão caracterizados, todos levando a um quadro clínico comum com coexistência da resistência à insulina e falência da célula beta.

Resistência à insulina X deficiência insulínica: aspectos clínicos e implicações terapêuticas.

Conforme mencionado, a hiperglicemia do DM2 resulta de dois mecanismos básicos, a resistência periférica à ação da insulina e a deficiência da produção deste hormônio pelas células beta do pâncreas, como mostra a figura 7.

Fig. 07 - Fatores geradores da hiperglicemia
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Tais mecanismos podem ser precipitados pela presença de certos fatores como uma predisposição genética, a obesidade, a inatividade física e o envelhecimento, que interferem ou na reserva funcional das células beta ou na sensibilidade tecidual à insulina ou em ambos os defeitos. É difícil definir, para cada paciente, qual a participação do componente de resistência à insulina e da deficiência insulínica mas, na maioria dos casos, as duas condições coexistem em proporções diferentes para diferentes pacientes. Os indivíduos obesos são em geral mais resistentes à insulina, apresentam insulinemia elevada e mais frequentemente intolerância à glicose. Uma linha de investigação sugere o envolvimento do acúmulo de gordura visceral na gênese da resistência à insulina. Porém, não está totalmente esclarecido qual defeito ocorre primeiro.

A perda de função da célula beta é um fator que aparece precocemente no desenvolvimento do DM2. Em condições normais, a secreção insulínica ocorre em dois picos ao se iniciar uma refeição: o primeiro pico é necessário para a utilização da glicose proveniente da refeição e também para sinalizar o fígado e inibir a produção endógena de glicose logo após a refeição. No indivíduo sadio, as duas fases de secreção de insulina estão preservadas enquanto no portador de DM, há perda da primeira fase e atraso na segunda fase deste processo (figura 8).

Fig. 08 - No portador de DM2, o estímulo de glicose não promove a primeira fase da secreção de insulina
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Há evidências de que o declínio da função da célula beta possa ocorrer até 10 anos antes do momento do diagnóstico. Como o diagnóstico do DM em geral é feito tardiamente, o que se observa é que ao diagnosticar a doença o paciente já apresenta deficiência na capacidade secretória de insulina da ordem de 50%.

Na evolução do DM, cada um dos mecanismos básicos tem um padrão de evolução específico, podendo ter início até 10 anos antes do diagnóstico. Na fase inicial do processo, tanto a resistência à insulina como a deficiência insulínica apresentam uma curva ascendente, refletindo a situação clínica que ocorre progressivamente na fase de pré-diabetes: à medida que a resistência à insulina progride, as células beta respondem com aumento inicial na secreção de insulina, com o objetivo de superar os efeitos hiperglicemiantes da resistência à insulina.

Em geral, quando a doença é diagnosticada já existe um estado de deficiência insulínica progressivo, manifesto por níveis cada vez mais baixos de insulinemia. Entretanto, é importante salientar que a resistência à insulina pode aumentar substancialmente se o indivíduo continuar a ganhar peso, devido à hipertrofia do tecido adiposo particularmente visceral.

Por outro lado, quando o indivíduo perde 5% a 10% do peso corpóreo, essa perda aparentemente discreta já apresenta um impacto positivo importante na diminuição da resistência à insulina, o que se reflete por necessidades de doses menores de antidiabéticos, que eventualmente poderão ser inclusive suspensos se o componente de resistência à insulina for significativo e se a perda de peso for mais acentuada.

Glicotoxidade e Lipotoxicidade como fatores Hiperglicemiantes

A glicotoxicidade caracteriza-se por efeitos adversos da hiperglicemia crônica sobre a função da célula beta e incluem três conseqüências distintas: diminuição da tolerância à glicose; exaustão das células beta e redução da massa de células beta por apoptose. A diminuição da tolerância à glicose deve-se a uma refratariedade reversível do mecanismo de liberação da insulina produzida após a exposição a níveis elevados de glicemia devida a auto-oxidação da célula beta. Nessas circunstâncias, ocorre um mecanismo fisiológico adaptativo para preservar a célula beta, reduzindo a primeira fase de produção de insulina e promovendo menor supressão da liberação hepática de glicose após as refeições, aumentando ainda mais a hiperglicemia pós-prandial.

A consequência prática direta da glicotoxicidade é a incapacidade de alguns pacientes com glicemia bastante elevada, geralmente acima de 300 mg/dl em jejum, no sentido de não conseguirem uma redução adequada dos níveis  glicêmicos apenas com o tratamento oral, necessitando de um período variável de terapia insulínica para restaurar os níveis glicêmicos para patamares aceitáveis. Para muitos pacientes, essa conduta terapêutica controla a glicotoxicidade e permite que o paciente passe a responder adequadamente aos antidiabéticos orais.

Fig. 09 - Fatores geradores da hiperglicemia
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A lipotoxidade geralmente ocorre em portadores de DM2 e obesidade, com adiposidade visceral. Neste caso, são os níveis elevados de ácidos graxos, por períodos prolongados, que resultam em resposta diminuída das células beta aos níveis de glicose sanguínea. Em condições normais, os ácidos graxos são uma forma de energia para as células beta mas se tornam tóxicos quando em concentrações cronicamente elevadas e em indivíduos geneticamente predispostos ao DM2. Os efeitos deletérios dos ácidos graxos são mediados pela presença do excesso de glicose, uma vez que os lípides aumentados não alteram a função das células beta em modelos animais mantidos em níveis normais de glicemia.

Implicações terapêuticas da resistência à insulina e da deficiência insulínica

Atualmente, dispomos de várias opções farmacológicas para o tratamento do DM2, as quais foram desenvolvidas graças aos conhecimentos adquiridos sobre a fisiopatologia da resistência à insulina e da deficiência insulínica. Os medicamentos que agem combatendo a resistência periférica à ação da insulina exercem seus efeitos terapêuticos através de dois mecanismos básicos: estimulando a captação de glicose pelos músculos e tecido adiposo e reduzindo a liberação de glicose pelo fígado. Este grupo de fármacos é conhecido como “grupo dos sensibilizadores da insulina” e inclui duas classes terapêuticas: as biguanidas (metformina) e as glitazonas. Ambas apresentam os mecanismos de ação semelhantes, porém, com intensidades e tecidos distintos. Por exemplo, a metformina age preponderantemente no fígado, reduzindo a liberação hepática de glicose, mas também age secundariamente em nível dos músculos e do tecido adiposo, diminuindo a resistência à ação da insulina. Por outro lado, a preponderância de mecanismos de ação é inversa no caso das glitazonas, ou seja, estas agem preponderantemente nos músculos e no tecido adiposo e também apresentam ação redutora sobre a liberação de glicose pelo fígado, embora em menor escala que a metformina.

Por outro lado, o grupo terapêutico que age estimulando a produção interna de insulina pelas células beta é representado pelos chamados “secretagogos de insulina”, os quais podem ser de curta duração (como as glinidas, para uso prandial, com duração aproximada de 2 horas) ou de duração mais ampliada (como as sulfoniluréias, para cobertura insulínica por períodos de 12 a 24 horas).

É importante notar que os sensibilizadores da ação periférica da insulina não costumam causar hipoglicemia, mesmo quando o paciente não se alimenta nos horários previstos. Por outro lado, os secretagogos de insulina de duração mais prolongada continuarão a exercer seu efeito estimulador da secreção de insulina pelas células beta, independentemente do paciente ter ou não se alimentado nos horários previstos. Por essa razão, deve-se sempre ter em mente a possibilidade da ocorrência de hipoglicemias nestes pacientes, principalmente quando as refeições não acontecem nas quantidades e nos horários previstos.

Outro grupo terapêutico é constituído por fármacos que retardam a absorção intestinal da glicose e, assim, reduzem a hiperglicemia pós-prandial. Esses quatro grupos terapêuticos mencionados e seus respectivos mecanismos de ação estão resumidos na figura 10 a seguir.

Fig. 10 - Os diferentes mecanismos de ação dos antidiabéticos orais
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