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パラクラインによるα細胞のスイッチオフ仮説

1型糖尿病では、β細胞からα細胞へのインプットが低下している。高血糖状態では、α細胞の電気依存性カルシウムチャネルやグルタミン酸受容体の不活化、感受性低下があり、血糖値変動に対するグルカゴン分泌が不応状態 refractory state となりやすい。

まとめ
α細胞が受けるシグナル
グルコース濃度変化
周辺細胞からのparacrine signal
血中アドレナリン circulating adrenalin 

グルカゴン分泌における電気生理学的活動性の役割
グルコースが存在しなくてもα細胞のATP-dependent K+ (KATP) channel は、ある程度の活動性を示している。
低グルコース濃度でα細胞のKATP channel は強く阻害される。その結果、細胞膜が脱分極し活動電位が生じovershoot となる。膜の脱分極により、高電位依存性P/Q型カルシウムチャネル(high-voltage gated P/Q-type Ca2+ channel)が活性化されカルシウムが流入、グルカゴンが分泌される。
KATP channelの活性化は、さらに細胞膜を脱分極させパラドキシカルにグルカゴン分泌を抑制する。これは脱分極の間、電位依存性ナトリウムチャネル (voltage-gated Na+ channel)、N型カルシウムチャネル (N-type Ca channel)が不活化され、活動電位サイズが減少するためである。活動電位サイズのわずかな変化がグルカゴン分泌を惹起あるいは停止させることが明らかになっている。

パラクラインによるα細胞のスイッチオフ仮説 Switch-off hypothesis
グルタミン酸 Glutamate、アセチルコリン acetylcholineは、α細胞から分泌されグルカゴン分泌にポジティブフィードバックをかけている。グルタミン酸は、AMPA型イオン型グルタミン酸受容体 (ionotropic glutamate receptors (iGuRs) of the AMPA type)に作用し、細胞膜を脱分極させ、電位依存性カルシウムチャネルを開口させる。その結果、細胞質カルシウムが増加、グルカゴンが放出される。グルカゴン自体もポジティブフィードバックにはたらく。

β細胞あるいはδ細胞から分泌されるγ-aminobutyric acid (GABA)、インスリン、Zn2+、セロトニン、ソマトスタチンは、α細胞を阻害しグルカゴン分泌を減少させる。インスリンはα細胞のGABA受容体を細胞膜にトランスロケーションさせることによって作用している。

β細胞から分泌されるセロトニンserotoninは、α細胞の5-HT1F receptorを介し、cAMPレベルを減少させグルカゴン分泌を抑制する。5-HT1F receptorはα細胞に限局して発現している。
β細胞由来のセロトニン分泌が低下、cAMPに対する抑制が消失した場合のcAMPのレベルは、グルカゴン分泌の基礎値を上昇させ、その結果グルコース濃度変化への対応が低下する。セロトニンシグナルの低下によりグルコース変化に反応したグルカゴン分泌が失われる。Selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI)は、膵島内のセロトニンレベルを増加させグルカゴン分泌を抑制する。SSRIの長期服用で低血糖に対する反応が低下すると報告されている。

グルカゴン分泌はグルコースの絶対値というよりグルコース濃度変化に反応しているようで、膵島灌流実験で、グルコース濃度15から11 mmol/Lへ下げた場合でもグルカゴン分泌が誘導される (Hysteresis 履歴現象)。

低血糖時にβ細胞のインスリン分泌が突然停止することが隣接したα細胞によるグルカゴン分泌に必要なシグナルとなる。α細胞のポジティブフィードバックがα細胞を刺激するが、Na +チャネル、Ca2+チャネルが不活化されておりグルタミン酸受容体の感受性は低下している。グルコース濃度がひとたび上昇するとβ細胞、δ細胞がグルカゴン抑制因子を放出しチャネルの不活化、受容体の感受性低下を回復させる。バラクラインによる抑制は、高血糖時に重要であると考えられ、α細胞をリセットし、血糖低下に対応可能にしているともいえる。

1型糖尿病でα細胞はβ細胞減少、コントロールできない血糖値、交感神経支配の消退にさらされ、1型糖尿病診断後、年月を経過して血糖値に対するカウンターレギュレーションの喪失が認められる。
1型糖尿病のα細胞でカルシウムチャネルの活性と遺伝子発現が低下していることが2つのスタディで示された。電気的興奮性のポテンシャルの一部喪失は、慢性的適応によるものかもしれない。 

Panzer JK, Caicedo A. Targeting the Pancreatic α-Cell to Prevent Hypoglycemia in Type 1 Diabetes. Diabetes. 2021 Dec;70(12):2721-2732.

Almaça J et al. Human Beta Cells Produce and Release Serotonin to Inhibit Glucagon Secretion from Alpha Cells. Cell Rep. 2016 Dec 20;17(12):3281-3291.
β細胞から分泌されるセロトニンserotoninはα細胞の5-HT1F receptorを介し、cAMPレベルを減少させグルカゴン分泌を抑制する。

グルタミン酸はα細胞から分泌されグルカゴン分泌を促進する。

血糖セットポイントはパラクライン相互作用により決定される。

 種が異なる膵島移植(mismatched islet)で宿主の血糖値は、移植膵島の血糖レベルに変化する。移植膵島のα細胞とβ細胞が協調して血糖値を安定させている。

まとめ
ヒト、マウス、サルでは血糖セットポイントが異なり、空腹時血糖値は、C57BL/6 マウス、ヒト、カニクイザルの順で高い。

マウスにヒトやサルの膵島を移植するとマウスでは低血糖のレベルまで血糖値が低下する。この結果から、移植膵島が単独でその種のターゲットとなる血糖値を決定している。

マウス眼内へのマウス膵島移植では、瞳孔対光反射により膵島は神経支配をうける。移植した膵島には、膵臓の膵島と同様に密集した副交感神経のアクソンが認められる。

マウス虹彩由来の副交感神経アクソンは、移植ヒト膵島内には入らないが、移植マウス膵島内には多くの副交感神経アクソンが認められ、光刺激によりマウスの血糖値が低下する。ヒト膵島を眼内移植したマウスでは光刺激により血糖値は変化しない。

糖尿病ヌードマウスの眼内にヒト膵島を移植、血糖値がヒトの血糖値レベルに改善後、ヒトグルカゴン受容体拮抗薬を投与した。コリン作動性神経制御を除外するため、tropicamide を併用した。マウスの血糖値は、50mg/dl 程度(73%)上昇、ヒトインスリン値は44%減少した。
ヒトグルカゴン受容体拮抗薬投与後の糖負荷試験でヒト膵島を移植した糖尿病マウスの血糖値は上昇する。

GLP-1受容体拮抗薬リラグルチドでは、血糖値セットポイントを変えない。コリン作動性やインクレチン作動性でなく局所のグルカゴンインプットが、β細胞を活性化している。

ヒト膵島dynamic perfusion で、血糖値90mg/dlではグルカゴンとインスリンの値はオーバーラップしている。ヒトの通常血糖レベルでグルカゴンはインスリン分泌を増強している。

1. Rayner Rodriguez-Diaz et al. Paracrine Interactions within the Pancreatic Islet Determine the Glycemic Set Point. Cell Metab. 2018.

2. Krentz NAJ, Shea LD, Huising MO, Shaw JAM. Restoring normal islet mass and function in type 1 diabetes through regenerative medicine and tissue engineering. Lancet Diabetes Endocrinol. 2021 Oct;9(10):708-724.
2から1を孫引き
ATP感受性カリウムチャネルチャネルが反応し電位依存性カルシウムチャネルを介してカルシウムが流入、インスリンが分泌されるグルコース閾値は、
マウスβ細胞で140-149 mg/dl (7.8-8.3 mmol/L)、ヒトでは79-90 mg/dl (4.4-5.0 mmol/L)であり、種により異なる。


GLP-1注入によるグルカゴン分泌抑制 (ステップワイズグルコースクランプの結果)

GLP-1はソマトスタチン分泌を促進してグルカゴン分泌を抑制する。健常者と2型糖尿病患者のステップワイズグルコースグランブで血糖値の上昇とともにグルカゴン値は低下、GLP-1は生理食塩水に比べさらにグルカゴン値を低下させる。

まとめ
空腹時血糖値から270mg/dl まで4ステップでグルコース値を上昇させるグルコースクランプで、生理食塩水あるいはGLP-1を注入する。

健常者と2型糖尿病患者で血中グルカゴン値は、グルコース濃度の増加とともに低下する。GLP-1は、生理食塩水に比べグルカゴンのarea under curve (AUC)を低下させる。

1型糖尿病患者10症例(平均年齢57歳)でグルカゴン値は、グルコース濃度やGLP-1注入で変化しなかった。

GLP-1はソマトスタチン分泌を促進してグルカゴン分泌を抑制する。ヒトのα細胞には弱いレベルでGLP-1が発現しているので、GLP-1の注入は、α細胞に直接作用しグルカゴン分泌を抑制するのかもしれない。

インスリン受容体作動薬S961は、GLP-1によるヒトα細胞の分泌に影響しないとの報告がある。

ソマトスタチンもインスリンと同様に低血糖ではほとんど分泌されないため、臨床的に、GLP-1によるグルカゴン分泌抑制は低血糖ではみとめられないと考えられる。

ソマトスタチンは迷走神経刺激により抑制される。これらからも低血糖でのGLP-1によるグルカゴン分泌抑制が認められないことを説明できるかもしれない。

1型糖尿病患者でGLP-1がグルカゴン分泌を抑制する報告がある。1型糖尿病でGLP-1 受容体作動薬は胃排出を低下させ、食後血糖値 excursion と、インスリン量を抑制すると報告されている。

グルカゴン分泌はコリン作動性、アドレナリン作動性の神経支配を受けその両者とも低血糖で活性化される。

今回の1型糖尿病10症例は平均年齢57歳、罹病歴32年で年齢がたかく1型糖尿病歴が長い。
高齢、1型糖尿病歴が長い場合、自律神経障害があるため、低血糖によるグルカゴン分泌が減弱するため、1型糖尿病患者でグルコース濃度およびGLP-1によりグルカゴン値が影響されなかったかもしれない。

JI Bagger et al. Glucagonostatic Potency of GLP-1 in Patients With Type 2 Diabetes, Patients With Type 1 Diabetes, and Healthy Control Subjects. Diabetes (2021)

Ørgaard A. Holst JJ The role of somatostatin in GLP-1-induced inhibition of glucagon secretion in mice.Diabetologia. 2017 May 27. doi: 10.1007/s00125-017-4315-2.

Kielgast U, Asmar M, Madsbad S, Holst JJ. Effect of glucagon-like peptide-1 on alpha- and beta-cell function in C-peptide-negative type 1 diabetic patient. J Clin Endocrinol Metab. 2010 May;95(5):2492-6.
1型糖尿病患者でGLP-1は、グルカゴン分泌、アルギニン刺激によるグルカゴン分泌を抑制する。

迷走神経遠心路とGLP-1によるインスリン分泌促進、グルカゴン分泌抑制作用

アトロピンは、ムスカリン性コリン作動性伝達をブロックし、心拍数増加、ドライマウス、心拍数増加、著明なpancreatic polypeptide 分泌抑制をおこす。これらは迷走神経遠心路活性の抑制を意味する。

健常者10人の検討でアトロピンは、GLP-1によるインスリン分泌促進作用に影響しない。グルカゴン分泌はGLP-1により抑制され、アトロピンは付加的に抑制する。

GLP-1はソマトスタチン分泌を介してグルカゴン分泌を抑制する。
迷走神経の活性化はソマトスタチン分泌を抑制、アトロピンによりその効果は無効となる。アトロピンが、迷走神経活性によるソマトスタチン分泌抑制を和らげ、膵島内ソマトスタチン分泌増加し、α細胞分泌抑制にはたらいている可能性がある。

Plamboeck A, Veedfald S, Deacon CF, Hartmann B, Vilsbøll T, Knop FK, Holst JJ. The role of efferent cholinergic transmission for the insulinotropic and glucagonostatic effects of GLP-1. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2015 Sep;309(5):R544-51.

グルタミン酸はα細胞から分泌されグルカゴン分泌を促進する。

齧歯類、サル、ヒト膵島のα細胞には、vesicular glutamate transporters (vGluT1-3) が発現している1, 2, 3)。初期の報告ではグルカゴンとともにグルタミン酸が放出されるとされた 2)。

しかしエピネフェリンは、グルカゴン分泌を増加させるが、グルタミン酸放出を減少させる。グルタミン酸はホルモンと同時に分泌されるというよりも細胞膜興奮性アミノ酸トランスポーターplasma membrane excitatory amino acid transporters (EAAT) を介して放出される 1, 4)。グルタミン酸の取り込みもEAATを経由する 4)。

グルタミン酸は、細胞外のイオン型グルタミン酸受容体(AMPA/kainate receptor、 N-nitrosodimethylamine [NMDA] receptor)、および代謝型グルタミン酸受容体を介して作用する。膵島でグルタミン酸受容体の発現に関しては見解が異なっている。齧歯類、サル、ヒトでグルタミン酸は、α細胞のAMPA/kainate receptorを活性化し、低グルコース濃度でグルカゴン分泌を促進する 5)。

膵島で細胞外グルタミン酸の作用は複雑である。膵島内のグルタミン酸濃度は細胞内メタボリックプールからの逆輸送に強く影響されている。

“The concentrations of glutamate in the islet may be strongly affected by reverse transport from a cell’s metabolic pool.”1)
グルタミン酸は細胞外シグナルおよび細胞内代謝産物としてもホルモン分泌に影響を与えている 1)。

1. Rayner Rodriguez-Diaz et al. The Local Paracrine Actions of the Pancreatic α-Cell. Diabetes 2020;69:550–558

2. Hayashi M et al. Secretory granule-mediated co-secretion of L-glutamate and glucagon triggers glutamatergic signal transmission in islets of Langerhans. J Biol Chem. 2003 Jan 17;278(3):1966-74.
Vesicular glutamate transporter 2 (VGLUT2) はα細胞でグルカゴンが含まれる分泌顆粒secretory granule に発現している。 synaptic-like microvesicles にVGLUT2発現していない。α細胞にはAMPA型グルタミン酸受容体、カイニン酸型グルタミン酸受容体が発現している。

3. Cabrera O, Jacques-Silva MC, Speier S, et al. Glutamate is a positive autocrine signal for glucagon release. Cell Metab 2008;7:545–554

4. Feldmann N, del Rio RM, Gjinovci A, Tamarit-Rodriguez J, Wollheim CB, Wiederkehr A. Reduction of plasma membrane glutamate transport potentiates insulin but not glucagon secretion in pancreatic islet cells. Mol Cell Endocrinol 2011;338:46–57

5. Tilo Moede, Ingo B Leibiger, Per-Olof Berggren Alpha cell regulation of beta cell function. Diabetologia. 2020 Oct;63(10):2064-2075.

ヒト膵島でアセチルコリンはα細胞のバラクラインホルモンとして作用している。

ヒト膵臓で、vesicular acetylcholine transporter (vAChT)に染色される神経線維は主に外分泌線にみとめられ、膵島での発現はわずかである。1)

α細胞で、vAChTcholine acetyltransferase (ChAT)choline transporter (ChT)が発現している。膵島でvACht ~80%はグルカゴンと共染色する。インスリン、ソマトスタチンとの共染色は少ない。1)

 

カイニン酸 kainate、低グルコース濃度(グルコース16mMから3mMへ変化)は、α細胞に特異的な分泌刺激である。アセチルコリンはカイニン酸や低グルコース刺激により開口放出されパラクラインとして作用する。1, 2, 3, 4)

 

ヒトβ細胞にはM3M5ムスカリン受容体が発現している。δ細胞にはM1ムスカリン受容体が発現している。ヒト膵島でアセチルコリンはβ細胞とδ細胞を刺激するがα細胞は刺激しない。5)

 

アセチルコリンムスカリン受容体は、Gタンパク質共役受容体 G protein-coupled receptorαサブユニットGqは、phospholipase C (PLC)を活性化する。PLCは、phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2)を加水分解し、inositol 1,4,5-triphosphaye (IP3)diacylglycerol (DAG) を産生し、インスリン分泌を増強する。3, 4)

 

δ細胞から分泌されるソマトスタチンはインスリンとグルカゴン分泌を抑制するので、アセチルコリンがソマトスタチン分泌を介して膵島のホルモン分泌に影響しているかもしれない。
定常状態(グルコース54mg/dl) で内因性アセチルコリンは膵島インスリン分泌抑制にはたらいている。ムスカリン作用拮抗薬アトロピンでインスリン分泌が増加する。これはδ細胞のソマトスタチンによるインスリン分泌抑制作用のためである。5)

 

1. Rodriguez-Diaz R, Dando R, Jacques-Silva MC, et al. Alpha cells secrete acetylcholine as a non-neuronal paracrine signal priming beta cell function in humans. Nat Med 2011;17:888–892

2. Mark O Huising Paracrine regulation of insulin secretion. Diabetologia. 2020 Oct;63(10):2057-2063.

3. Tilo Moede, Ingo B Leibiger, Per-Olof Berggren Alpha cell regulation of beta cell function. Diabetologia. 2020 Oct;63(10):2064-2075.

4. Rayner Rodriguez-Diaz et al. The Local Paracrine Actions of the Pancreatic α-Cell. Diabetes 2020;69:550–558

5. Molina J et al. Control of insulin secretion by cholinergic signaling in the human pancreatic islet Diabetes. 2014 Aug;63(8):2714-26. 

膵島内グルカゴンはβ細胞のGLP-1受容体を介してインスリン分泌を促進する。

グルカゴンはβ細胞のグルカゴン受容体、GLP-1受容体の両方を介してインスリン分泌を刺激するが、GLP-1受容体がより重要である。

まとめ
低分子化合物clozapine N-oxide (CNO) により活性化され、抑制性Gタンパク共役受容体 (inhibitory G protein-coupled receptor (Gi) と対になる受容体(GiD)を設計する。GiD をα細胞に発現するマウス(α-GiD マウス)では、薬剤によりGi が活性化され、グルカゴン分泌はコントロールの10%程度に遮断される。
CNO投与後の経腹膜糖負荷試験 IPGTTでは、コントロールに比べα-GiD マウスで血糖値が上昇、グルカゴン分泌とインスリン分泌は低下している。
高グルコース濃度 (12mM)、アミノ酸刺激で膵島のインスリン分泌は、GLP-1受容体拮抗薬 exendin(9–39)で低下するが、グルカゴン受容体拮抗薬 adomeglivantでは影響を認めない。グルカゴンによるインスリン分泌促進では、β細胞のグルカゴン受容体の寄与は低くGLP-1受容体がその役割を担っている。1)

グルタミンやアルギニン刺激によりα細胞のグルカゴンとGLP-1が分泌される。分泌量はGLP-1の方が少ないが、インスリン分泌刺激物質としてGLP-1はグルカゴンに比べ300倍のポテンシャルがある。
GLP-1受容体拮抗薬exendin 9–39 はグルカゴン刺激によるインスリン分泌をワイルドタイプの膵島で65%、β細胞にグルカゴン受容体を発現しないマウスの膵島で約80%低下させる。
β細胞にGLP-1受容体を発現しないマウスではグルカゴンによるインスリン分泌は85%に低下する。グルカゴンはβ細胞のグルカゴン受容体、GLP-1受容体の両方をしてインスリン分泌を刺激するがGLP-1受容体がより重要である。
グルカゴン、GLP-1のシグナル低下はβ細胞のcAMP濃度を低下させる。
GLP-1受容体拮抗薬/グルカゴン受容体拮抗薬を使っても、GIP刺激によるインスリン分泌は保たれる。2)

1. Zhu L et al. Intra-islet glucagon signaling is critical for maintaining glucose homeostasis. JCI Insight. 2019 Apr 23;5. pii: 127994.

2. Capozzi ME, et al. β Cell tone is defined by proglucagon peptides through cAMP signaling. JCI Insight. 2019;4(5): pii: 126742.

3. Svendsen B, et al. Insulin Secretion Depends on Intra-islet Glucagon Signaling. Cell Rep. 2018;25(5):1127–1134.e2.

4. グルカゴンはβ細胞でGLP-1受容体の weak agonistである。

δ細胞は糸状突起 Filopodiaによりβ細胞やα細胞に到達している。

δ細胞は糸状突起 Filopodiaをもち、Filopodiaは、β細胞やα細胞に到達している。
Filopodiaはδ細胞の伸展elongationに役立っている。
インスリンはソマトスタチンによりグルカゴン分泌抑制作用 (glucagonostatic effect)を示す。

Arrojo E Drigo R et al. Structural basis for delta cell paracrine regulation in pancreatic islets. Nat Commun. 2019 Aug 16;10(1):3700

GLP-1は低血糖でグルカゴン分泌を促進している。

低血糖でのグルカゴン分泌に対するGLP-1の役割は充分解明されていなかった。
GLP-1およびGLP-1受容体は低血糖でグルカゴン分泌を促進する。

まとめ
α細胞のGLP-1受容体の発現をAnti-GLP-1R antibody (OriGene cat #TA326758)で確認した。
α細胞特異的にGLP-1受容体を欠失させたマウス(αGLP-1R-/-) では、低血糖時のグルカゴン分泌促進および高血糖時のグルカゴン分泌抑制が不十分となる。

αGLP-1R-/-マウスでは、
・Non-fasting glucagon が上昇している。
・経腹膜糖負荷試験 (ipGTT)の負荷後30分までの血糖値とインスリン値が高い。血糖値がより上昇するためインスリン値が高くなると考えられる。
・ipGTTの負荷後15分グルカゴンが上昇している。ワイルドタイプでは負荷前と負荷後15分のグルカゴン値に差はない。
αGLP-1R-/-マウスの30分までの血糖値上昇はグルカゴン分泌の変化で説明しうる。

経口糖負荷試験で、αGLP-1R-/-マウスは耐糖能異常を認めない。
GLP-1は分解が早いため、膵β細胞に直接影響するのは膵島内で産生されるGLP-1 (intraislet GLP-1)であり、腸管由来のGLP-1ではないと考えられている。

Zhang Y et al. GLP-1 Receptor in Pancreatic α-Cells Regulates Glucagon Secretion in a Glucose-Dependent Bidirectional Manner. Diabetes 2019 Jan; 68(1): 34-44.

グルカゴン分泌抑制におけるソマトスタチンの役割

α細胞のグルカゴン分泌は、グルコース1mmol/LでソマトスタチンやKATP channel に依存せず抑制される。
KATP channel blocker スルフォニルウレアは、α細胞でグルカゴン分泌を促進し、δ細胞でソマトスタチン分泌を促進する。

まとめ
単離膵島あるいは膵灌流実験で、グルコースはグルカゴン分泌を抑制する。
・グルコース1mmol/L に比べグルコース濃度7 mmol/Lでは、コントロールマウス、Sst-/-、pertussis toxin treatment、Kir6.2-/-マウスでグルカゴン分泌は抑制される。低グルコース濃度(0-7 mmol/L)で、グルコースはソマトスタチン、KATP channel 非依存性にグルカゴン分泌を抑制している。
・高グルコース濃度で、グルコースはソマトスタチン分泌を促進する。ソマトスタチンはα細胞のソマトスタチン受容体(SSTR2、SSTR3)に結合し、グルカゴン分泌を抑制する。

KATP channel blocker スルフォニルウレア は二つのメカニズムでグルカゴン分泌をコントロールしている。
低グルコース濃度での単離膵島あるいは灌流膵臓実験で
・パラクラインの影響がない場合(pertussis toxin treatment、Sst-/-マウス)、スルフォニルウレアはα細胞のKATP channel を抑制しグルカゴン分泌を促進する。
・スルフォニルウレアはδ細胞のKATP channel を抑制しソマトスタチン分泌を促進する。その結果グルカゴン分泌は抑制される。
グルカゴン分泌量は直接的は分泌促進作用と間接的な抑制作用のバランスで決定される。
スルフォニルウレアによるグルカゴン分泌抑制にはソマトスタチンが必須である。

Lai BK et al. Somatostatin Is Only Partly Required for the Glucagonostatic Effect of Glucose but Is Necessary for the Glucagonostatic Effect of KATP Channel Blockers. Diabetes. 2018 Nov;67(11):2239-2253.

プロフィール

N. Ishizuka

Author:N. Ishizuka
糖尿病専門医です。インスリン分泌の基礎研究を経て臨床に戻りました。これまで読んだ論文を臨床に生かしていこうと思い、ブログ形式でまとめています。

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