Hiện tượng tăng glucose máu mạn tính luôn kèm theo sự thay đổi mức độ nhạy cảm của insulin ở mô đích. Ở người đái tháo đường mức độ kháng insulin cũng thay đổi theo sự thay đổi của nồng độ glucose máu. Thậm chí còn có ý kiến cho rằng ở một chừng mực nào đó kháng insulin ở người đái tháo đường còn là hậu quả của kiểm soát chuyển hóa kém. Điều đó cũng có nghĩa là nếu kiểm soát chuyển hóa chặt chẽ sẽ làm tăng nhạy cảm của insulin. Cũng có những bằng chứng khác nữa cho thấy chính sự khiếm khuyết trong bài tiết insulin cũng làm tăng dần mức độ kháng insulin.
Trong nghiên cứu của mình, Yki-Javinen và cộng sự thấy ở những người đái tháo đường typ 1 có mức kiểm soát glucose máu kém và trung bình (phản ánh bằng lượng HbA1c) thì mức độ kháng của insulin ở mô cơ xương cũng biểu hiện khác nhau. Ngược lại việc kết hợp chặt chẽ giữa chế độ ăn, chế độ luyện tập và dùng thuốc đúng, quản lý tốt mức glucose máu, đã làm tăng đáng kể mức độ nhạy cảm của insulin ở mô ngoại vi.
Quá trình tự điều chỉnh của cơ thể
ở mức tế bào, cả động vật thực nghiệm và người mắc bệnh đái tháo đường đều kết hợp với giảm hoạt tính vận chuyển glucose được insulin hoạt hóa ở mô cơ và mô mỡ. Đây là cơ chế tự điều chỉnh của cơ thể, đáp ứng theo kiểu giải mẫn cảm do tăng sử dụng glucose và/hoặc tăng thu nhận glucose.
In vitro, các nghiên cứu đều cho thấy có mối quan hệ chặt chẽ giữa tình trạng quản lý glucose máu với hệ thống vận chuyển các glucose được insulin hoạt hóa. Người ta thấy mối liên quan này được thể hiện ở tế bào xơ, tế bào tiền mỡ 3T3-L1 và cả tế bào cơ nguyên vẹn được nuôi cấy. Gavey và cs đã chứng minh rằng có tác động hiệp đồng của insulin và glucose trong việc gây ra giải mẫn cảm của hệ thống vận chuyển glucose ở tế bào mỡ được nuôi cấy lần đầu.
ủ tế bào cơ và tế bào md trong nồng độ glucose trung bình cao (10- 20 mM) không chỉ làm giảm dần hoạt tính vận chuyển glucose, mất hoạt tính gắn cytochalasin B ở cả trong huyết tương và phần màng microsom tỷ trọng thấp, mà còn thấy hiện tượng kháng insulin cũng dần phát triển. Ngược lại’, tình trạng đói glucose dẫn đến điều hòa làm tăng hệ thống vận chuyển glucose ở các tế bào cơ, tế bào mỡ và tế bào xơ nuôi cấy. Những nghiên cứu của Sasson và Cerasi đặc biệt thích hợp với nhận xét này. Khi cơ bắp chân hoặc các tế bào cơ của chuột được ủ 24 giờ trong nồng độ glucose trung bình cao, hiện tượng giảm tịnh tiến vận chuyển glucose được insulin hoạt hóa đã xảy ra. Tác động này của tăng glucose máu phụ thuộc cả vào liều vào thời gian và có thể đảo ngược hoàn toàn.
Tuy nhiên, vì một số đặc tính của hệ thống vận chuyển glucose (ví dụ như tính đáp ứng với insulin, sự dư thừa chất vận chuyển) có thể bị thay đổi ở những tế bào được nuôi cấy, cần thận trọng trong việc ngoại suy những kết quả nghiên cứu này sang cơ xương trong một cơ thể nguyên vẹn. Để tìm hiểu về đề kháng insulin quan sát thấy sau tăng glucose máu mạn tính ở những con chuột bị cắt tụy bán phần, người ta thường đo sự vận chuyển 3-O-methylglucose ở những tế bào mỡ bị cô lập 6 tuần sau cắt tụy.
In vivo, ở những con chuột bị đái tháo đường được điều trị bằng phlorizin để bình thường hóa glucose huyết tương trong 3- 4 tuần, đã khôi phục lại sự vận chuyển 3-O-methylglucose được kích thích bởi insulin ở các tế bào mỡ về mức bình thường. Những thay đổi này xảy ra song song cùng với sự bình thường hóa thu nhận glucose được insulin hoạt hóa của toàn cơ thể. Như vậy vận chuyển glucose được insulin hoạt hóa bị giảm đi ở chuột đái tháo đường và những khiếm khuyết trong vận chuyển glucose đã được khôi phục về mức bình thường nhờ điều trị bằng phlorizin. Điều này cũng chứng minh rằng sự cải thiện trong hoạt tính vận chuyển glucose tương quan chặt chẽ với sự cải thiện về độ nhạy cảm với insulin.
Tóm lại, đã có bằng chứng khoa học thực nghiệm tin cậy khẳng định chắc chắn khả năng kháng insulin thứ phát xảy ra sau khi tăng kéo dài nồng độ glucose ngoại bào ở cả động vật thực nghiệm, cũng như ở các hệ thống tế bào được cô lập khác nhau.
Tuy giảm thu nhận glucose là kết quả cuối cùng thường gặp trong tất cả các khung cảnh thực nghiệm, một yếu tố mới xuất hiện đó là vai trò tiềm tàng của sự gia tăng kéo dài của nồng độ hexose phosphat ở thời điểm khởi phát và tiến triển suốt quá trình giải mẫn cảm cũng cần được nghiên cứu. Đặc biệt hấp dẫn là sự khởi phát của độc glucose ở khâu vận chuyển glucose/phosphoryl hóa được tăng tốc bởi sự hiện diện đồng thời của nồng độ insulin tăng cao. Điều này cho phép người ta nghĩ rằng chính việc tăng sử dụng glucose, hơn là glucose cao tự nó, là nguyên nhân cơ bản của điều hòa giảm thu nhận glucose.
Một khiếm khuyết sớm trong sử dụng glucose nội bào – do những cơ chế khác nhau phụ thuộc vào khung cảnh thực nghiệm (ví dụ như “bão hòa” glycogen trong các nghiên cứu truyền glucose kéo dài và hạ insulin máu trong các mô hình động vật đái tháo đường) – cũng có thể làm nặng thêm các tác động có hại của glucose và insulin cao bởi sự khuyếch đại “tín hiệu” do glucose gây ra. Khiếm khuyết hoạt tính glycogen synthetase ở cơ xương là một đặc điểm thường gặp của các mô hình độc glucose của cả đái tháo đường và không đái tháo đường. Như thế, có lẽ điều đặc biệt quan trọng là xem xét tác động bị khiếm khuyết của insulin đối với các quá trình phân giải glucose, tân tạo đường, tổng hợp glycogen ở cơ và sự gia tăng hậu quả về nồng độ hexose phosphate có đóng góp vào khởi phát và phát triển của quá trình giải mẫn cảm hay không?.
Những thay đổi phụ thuộc thời gian trong hoạt động của insulin: Khởi phát và sự đảo ngược của độc glucose
Có thể hiểu được rằng những khiếm khuyết mắc phải trong chuyển hóa glucose, đặc biệt là trong thu nhận glucose được insulin hoạt hóa sau khi có tăng kéo dài mức glucose ngoại bào diễn ra theo một trình tự. Một số nhà nghiên cứu đã cố gắng tiếp cận vấn đề quan trọng này ở các tế bào nuôi cấy, các hệ thống cơ quan được tưới dịch, ở con người và động vật nguyên vẹn.
Marshall và cộng sự nghiên cứu thời gian cần thiết để phát triển quá trình giải mẫn cảm của hệ thống vận chuyển glucose và cho sự khôi phục ở các tế bào mỡ nuôi cấy lần đầu được phơi nhiễm với glucose và insulin ở nồng độ cao. Họ đã miêu tả một sự tương quan chặt chẽ giữa tốc độ khôi phục và giải mẫn cảm ở hệ thống tế bào này với 11/2 trung bình là 3 giờ cho sự cảm ứng đề kháng insulin và 3,3 giờ cho sự khôi phục đáp ứng với insulin. Garvey và Marshall cũng đề xuất rằng sự giải mẫn cảm của hệ thống vận chuyển glucose bằng con đường glucosamine phát triển qua một giai đoạn sớm đặc trưng bởi sự rối loạn chuyển vị của các chất vận chuyển glucose trong đáp ứng với insulin và các tác động sau đó đối với sự biểu lộ gen của chất vận chuyển glucose.
Richter, Hansen và cs nghiên cứu diễn biến theo thời gian của sự giảm đáp ứng với insulin do glucose gây ra. Thực nghiệm được tiến hành ở hai chân sau của chuột được tưới dịch. Sự xuất hiện của đề kháng insulin trong hệ thống này diễn ra rất nhanh chóng (< 2 giờ). Người ta cũng thấy kháng insulin có liên quan phụ thuộc với liều glucose và mức độ của nó được tăng lên song hành với sự gia tăng đồng thời mức insulin trong dịch truyền.
Nhưng sự ngoại suy các dữ liệu in vitro này sang điều kiện in vivo có thể gây sai lầm. Thực tế là sự sử dụng glucose trong đáp ứng với kích thích của insulin trong những điều kiện thực nghiệm này thường đặc trưng bằng giảm rõ ràng tác động của insulin lên các con đường oxy hóa và sử dụng glucose gia tăng theo con đường phân giải glucose yếm khí. Ngoài ra trong các hệ thống tế bào nuôi cấy, vai trò tương đối của chất vận chuyển glucose khác nhau tham gia vào đáp ứng với insulin có thể khác với những chất hoạt động in vivo. Những giới hạn này là đặc biệt thích hợp khi nghiên cứu về diễn biến theo thời gian và sự đóng góp tương đối của những thay đổi chuyển hóa/hóa sinh khác nhau vào sự giải mẫn cảm do glucose gây ra.
Đã có một số thông tin về sự phát triển đề kháng insulin ngoại vi ở những mô hình động vật thực nghiệm đái tháo đường. Người ta thấy ở những mô khác nhau, thời gian và sự khởi phát đề kháng insulin cũng khác nhau; đặc biệt là những sự khác nhau rất rõ ràng giữa các tế bào ở mô mỡ và cơ xương.
- Ở các tế bào mỡ, người ta đã thấy có sự giảm acid ribonucleic khuôn mẫu (mRNA) và protein vận chuyển GLUT-4. Hiện tượng này xuất hiện sớm vào ngày thứ 3 sau khi đái tháo đường được gây ra do dùng streptozotocin ở chuột thực nghiệm. Trong thực nghiệm này, người ta cũng đã thu được một số thành công khi cố gắng bình thường hóa nồng độ glucose huyết tương bằng điều trị với phlorizin, nhưng lại thất bại khi nhằm khôi phục mRNA của GLUT-4 về mức bình thường sau 3 tuần điều trị.
Như vậy, có thể suy ra rằng sự giảm biểu lộ gen GLUT-4 ở những mô hình trên động vật này là kết quả của thiếu hụt insulin hơn là do tăng glucose máu mạn tính.
- Ở các tế bào cơ xương, người ta thấy dù có tổn thương nặng khả năng thu nhận glucose được insulin hoạt hóa, nhưng protein GLUT-4 lại vẫn bình thường cho tới 7 ngày sau khi đái tháo đường có insulin máu thấp được gây ra bởi streptozotocin. Giảm protein GLUT-4 của cơ xương chỉ được thấy 14 ngày sau khi dùng streptozotocin.
Tuy nghiên cứu sau không phân biệt giữa hậu quả của tăng glucose máu, hạ insulin máu và các thay đổi chuyển hóa liên quan khác, nhưng nó lại nhấn mạnh sự xuất hiện theo trình tự các khiếm khuyết hóa sinh và phân tử ở các mô nhạy cảm với insulin.
Dimitrahoudis và cộng sự thấy có sự gia tăng có ý nghĩa của protein GLUT-4 ở phần màng bào tương cơ xương chỉ 2 ngày sau bình thường hóa nồng độ glucose huyết tương lúc đói bằng phlorizin ở những con chuột bị đái tháo đường do streptozotocin. Tuy vậy, người ta còn chưa biết liệu một sự đảo ngược của tình trạng tăng glucose máu trong một thời gian ngắn như thế có tác động có lợi hay không đối với sự kích thích của insulin đến quá trình thu nhận glucose của cơ xương. Cuối cùng, một sự tổn thương mức trung bình về thu nhập glucose đã được insulin hoạt hóa (giảm 18% – 24%) cũng đã được chứng minh ở những người bệnh đái tháo đường typ 1 sau 24 giờ tăng glucose máu kéo dài.
Trong thực nghiệm người ta thường dùng phlorizin để làm hạ glucose máu ở động vật thực nghiệm bị đái tháo đường. Phlorizin là một chất gây hạ glucose máu mạnh nhưng lại không gây ảnh hưởng đến hệ thống hormon đối kháng với insulin, không ảnh hưởng đến các chất khác mà chỉ tác động vào glucose máu, phlorizin ức chế vận chuyển glucose ở ống thận, ngăn chặn tái hấp thu glucose của tế bào ống lượn xa; phlorizin làm bình thường hoá glucose máu mà không gây hạ glucose máu hoặc làm thay đổi nồng độ insulin máu, nồng độ các aminoacid, các acid béo tự do, thậm chí nó không gây ảnh hưởng lên quá trình vận chuyển glucose ở ruột non và cơ vân.
Tóm tại, trong quá trình tăng glucose máu kéo dài, đã có những rối loạn lớn đã xảy ra và diễn biến dần theo thời gian. Đây là các khiếm khuyết về chuyển hóa được khởi phát sau khi glucose máu tăng kéo dài. Tuy trong thực tế các nghiên cứu có sự khác biệt về số liệu thu thập được, nhưng những khác biệt này chủ yếu do sự lựa chọn hệ thống thực nghiệm và có thể do mức insulin kèm theo.
In vivo, tuy giảm kích thích của insulin đối với quá trình thu nhận glucose là tác động sớm của đái tháo đường nặng có insulin máu thấp, nhưng chưa có thông tin về khoảng thời gian cần cho sự phục hồi sau khi tăng glucose máu thực nghiệm đã được sửa chữa. Xác định sự xuất hiện tiến triển và đảo ngược của những thay đổi chuyển hóa do glucose là cần thiết để tìm hiểu các cơ chế đề kháng insulin do glucose in vivo.
Ví dụ, nếu có một khiếm khuyết sớm trong sử dụng glucose nội bào xảy ra trước sự khởi phát của khiếm khuyết thu nhận glucose được insulin hoạt hóa, thì có thể giả thuyết rằng tương tác giữa tăng glucose máu và khiếm khuyết sử dụng glucose theo con đường nhạy cảm với insulin là cách giải thích có khả năng nhất của biểu hiện đề kháng insulin do glucose in vivo. Đặc biệt quan trọng là phải xem xét khiếm khuyết các tác động của insulin đối với quá trình phân huỷ glycogen ở cơ và hậu quả gia tăng nồng độ hexose phosphate có đi trước sự khởi phát giải mẫn cảm của hệ thống vận chuyển glucose hay không?.
Giả thuyết cho rằng truyền glucose và insulin kéo dài dẫn đến giảm thu nhận glucose được insulin hoạt hóa ở cơ xương. Những nghiên cứu in vitro ở các tế bào mỡ được nuôi cấy lần đầu đã chứng tỏ sự phân ly hoàn toàn giữa tác động của insulin đối với thu nhận glucose (giảm) và tác động đối với chuyển hóa protein (được kích thích) sau ủ 7 giờ với glucose, insulin và các acid amin. Các nghiên cứu này đã đạt được sự thống nhất khi cho rằng sự giải mẫn cảm bởi glucose của quá trình thu nhận glucose ở cơ là do các yếu tố khác nhau gây tổn thương sớm trong quá trình truyền tín hiệu của insulin.
Một vấn đề liên quan khó lý giải thường gặp nhất với các nghiên cứu in vivo này là sự khó khăn trong việc nhận rõ vai trò tương quan (tiên phát hoặc thứ phát) của giảm rõ rệt sự điều hòa vận chuyển glucose và hoạt tính của glycogensynthase trong trình tự các sự kiện dẫn đến giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose. Hansen và cs đã lập luận cho vai trò tiên phát của khiếm khuyết vận chuyển glucose bởi vì cả mức glucose tự do và glucose-6-phosphat của cơ xương không tăng lên ở chân động vật được truyền glucose so với nghiên cứu đôi chứng. Tương tự như thế, Vuorinen-Markkola và cs đã chứng minh sự giảm rõ rệt về hoạt động của insulin đối với thu nhận glucose ở cơ xương và dự trữ glycogen ở mẫu cơ sinh thiết từ những người bệnh đái tháo đường typ 1 được truyền glucose trong 24 giờ. Trong thực tế, làm giảm khối lượng tế bào beta bằng phẫu thuật gây hậu quả giảm insulin máu và tăng glucose máu đã làm khởi phát các khiếm khuyết trong cả vận chuyển/phosphoryl hóa glucose và hoạt tính glycogen synthase ở cơ xương. Nhưng khi bình thường hóa nồng độ glucose huyết tương bằng điều trị với phlorizin đã khôi phục khả năng thu nhận glucose được insulin hoạt hóa đến mức bình thường mà không kèm theo sự cải thiện Vmax đã bị giảm xuống của glycogen synthase ở cơ xương. Các nghiên cứu cũng cho thấy bình thường hóa glucose huyết tương bằng phlorizin có thể khôi phục vận chuyển 3-O-methylglucose ở các tế bào mỡ lên mức bình thường ở những con chuột bị đái tháo đường.
Các vấn đề mới lại nảy sinh, đó là những tác động này đối với hoạt tính vận chuyển glucose đã xảy ra khi không có những thay đổi về biểu lộ của các protein vận chuyển glucose có mặt ở các tế bào mỡ (là GLUT-4 và GLUT-1) hoặc trong sự chuyển vị của chúng đến màng bào tương trong quá trình đáp ứng với insulin. Điều này có thể được giải thích do những thay đổi trong hoạt tính chức năng của các chất vận chuyển glucose. Sìvitz và cs cũng thấy không có sự thay đổi nào về mRNA của GLUT-4 ở các tế bào mỡ từ những con chuột đái tháo đường do streptozotocin, sau khi nồng độ glucose huyết tương gần bình thường hóa nhờ điều trị với phlorizin. Từ kết quả nghiên cứu này tác giả kết luận “tình trạng glucose máu tương đối không ảnh hưởng đến biểu lộ mRNA của GLUT-4 in vivo”. Dimitrakoudis và cs cũng đã chứng minh rằng ở những con chuột bị đái tháo đường do streptozotocin được điều trị bằng phlorizin, tuy protein GLUT-4 ở cơ xương có xu hướng trở về mức bình thường ở phần màng bào tương, nhưng nó không thay đổi trong kho nội bào. Tuy nghiên cứu sau không xem xét tác động của kích thích của insulin đối với sự chuyển vị của GLUT-4, người ta cũng đã đề xuất một giả thuyết cho rằng sự gia tăng chuyển vị của GLUT-4 đến màng bào tương có thể là một cơ chế có khả năng cải thiện thu nhận glucose ở cơ xương, sau khi tăng glucose máu được điều trị bằng phlorizin.
Như thế, sự kích thích khiếm khuyết của insulin đối với hệ thống vận chuyển glucose đã được đề xuất như một biểu hiện chủ yếu ở mức tế bào mà nguyên nhân chính là hậu quả của glucose máu tăng kéo dài.
Tuy những thay đổi của protein GLUT-4 đã không được chứng minh chắc chắn, nhưng những khiếm khuyết trong sự chuyển vị hoặc hoạt động chức năng của các chất vận chuyển glucose cũng được xem như một yếu tố liên quan.
Giả thiết glucosamin (GLcN)
Ở tế bào cơ xương và tế bào mỡ glucose vào được trong tế bào nhờ các GLUT-4, sau đó nhanh chóng chuyển thành gluco-6-phosphat. Từ đây, đa số gluco-6-phosphat chuyển thành glycogen hoặc fructose-6- phosphat; nhưng có khoảng 1 – 3% được sử dụng để tạo glucosamin-6- phosphat.
Bằng cách sử dụng các tế bào mỡ nuôi cấy lần đầu, Marshall và cộng sự đã đề xuất giả thiết rằng sự giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose ở các tế bào ủ với glucose và insulin nồng độ cao đòi hỏi chuyển hóa glucose/hexose phosphat theo một con đường ít về số lượng của sử dụng glucose nội bào (có nghĩa là con đường sinh tổng hợp hexosamin; bắt đầu bằng chuyển fructose-6-phosphat sang glucosamin-6-phosphat bởi enzym glutamin-fructose-6-phosphat aminotransferase (GFAT).
Phát hiện này lần đầu tiên chỉ ra rằng insulin có tác động cho phép đối với giải mẫn cảm do glucose mà không phụ thuộc vào những thay đổi về gắn với thụ thể insulin. Người ta có thể đặt câu hỏi liệu insulin có thể hoạt động bằng cách thúc đẩy thu nhận và chuyển hóa glucose và sự chuyển hóa này là cần thiết cho phát triển giải mẫn cảm do glucose?. Vai trò tiềm tàng của con đường sinh tổng hợp hexosamin đã được đề xuất bởi người ta thấy cùng với glucose và insulin, acid amin glutamin (chất cho các nhóm amin cần cho hoạt tính của GFAT) cũng cần thiết cho sự khởi phát giải mẫn cảm ở những tế bào mỡ nuôi cấy lần đầu.
Bằng chứng chắc chắn cho “giả thiết hexosamin” là các thực nghiệm gây giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose sau khi ủ kéo dài với GlcN mà không có glucose và sự ngăn chặn giải mẫn cảm bằng ức chế GFAT, nhưng lại có mặt của glucose và insulin. Ủng hộ thực nghiệm tiếp theo cho giả thiết này là các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng chuyển hóa glucose qua con đường sinh tổng hợp hexosamin có thể qua trung gian một số tác động của insulin đối với pyruvat kinase và glycogen synthase. Như thế, trong các hệ thống tế bào cô lập, cường hoạt tính của con đường sinh tổng hợp hexosamine thì gây ra sự phát triển giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose, còn nếu ức chế nó thì
hệ thống này sẽ bị ngăn chặn. Hệ thống phản hồi âm tính này có hoạt động trong cơ xương của động vật còn nguyên vẹn hay không, điều này còn chưa được biết.
Tóm lại, một số bằng chứng ủng hộ giả thuyết rằng con đường sinh tổng hợp hexosamin hoạt động như một con đường điểu hoà có khả năng giải mẫn cảm đối với insulin của hệ thống vận chuyển glucose ở mô mỡ và mô cơ xương. Điều này sẽ dẫn đến một giả thiết liên kết hấp dẫn về sự hiện diện tác động của insulin gây khiếm khuyết trong thu nhận glucose trong các tình trạng đề kháng insulin.
Trong thực tế, tăng chuyển các nguyên tử carbon của glucose qua con đường GlcN có thể là kết quả của tăng kéo dài nồng độ fructoso-6- phosphate nội bào vì tăng sự sẵn có của glucose hoặc giảm sử dụng glucose qua con đường lớn khác (có nghĩa là phân giải glucose hoặc tổng hợp glycogen) hoặc cả hai. Như thế, cơ chế, mà theo đó tăng glucose máu gây ra tổn thương vận chuyển glucose được hoạt hóa bởi insulin, có thể khám phá một cơ chế kiểm soát phản hồi cơ bản hơn điều hoà giảm thu nhận glucose ở tế bào trong đáp ứng với tăng kéo dài của hexose phosphate nội bào(vốn đã có sẵn). Nếu như một con đường điều hòa như thế hoạt động ở cơ xương in vivo và có khả năng giải mẫn cảm đối với insulin của hệ thống vận chuyển glucose, nó sẽ giúp giải thích sự hiện diện phổ biến của tác động của insulin gây khiếm khuyết đối với vận chuyển glucose/phosphoryl hóa trong các tình trạng đề kháng insulin.
Câu hỏi được đặt ra là con đường sinh tổng hợp hexosamin có thể hoạt động như một con đường điều hòa có khả năng giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose đối với insulin ở cơ xương in vivo hay không?. Để trả lời câu hỏi này, người ta đã nghiên cứu xem giải mẫn cảm thu nhận glucose được insulin hoạt hóa có thể được gây ra trong điều kiện không có tăng glucose máu kéo dài, mà chỉ nhờ tăng kéo dài sự sẵn có của glucosamin-6-phosphat ngoại sinh hay không? liệu tác động này có bị thay đổi bởi tăng glucose máu kéo dài đồng thời hay không?. Người ta đã theo dõi qúa trình thu nhận, phân giải glucose và tổng hợp glycogen trong thời gian các nghiên cứu kẹp insulin ở những con chuột còn tỉnh sau nhịn đói 6 giờ, kèm theo có tăng kéo dài (7 giờ) GlcN.
Giả thiết GlcN được đề xuất bởi Marshall và cộng sự được dựa trên quan sát rằng khoảng 1-3% glucose chuyển hóa ở các mô nhạy cảm với insulin được thông qua con đường sinh tổng hợp GlcN. Vì nồng độ glucose cần thiết để gây đề kháng insulin trong các nghiên cứu thời gian ngắn là vào khoảng 20 mM và ái lực của GlcN đối với hệ thống vận chuyển glucose là vào khoảng 4 lần thấp hơn so với của glucose. Người ta có thể tính được rằng nồng độ GlcN ngoại bào bằng 0,8 – 2,4 mM là cần thiết để kích thích dòng glucose qua con đường GlcN trong điều kiện gây giải mẫn cảm tối đa của hệ thống vận chuyển glucose đối với kích thích của insulin. Tương tự như thế, dòng glucose khởi đầu trong thời gian “thực hiện giải mẫn cảm” glucose (glucose cao + insulin cao) là vào khoảng 420 pmol/kg/ph, trong đó 8 µmol/kg/ph (khoảng 2%) có thể đi vào con đường GlcN. Khi tính đến ái lực thấp của GlcN so với glucose đối với hệ thống vận chuyển glucose, có thể tính được rằng truyền GlcN với tốc độ vào khoảng 32 pmol/kg/ph sẽ cần thiết để lại gây ra dòng glucose sang glucosamine-6-phosphate trong thời gian đề kháng insulin do glucose. Dựa trên những ước tính này người ta chọn cách làm tăng nồng độ GlcN huyết tương lên khoảng 1,2 mM bằng truyền GlcN với tốc độ 30pmol/kg/ph. Nồng độ lưu hành này của GlcN rất gần với nồng độ của GlcN cần thiết để giải mẫn cảm tối đa hệ thống vận chuyển glucose ở các tế bào mỡ cô lập (1 mM trong 5 giờ), nhưng thấp hơn nồng độ GlcN gây giảm vận chuyển glucose qua trung gian insulin ở cơ bị cô lập(10 mM trong 60 – 180 ph).
Tác động của truyền GlcN đối với thu nhận và chuyển hóa glucose qua trung gian insulin đã được ghi nhận. Nồng độ GlcN huyết tương được tăng lên khoảng 1,2 mM trong thời gian các nghiên cứu “kẹp tăng insulin máu – glucose máu bình thường”. Truyền GlcN có kết hợp với giảm tốc độ thu nhận glucose và tổng hợp glycogen phụ thuộc thời gian trong các nghiên cứu kẹp insulin. Sau khoảng 5 phút, truyền GlcN gây giảm khoảng 32% thu nhận glucose được insulin hoạt hóa, mặc dù không có rối loạn động học của glycogene synthase của cơ và tăng nồng độ glucose-6- phosphatase. cả tổng hợp glycogen và phân giải glucose đã bị rối loạn rõ rệt trong thời gian nghiên cứu kẹp lần thứ hai so vơí lần thứ nhất hoặc các nghiên cứu đối chứng với nước muối sinh lý. Trong thực nghiệm này, tuy phân giải glucose giảm có ý nghĩa 22%, nhưng giảm tổng hợp glycogen nặng nề hơn và chiếm khoảng 80% của giảm Rd (tốc độ loại bỏ glucose). Trong các nghiên cứu bổ sung các tác giả đã xác định rằng giảm Rd do GlcN đạt hiệu quả tối đa sau 5 giờ và thời gian cần thiết cho hiệu quả bán đối ta của đường amino đối với Rd là vào khoảng 3 giờ. Như thế tăng nồng độ của GlcN có thể gây đề kháng insulin ngoại vi in vivo ở những con chuột còn tỉnh không bị đái tháo đường khi không bị tác động kéo dài của nồng độ cao của glucose và insulin.
Tăng chuyển hóa glucose sang con đường GlcN có thể gây giải mẫn cảm nhiều hơn nữa khả năng thu nhận glucose ở những con chuột đái tháo đường không? Người ta lý luận rằng nếu hoạt động bị tổn thương của insulin đối với thu nhận glucose ở cơ xương ở những con chuột đái tháo đường là do tăng kéo dài dòng các nguyên tử carbon của glucose sang con đường GclN. Những tác động thời gian ngắn của truyền GclN đối với thu nhận glucose được insulin hoạt hóa có thể bị cùn đi ở những con chuột đái tháo đường có glucose máu tăng mãn tính; điều này không xảy ra ở những con chuột không bị đái tháo đường. Tương tự như thế, giả thuyết cho rằng khả năng truyền GlcN gây đề kháng insulin ngoại vi có thể được khôi phục ở những con chuột bị đái tháo đường, bằng cách bình thường hóa nồng độ glucose huyết tương nhờ điều trị phlorizin.
Tuy nhiên, quá trình thu nhận glucose, phân giải glucose và tổng hợp glycogen ở ngoại vi đã không bị ảnh hưởng bởi sự tăng lên của nồng độ GlcN ở những con chuột đái tháo đường. Sự bình thường hóa kéo dài nồng độ glucose huyết tương bằng; điều trị với phlorizin chỉ khôi phục sự thu nhận glucose được insulin hoạt hóa chứ không khôi phục tổng hợp glycogen lên đến mức bình thường ở những con chuột đái tháo đường. Người ta cũng thấy rằng nếu đưa lượng glucose máu trở lại bình thường sẽ khôi phục rõ rệt được những tác động của GlcN đối với thu nhận glucose đã được insulin hoạt hóa, khôi phục được quá trình phân giải glucose và tổng hợp glycogen trở lại bình thường.
Bởi vì một sự gia tăng kéo dài của GlcN đã gây ra tổn thương rõ rệt thu nhận glucose, phân giải glucose và tổng hợp glycogen trong khi nồng độ glucose-6-phosphate của cơ không có thay đổi. Điều này chứng tỏ GlcN có khả năng tác động vào giai đoạn sớm của quá trình thu nhận glucose. Tuy phần lớn các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra tổn thương của hệ thống vận chuyển glucose như một cơ chế hoạt động chính, cũng chưa thể loại trừ có thay đổi nào đó trong quá trình phosphoryl hóa glucose.
Các nghiên cứu đã nói ở trên chứng minh rằng chính sự tăng nồng độ GlcN in viuo gây tổn thương khả năng của insulin trong quá trình kích thích thu nhận glucose và tổng hợp glycogen ở những con chuột có glucase máu bình thường, không xảy ra ở những con chuột có tăng glucose máu mạn tính. Những quan sát này chỉ ra rằng tăng dòng glucose sang con đường GlcN có thể gây ra đề kháng insulin rõ rệt ở cơ xương in vivo và tác động này không phải là bổ sung cho đề kháng insulin do tăng glucose máu mạn tính. Vì khả năng của truyền GlcN kéo dài gây ra đề kháng insulin ngoại vi bị mất đi ở chuột đái tháo đường và được khôi phục ở những con chuột đái tháo đường được điều trị bằng phlorizin. Những tác động gây hại của tăng glucase máu mạn tính và truyền GlcN đối với đề kháng insulin ngoại vi không phải là bổ sung cho nhau mà có thể là có một con đường chung. Lập luận này ủng hộ giả thuyết cho rằng tăng dòng glucose vào con đường GlcN ở cơ xương có thể đóng vai trò quan trọng trong đề kháng insulin do glucose in vivo.
Giảm sử dụng hexosephosphat dẫn đến kích thích khiếm khuyết của insulin đối với thu nhận glucose có phải là biểu hiện của độc glucose?
Chu trình glucose-acid béo được Randle và cộng sự lần đầu tiên đưa ra, tập trung vào sự cạnh tranh cơ chất giữa các carbohydrat và lipid; cuối cùng dẫn đến giảm tốc độ sử dụng hexosephosphat (đặc biệt là fructose-6-phosphat) khi các ạcid béo sẵn có tăng lên.
Một số giả thuyết đã được đưa rai về những sự kiện hóa sinh đặc thù tham gia vào chu trình này. Tăng tạo acetyl-coenzym A (CoA) dẫn đến ức chế pyruvat dehydrogenase và kích thích pyruvat carboxylase. Tăng nồng độ citrate nội bào tương, ức chế hoạt tính của phosphoửuctokinase và làm tăng hoạt tính của acetyl-CoA carboxylase. Tác động cuối cùng này kết hợp với mở rộng kho acetyl-CoA dẫn đến tăng rõ rệt malonyl- CoA, chất đến lượt nó lại ức chế carnitin palmitoyltransferase-l và oxy hóa các acid béo và dẫn đến tích luỹ các acyl-CoA mạch dài (LC-CoA) và triglycerid ở mô.
Tuy hiện nay đã có bằng chứng rõ ràng rằng tăng mức malonyl- CoA, LC-CoA và triglycerid ở mô có tương quan với mức đề kháng insulin ở người và động vật thực nghiệm. Các bước thay đổi sinh hoá ở mức độ khác nhau về giảm kích thích của insulin đối với thu nhận glucose trong những điều kiện này cần phải được nghiên cứu kĩ hơn. Người ta đằ cho rằng sự ức chế phosphoíructokinase đóng vai trò trung tâm, nhờ chuyển fructose-6-phosphat từ con đường phân giải glucose sang con đường sinh tổng hợp hexosamin. Tăng dòng carbon vào con đường này đã được chứng minh là nguyên nhân gây ra những khiếm khuyết của hoạt động của insulin trong quá trình thu nhận glucose và chức năng của GLUT-4. Kết luận này ủng hộ cho giả thuyết có sự tồn tại của những cơ chế cảm nhận năng lượng dư thừa ở cơ xương mà có thể tương tác ở một số khâu. Ví dụ, các con đường cảm nhận năng lượng malonyl-CoA và hexosamin có thể cùng được hoạt hóa khi dòng glucose và acid béo tăng lên.
Như vậy, khái niệm “cạnh tranh cơ chất” dẫn đến giảm sử dụng hexose phosphat là một cơ chế chung mà theo đó đề kháng insulin tại khâu vận chuyến/phosphoryl hóa glucose có thể xảy ra.
Độc glucose nội bào – Yếu tố bệnh sinh của đái tháo đường typ 2
Ngày nay đã có nhiều bằng chứng để chứng minh nguyên nhân đề kháng insulin ở người đái tháo đường typ 2 là một phức hợp đa yếu tố và sự đề kháng này đều có những đặc điểm riêng ở mỗi cá thế. Tuy nhiên cũng có một số những đặc tính chung về các vấn đề hoá sinh/chuyến hoá ở những đối tượng này, đặc biệt khi hội chứng kháng insulin đã rõ rệt. Rối loạn khả năng của insulin thúc đẩy thu nhận glucose ở cơ xương – rối loạn hoạt động của insulin trong quá trình vận chuyển hoặc phosphoryl hóa glucose – là điểm chung cuối cùng của những tình trạng này.
Tính chung nhất của tất cả các hội chứng đề kháng insulin, bất kể nguyên nhân tiên phát của chúng, là do những tác động có hại của chính sự tăng glucose máu mạn tính gây ra đối với hoạt động của insulin, đặc biệt là đối với vận chuyển glucose ở cơ xương. Giả thiết sau cùng này có thể giải thích tiến triển của các hội chứng đề kháng insulin có kết hợp với một mức độ nào đó của tăng glucose máu.
Đề kháng insulin ngoại vi cũng là một đặc điểm của những người có dung nạp glucose bình thường. ở những đối tượng này cũng đã tìm thấy những khiếm khuyết trong hoạt động của insulin trong quá trình vận chuyển/phosphoryl hóa glucose ở cơ xương, oxy hóa và lưu trữ glucose, trong quá trình tổng hợp glycogen.
Song tình trạng sinh lý bệnh của những đối tượng này rất đa dạng. Ví dụ có sự khác nhau tuỳ theo đối tượng nghiên cứu, như giữa các anh, chị em ruột không bị đái tháo đường nhưng cha mẹ bị đái tháo đường, béo phì, tăng huyết áp; hoặc là về nguồn gốc dân tộc (ví dụ như người da trắng châu Âu và châu Mỹ, Pima Indians, người Mỹ gốc Mêhicô). Những đặc điểm này chỉ ra rằng những khiếm khuyết tiên phát di truyền hoặc mắc phải có thể khác nhau giữa các nhóm, thậm chí ngay cả giữa các thành viên trong cùng một quần thể nghiên cứu.
Hội chứng kháng insulin xảy ra có khả năng do hoặc một nguyên nhân tiên phát của giảm dung nạp glucose (ví dụ như khiếm khuyết của tế bào beta hoặc tế bào gan) hoặc một rối loạn tiên phát trong một con đường chính sử dụng glucose nội bào; ví dụ như tổng hợp glycogen hoặc phân giải glucose.
Con đường sinh tổng hợp GlcN hoạt động như một con đường điều hoà ở cơ xương in vivo. Nó có khả năng giải mẫn cảm hệ thống vận chuyển glucose đối với insulin. Như thế, một giả thuyết liên kết cho sự hiện diện phổ biến của hoạt động khiếm khuyết của insulin đối với quá trình vận chuyển/phosphoryl hóa glucose trong những tình trạng đề kháng insulin có thể là hợp lý nhất. Việc tăng cường chuyển các nguyên tử carbon của glucose sang con đường GlcN có thể là kết quả của sự tăng kéo dài nồng độ fructose-6-phosphate nội bào hoặc là do tăng glucose sẵn có hoặc giảm sử dụng glucose theo các con đường chính khác, hoặc cả hai (có nghĩa là cả phân giải glucose và tổng hợp glycogen).
Như vậy, cơ chế mà theo đó tăng glucose máu gây rối loạn hoạt động của insulin đối với vận chuyển/phosphoryl hóa glucose có thể là một “tia nắng mới” chiếu rọi vào một hệ thống kiểm soát phản hồi cơ bản, điều hoà giảm thu nhận glucose ở tế bào đáp ứng với tăng kéo dài hexose phosphat sẵn có trong nội bào.
