Anwendung eines hyperglykämischen Glukoseklemmtests mit 3 unterschiedlichen Secretagogen für die Phenotypisierung der frühen metabolischen Veränderungen bei erstgradigen Verwandten von Patienten mit Typ 2 Diabetes mellitus.

Abstract

Der Typ 2 Diabetes mellitus (T2DM) ist eng mit erblichen Defekten der Insulinwirkung und Insulinsekretion verknüpft. In dieser Arbeit wurde ein neuer 3-Stufen kumulativer Infusionstest mit Glukose, Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP) und Arginin bei gesunden Probanden und gesunden Kindern von Patienten mit T2DM zur differenzierten Untersuchung früher Insulinsekretionsdefekte entworfen und eingesetzt. Methodisch wurde in hyperglykämischen Glukoseklemmtest zusätzlich nach 60 min GIP und nach weiteren 30 min Arginin als Bolus und Infusion zugegeben. Insulin-, C-Peptid- und Proinsulinkonzentrationen wurden durch spezifische ELISAs bestimmt und zur Berechnung der pankreatischen Insulinsekretionsrate, der Insulinclearance und des Insulinprozessierens verwendet. Nach jedem Stimulus wurde eine akute, erste Phase und eine zweite langsamere Phase der Insulinsekretion beobachtet. Die Effekte des Sekretagogen waren additiv und bedingten eine etwa 80-fache Steigerung der Insulinsekretion. In beiden Gruppen der Probanden wurde eine hohe Korrelation zwischen einzelnen Phasen der Insulinsekretion nachgewiesen. Der Insulinresistenz Index war bei der Kinder von Patienten mit T2DM signifikant höher als in der Kontrollgruppe. Die Kinder von Patienten mit T2DM wiesen eine erhöhte basale Insulinsekretion, reduzierte Insulinantwort auf GIP und eine eingeschränkte maximale Insulinsekretionskapazität in hyperglykämischen Glukoseklemmtest auf. Wegen einer reduzierten hepatischen Insulinextraktion bei Kinder von Patienten mit T2DM waren diese Befunde nicht durch eine Abnahme der peripheren Insulinkonzentrationen festzustellen, sondern durch die verminderte, mittels C-Peptidkonzentrationen berechnete, Insulinsekretionsrate zu identifizieren. Ein Vergleich des Insulin Resistenz Index und der endogenen Insulinclearance Rate ergab in der Korrelationsanalyse einen signifikanten negativen Zusammenhang für die endogene Insulinclearance Rate unter GIP-Infusionen und unter Infusion von 3 Sekretagogen zusammen. Somit zeigten die Kinder von Typ 2 Diabetiker eine Insulinresistenz, die durch unterschiedliche Mechanismen kompensiert wurde: Eine Zunahme der basalen Insulinsekretionsrate und eine damit verbundene basale Hyperinsulinämie bei unveränderter basalen Insulinclearance. Eine verminderte Insulinclearance unter ß-Zellstimulation und die peripheren Insulinkonzentrationen, welche trotz reduziertem Anstieg der Insulinsekretionsrate vergleichbar mit peripheren Insulinkonzentrationen in der Kontrollgruppe waren. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Studie ist, dass GIP einen doppelten Effekt zur Überwindung der Insulinresistenz ausübt: eine Zunahme der ß-Zellsekretion unter Hyperglykämie und eine Abnahme der Insulinclearance. Bei jüngeren, glukosetoleranten, erstgradigen Verwandten von Typ 2 Diabetikern scheint nur die ß-zellstimulierende Wirkung des GIP eingeschränkt zu sein. Dafür spricht auch bei Kinder von Typ 2 Diabetiker beobachtete absolute und relative Hyperproinsulinämie in Antwort auf GIP- und Arginin- Stimulation. Schlußfolgerung: Die neue Modifikation des hyperglykämischen Glukoseklemmtests ist für die metabolische Phänotypisierung gut geeignet. Insulinresistente Kinder von T2DM weisen unter hyperglykämischen Bedingungen mehrere Defekte der Insulinantwort auf. Defekte der Insulinsekretion werden durch eine veränderte Insulinclearance kompensiert.

Background: Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a heterogeneous disorder with varying degrees of impaired insulin sensitivity and insulin secretion resulting from interaction of genetic and environmental factors. To study early metabolic abnormality by healthy first degree relatives of patients with T2DM we designed a modified hyperglycaemic clamp which permitted determination of both insulin secretion and insulin action. Methods: We studied 8 (2w/6m) healthy, normal glucose-tolerant volunteers (age 32.6± 8.9 years, BMI 23.9±2.9 kg m ?2) and 8 (3w/5m) healthy, normal glucose-tolerant first degree relatives of patients with T2DM (age 26.4± 5.3 years, BMI 24.5±4.7 kg m ?2). We designed a intravenous test that during a single session evaluates: first- and second- phases of glucose-induced insulin secretion (120 min hyperglycemia of 11.1 mmol/l); insulin secretion during an incretin stimulus (hyperglycemia plus 1 h infusion of gastric inhibitory polipeptide (GIP)); and first and second phases of an arginine induced insulin secretion (hyperglycemia plus GIP-infusion plus 30 min arginine bolus and infusion). Insulin, C-peptide and proinsulin concentrations were defined with specific ELISAs that were used for calculation of a pancreatic insulin secretion rate, an insulin clearance, a proinsulin to insulin ratio and a proinsulin to C-peptide ratio. Results: An insulin resistance index was significant higher in the group of first degree relatives of patients with T2DM (p<0.001).The effect of three secretagogues were additiv and caused a 80-times raising of insulin concentration at 120 min of the clamp. A high grad of correlation between different phases of insulin secretion were proved in the both groups. First degree relatives of patients with T2DM demonstrated a complex pattern of the abnormality in the insulin secretion: increased basal insulin secretion rate (p<0.05); increased basal insulin concentrations (p<0.05); reduced GIP-stimulated insulin secretion rate (p<0.05) and reduced insulin secretion capacity (p<0.05). The insulin clearance was significant reduced in the group of first degree relatives of patients with T2DM in the lest 60 min of the hyperglycemic clamp. A significant negative correlation between insulin resistance index and insulin clearance under GIP infusion was detected. The proinsulin to C-peptide ratio was increased in first degree relatives of patients with T2DM in the lest 60 min of the clamp, with no difference between the groups for the proinsulin to insulin ratio. Conclusions: We have identified multiple metabolic abnormalities in normal glucose tolerant relatives of T2DM families. We propose that the decreased insulin secretion and decreased insulin sensitivity is limited by compensatory mechanisms, one of which includes a GIP-dependent reduction of the hepatic insulin clearance that will increase peripheral insulin levels to maintain normoglycemia.