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編譯/陳康 要點
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介紹 內(nèi)分泌胰腺由大約300萬個分散在外分泌組織中的胰島組成，總重量約為1 g(不到胰腺體積的3%)【J Clin Med. 2018;7(3)】。人胰島由β細胞組成，與α細胞、δ細胞、γ細胞和ε細胞混合，分別分泌胰高血糖素、生長抑素、胰腺多肽和饑餓素。 β細胞是最豐富的細胞類型(約占胰島細胞的60%)，與較大胰島相比，在較小胰島的所有內(nèi)分泌細胞中所占比例較高。小胰島也具有較高的胰島素含量，并且與血管接觸更緊密，因此代表了一個功能獨特的亞群。胰島內(nèi)細胞的空間排列對胰島功能也很重要。雖然β細胞在人胰島中不規(guī)則分布，但在葡萄糖刺激下，膜電位和細胞質(zhì)Ca2+濃度([Ca2+]c)在單個β細胞和整個胰島中均表現(xiàn)出復(fù)雜的振蕩模式【Physiol Rev. 2018;98:117–214】。此外，間隙連接提供了連通性，這可能會轉(zhuǎn)移到具有起搏器特性的小細胞簇【Cell Metab. 2016;24: 389–401】。內(nèi)在電振蕩和超特異性β細胞亞群的起源和調(diào)節(jié)仍在研究中，但胰島及其內(nèi)β細胞亞群的異質(zhì)性， 增加了不同細胞類型之間眾所周知的胰島內(nèi)相互作用的復(fù)雜性水平(例如，通過胰島素對胰高血糖素分泌的旁分泌抑制、通過生長抑素對胰高血糖素和胰島素分泌的抑制)。此外，內(nèi)源性胰島再生不僅可能通過導(dǎo)管細胞新生和β細胞復(fù)制發(fā)生，還可能通過極端β細胞缺失后α細胞【Nature. 2010;464:1149–1154】或δ細胞【Nature. 2014;514:503–507】的轉(zhuǎn)分化發(fā)生【Cell Metab. 2018;27:57–67】。因此，β細胞科學(xué)中出現(xiàn)的一個新概念是，功能不僅是β細胞質(zhì)量和質(zhì)量的結(jié)果，也是胰島作為一個器官的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)完整性的結(jié)果。 β細胞在其質(zhì)膜上表達大量的轉(zhuǎn)運體和受體；在各種刺激之后，它們同時或順序的配體接合最終被整合到給定的分泌速率中【Ann Rev Physiol. 2013;75:155–179】。像神經(jīng)元(其對多個突觸輸入的響應(yīng)是動作電位)一樣，β細胞在相位和振幅(即，在時間過程和量上)上調(diào)節(jié)其分泌響應(yīng)以精確地適應(yīng)刺激【Diabetologia. 2009;52:738–751】。 刺激和抑制信號的極端復(fù)雜性以及它們的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)節(jié)可以在操作上減少到兩個主要生理域: 觸發(fā)途徑 從細胞膜水平開始，通過主要為細胞內(nèi)的擴增途徑【Diabetes. 2000;49:1751–1760】。因此，葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT2)的同工型2進入β細胞，并通過糖酵解途徑代謝，隨后在線粒體中代謝。該過程的第一個限速步驟是將葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸。該反應(yīng)由葡萄糖激酶介導(dǎo)，葡萄糖激酶通過測定糖酵解速率，起葡萄糖傳感器的作用【Diabetes. 1990;39:647–652】。葡萄糖代謝提高三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生，導(dǎo)致ATP敏感性鉀(KATP)通道關(guān)閉和膜去極化。這導(dǎo)致Ca2+通過電壓依賴性Ca2+通道進入，[Ca2+]c升高，從而啟動激素從易釋放顆粒的胞吐。ATP生成量增加可能是由于甘油醛-3-磷酸氧化糖酵解步驟中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的生成以及線粒體三羧酸循環(huán)中丙酮酸的氧化所致。ATP的增加不僅關(guān)閉了KATP通道，還成為胰島素顆粒運動和胞吐啟動的主要許可因子。 KATP通道的生物學(xué)與β細胞生理學(xué)相關(guān)。這些通道包括磺脲受體(SURs)和鉀離子內(nèi)向整流器(Kir6.1和Kir6.2)，它們聚集形成一個大的八聚體通道。在β細胞中，SUR1/Kir6.2對構(gòu)成KATP通道，控制鉀離子的通量。重要的是，這些通道的開放可將靜息膜電位重置至電壓門控Ca2+通道激活閾值以下，從而中止胰島素分泌爆發(fā)（bursts）。這發(fā)生在血漿葡萄糖水平低時或在胰島素刺激下，在后一種情況下，安裝了胰島素分泌的自分泌控制裝置【Diabetes. 2011;60:3141–3147】。β細胞KATP- SUR 1(由ABCC 8基因編碼)和Kir6.2兩種成分的突變已被證明會導(dǎo)致胰島素分泌過多，臨床上導(dǎo)致隱性形式的家族性高胰島素血癥或嬰兒期持續(xù)性高胰島素血癥性低血糖。 擴增途徑 也需要葡萄糖代謝，但與KATP通道無關(guān)。在信號放大中，環(huán)磷酸腺苷(cAMP)起著重要的作用。該第二信使由ATP在質(zhì)膜產(chǎn)生，可增強葡萄糖刺激的胰島素分泌，尤其是對胰高血糖素、胰高血糖素樣肽1 (GLP1)和葡萄糖依賴性促胰島素肽(GIP)的反應(yīng)。cAMP依賴性途徑在外細胞機制中似乎尤為重要。 最近，已有研究表明其他分子可作為獨立于葡萄糖代謝的葡萄糖傳感器【Diabetes Obes Metab. 2017;19(suppl 1):54–62】。在嚙齒動物系統(tǒng)中，這些是通過在施加葡萄糖刺激后阻斷葡萄糖利用而鑒定的細胞表面受體。它們還通過改變突觸信使cAMP和[Ca2+]c而起作用。這些額外的葡萄糖傳感器已被初步定義為非典型甜味受體(T1R3)和鈣敏感受體(CaSR)的異二聚體。它們在人β細胞和體內(nèi)胰島素分泌中的作用仍在研究中。 β細胞功能的神經(jīng)調(diào)節(jié) 大腦通過穿透胰島的傳出神經(jīng)提供胰島素和胰高血糖素分泌的補充控制【Cell Metab. 2011;14:45–54】。交感神經(jīng)刺激(通過α2受體介導(dǎo)的去甲腎上腺素釋放)抑制胰島素分泌并增強胰高血糖素分泌【J Physiol. 1975;253:157–173】，而副交感神經(jīng)刺激(通過M3毒蕈堿介導(dǎo)的乙酰膽堿釋放)增強胰島素和胰高血糖素釋放【Endocrinology. 1986;118:1551–1557】。這些自主神經(jīng)回路起源于下丘腦區(qū)，差異控制激素釋放。具體而言，實驗性降低弓狀核表達葡萄糖激酶的神經(jīng)元中的葡萄糖感應(yīng)會導(dǎo)致葡萄糖刺激的胰島素分泌不足和葡萄糖不耐受，而下丘腦外側(cè)區(qū)的相同操作會導(dǎo)致葡萄糖敏感性增強和胰高血糖素對低血糖的反應(yīng)【Diabetes. 2016;65:2711–2723】。腦/胰島軸對全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)和反調(diào)節(jié)的相對貢獻在人類中難以定量；然而，在嚙齒動物中，腎包膜【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2014;306:E559–E570】下或眼睛前房【Proc Natl Acad Sci U S A. 2012;109:21456–21461】中的胰島移植物經(jīng)歷定時的胰島周圍和胰島內(nèi)再神經(jīng)化，這是神經(jīng)可塑性的顯著實例。 β細胞質(zhì)量 β細胞質(zhì)量是包括胰島新生、β細胞增殖和β細胞增生在內(nèi)的陽性因素與包括β細胞凋亡和去分化在內(nèi)的陰性因素之間的凈平衡【Cell Metab. 2018;27:57–67】。盡管β細胞是一種終末分化的細胞類型，但并不完全是有絲分裂后的。在人類中，導(dǎo)管上皮祖細胞的大多數(shù)β細胞新生發(fā)生于產(chǎn)前；在出生后的前5年內(nèi)，隨著新生兒β細胞復(fù)制促發(fā)/ burst (來自胰腺祖細胞和/或?qū)Ч芮绑w細胞)，β細胞團的完整補體得以建立。此后，β細胞增殖非常低，β細胞的平均壽命延長至約25年【J Clin Endocrinol Metab. 2012;97:3197–3206】。然而，在胰島外周，一個專門的微環(huán)境或新生生態(tài)位容納了一群轉(zhuǎn)錄上不成熟(原始)的β細胞，這些細胞構(gòu)成了新β細胞的終身儲庫【Cell Metab. 2017;25:911–926】。這些細胞具有介于α細胞和成熟β細胞之間的中間表型，并可根據(jù)主要信號轉(zhuǎn)分化為一種或另一種，例如胰島素需求增加(如在肥胖癥中， 極端的β-細胞喪失或妊娠)或應(yīng)激物(例如高血糖癥、從正常葡萄糖耐量向2型糖尿病/T2D轉(zhuǎn)變中的氧化超負荷)【Nature. 2010;464:1149–1154；Nature. 2014;514:503–507；Cell Metab. 2018;27:57–67】。值得注意的是，復(fù)制的β細胞上調(diào)數(shù)百個增殖相關(guān)基因，但不上調(diào)參與β-細胞功能(葡萄糖傳感和胰島素分泌)的基因，表明靜止-增殖轉(zhuǎn)變涉及基因表達的全局擴增， 除了組織特異性基因的一個子集【Diabetes. 2016;65:2081–2093】。對復(fù)制β細胞的轉(zhuǎn)錄程序進行編錄的努力不僅是解釋胰島細胞類型的生理可塑性的關(guān)鍵，也是為潛在的基于移植的治療確定β細胞生成的分子途徑的關(guān)鍵。? β細胞胰島素含量 盡管其體積較小，但內(nèi)分泌胰腺具有大量的功能儲備，因為胰腺胰島素含量估計在200-250單位(健康瘦成人的10天供應(yīng)量)范圍內(nèi)。在β細胞胞質(zhì)內(nèi)，胰島素被包裝在5000-8000個分泌顆粒中，這些顆粒在空間上分布在不同年齡的人群中【Diabetes Obes Metab. 2017;19(suppl 1):107–114；】。如圖1所示，每個顆粒(直徑300至350 nm)都含有一個電子致密核，該核由一個鈣離子和兩個鋅離子穩(wěn)定的胰島素六聚體緊密堆積的晶體組成【Trends Endocrinol Metab. 2010;21:599–609】。顆粒不僅僅是遞送貯庫，它還是腔內(nèi)含有許多蛋白質(zhì)、小分子和離子以及一些跨膜蛋白、通道和膜相關(guān)蛋白的動態(tài)結(jié)構(gòu)。顆粒周轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)運是一個高度調(diào)節(jié)的過程，涉及與細胞骨架的關(guān)系、細胞內(nèi)胰島素降解、流動性(動態(tài)、受限或幾乎沒有)、對接以及與質(zhì)膜的融合(由可溶性N-乙基馬來酰亞胺-敏感因子附著蛋白受體[SNARE]蛋白介導(dǎo))【Diabetes Obes Metab. 2017;19(suppl 1):107–114；Trends Endocrinol Metab. 2010;21:599–609】。
分泌顆粒動力學(xué)的哪些特征(年齡、在細胞中的位置和分子特征)對于體內(nèi)胰島素釋放動力學(xué)的哪些方面以及在糖尿病狀態(tài)下哪些步驟可能改變至關(guān)重要，這些仍有待確定。  胰島素分泌與血漿胰島素 循環(huán)胰島素濃度是分泌和清除的函數(shù)，由于首先進入門靜脈循環(huán)的激素的出現(xiàn)和肝臟的大量清除，使得分泌和清除變得復(fù)雜。由于門靜脈循環(huán)不可及，通常無法直接檢測胰島素分泌。因此，當評估體內(nèi)胰島素分泌時，基于C肽檢測的方法目前是最先進的。
通過這種方法，胰島素分泌的計算使用了一種稱為反卷積的數(shù)學(xué)程序【Am J Physiol. 1977;233:E500–E508】，該程序重建了胰腺胰島素分泌速率(以pmol/min為單位)，正如它在肝胰島素降解之前發(fā)生的那樣【J Clin Invest. 1979;64:243–254；Am J Physiol. 1995;268:E21–E27】，并且可以從個體的人體檢測數(shù)據(jù)中可靠地估計【Diabetes. 1992;41:368–377】。因此，將血漿C肽檢測值轉(zhuǎn)換為血漿胰島素濃度涉及兩個相互串聯(lián)的分解代謝過程(和計算步驟)(圖2)?？紤]到約15%的腎C肽攝取量被完整排泄到尿中(其余部分被降解)【J Clin Endocrinol Metab. 1987;65:494–498】，尿C肽與肌酐比值的檢測結(jié)果已顯示與餐后血漿C肽水平有相當好的相關(guān)性【Diabet Med. 2016;33:1554–1558】，因此可用作1型糖尿病患者殘余β細胞功能的指標【Diabet Med. 2013;30:803–817】。  由于血漿胰島素動力學(xué)快速，胰島素分泌速率會快速反映在血漿胰島素濃度中，因此血漿胰島素濃度是胰島素分泌的主要和最廣泛使用的替代指標。然而，在刺激胰島素分泌期間，胰島素清除率可能會有所不同，并可能根據(jù)代謝狀態(tài)而降低或升高。因此，胰島素濃度可能會扭曲胰島素分泌的實際時間進程。
由于難以進入分泌胰腺胰島素的門靜脈，eMCRI的直接實驗測定受到阻礙。然而，內(nèi)源性胰島素清除率可計算為內(nèi)源性胰島素分泌(根據(jù)C肽解卷積重建)與穩(wěn)態(tài)動脈血漿胰島素濃度之間的比值。 如果eMCRI和pMCRI都是從單獨實驗中已知的，則它們的分數(shù)差是肝胰島素提取分數(shù)的估計值, 例如(eMCRI–pMCRI)/eMCRI)。門靜脈胰島素在第一次通過時被肝臟清除的部分約為65%，范圍在50%-70%之間【Am J Physiol. 1983;244:E517–E527；J Clin Invest. 1988;81:435–441】。一旦進入體循環(huán)，胰島素會再循環(huán)至肝臟并進一步被肝臟清除，在較小程度上被骨骼肌和腎臟清除。因此，肝臟的總體貢獻(首過+再循環(huán))占主導(dǎo)地位(約80%)。
通過使用C肽法計算eMCRI和估計肝血漿流量，可以重建肝前(70%門靜脈，30%肝動脈)血漿胰島素濃度。如圖3所示，在糖耐量正常的個體中，空腹肝前胰島素濃度與外周胰島素水平呈近似線性關(guān)系，平均比值為4:1。在進食狀態(tài)下(例如，口服葡萄糖負荷后)，由于肝提取飽和，eMCRI低于空腹狀態(tài)。肌肉的貢獻減少【Diabetes. 2007;56:2958–2963】，而腎臟的貢獻增加【Am J Physiol. 1983;244:E517–E527】，盡管它們對總胰島素清除率的貢獻仍不超過20%。因此，隨著胰腺胰島素釋放的增加，肝前胰島素與外周胰島素的比值逐漸降低(見圖3)。  似乎有多種機制調(diào)節(jié)胰島素降解。在缺乏使胰島素囊泡富含鋅的鋅轉(zhuǎn)運體8 (ZnT8)的小鼠中，肝細胞中網(wǎng)格依賴性胰島素內(nèi)吞減少；在編碼這種轉(zhuǎn)運體的基因中具有單核苷酸多態(tài)性的個體在口服葡萄糖耐量試驗(OGTT)期間也表現(xiàn)出增加的胰島素清除率【J Clin Invest. 2013;123:4513–4524】。神經(jīng)輸入【J Clin Invest. 1997;99:692–700】和細胞氧化還原狀態(tài)【PloS One. 2011;6:e18138】也可能影響胰島素降解，而胃腸激素不影響這一過程【Am J Physiology Endocrinol Metab. 2007;293:E849–E856】。許多藥物可能干擾胰島素降解，特別是在引起一定程度肝毒性的劑量下。在抗糖尿病藥物中，已知磺脲類藥物會降低胰島素清除率【Drugs. 1989;37:58–72】。尚不清楚這種影響是對降解機制的直接影響，還是繼發(fā)于胰島素分泌過多引起的飽和。 胰島素清除在維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的作用是復(fù)雜的。胰島素降解的減少通常被解釋為代償性的，在胰島素抵抗更強且會利用胰島素水平升高的個體中觀察到較低的值。另一方面，胰島素降解酶被敲除的實驗動物會產(chǎn)生胰島素抵抗和糖尿病【PloS One. 2011;6:e20818】。同樣，與門靜脈引流相比，器官靜脈引流進入體循環(huán)的胰腺移植患者會產(chǎn)生空腹高胰島素血癥和輕度胰島素抵抗【Diabetes. 2001;50:1402–1413】。然而，胰島素清除率可獨立于其他因素影響糖耐量。例如，由全身一氧化氮抑制產(chǎn)生的胰島素清除率急性增加30%，使正常糖耐量者的葡萄糖耐量惡化【Diabetologia. 2013;56:1183–1191】。因此，很難從胰島素清除率和胰島素作用的雙向關(guān)聯(lián)中清晰地分離出飽和度。然而，大量證據(jù)表明，即使在考慮了降解能力飽和后，胰島素清除率仍與胰島素敏感性呈正相關(guān)，而與這兩種功能變化的時間順序無關(guān)。 體內(nèi)胰島素分泌的特點 胰島素作用于幾種靶代謝途徑，如脂質(zhì)和氨基酸，它們也影響胰島素的分泌；然而，最緊密的生理反饋是血漿葡萄糖濃度。在體內(nèi)，β細胞功能必須以易于在分鐘基礎(chǔ)上將血漿葡萄糖維持在窄濃度范圍內(nèi)的量和時間過程向身體組織供應(yīng)胰島素。為此，胰島素輸出必須應(yīng)對尖銳的挑戰(zhàn)，如餐食的大小、成分和出現(xiàn)率，并適應(yīng)長期設(shè)置，如靶組織對胰島素敏感性的變化。相比之下，胰島素的作用，如果在細胞水平上同樣復(fù)雜，在任何給定的個體中在功能上是相對穩(wěn)定的。事實上，當通過直接技術(shù)(正常血糖高胰島素鉗夾)在體內(nèi)檢測時，已顯示在24小時自由生活期間胰島素敏感性變化為30%至80%【Ann Clin Biochem. 1999;36: 447–450】。在大多數(shù)情況下，通過生理或藥物干預(yù)，胰島素敏感性最多可增加一倍。相比之下，同一個人的胰島素分泌可能在數(shù)分鐘內(nèi)變化許多倍，就像吃一頓豐盛的混合餐時發(fā)生的情況一樣，或者隨著時間的推移，就像體重增加時發(fā)生的情況一樣【Diabetes. 2013;62:3709–3717】。例如，一個瘦的、對胰島素敏感的成年人可能只需要0.5個單位的胰島素，就可以在2小時內(nèi)處理75 g葡萄糖的口服負荷，而一個肥胖、胰島素抵抗、葡萄糖不耐受的人可能需要45個單位來完成同樣的任務(wù)，跨度大約是100倍【J Clin Endocrinol Metab. 2007;92:2885–2892】。 鑒于β細胞反應(yīng)的高度多態(tài)性，只有在標準刺激(主要是葡萄糖)的情況下，絕對胰島素分泌才是β細胞功能的有意義指標。因此，典型方案采用控制性刺激，如高血糖鉗夾(如下所述)。當刺激未標準化時，可通過計算胰島素(或胰島素分泌)與葡萄糖之間的比率(絕對或增量值或響應(yīng)曲線下的面積)，根據(jù)經(jīng)驗對分泌響應(yīng)進行標準化。例如，由來已久的胰島素生成指數(shù)使用的是從基線開始的30分鐘增量與來自O(shè)GTT的胰島素和葡萄糖濃度之比。 更復(fù)雜的方法依賴于數(shù)學(xué)模型，這些模型已被廣泛用于從臨床試驗中評估β細胞功能——其中葡萄糖水平不受控制——并獲得對胰島素分泌調(diào)節(jié)機制的深入理解【Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2002;5:495–501】。通常，這些模型根據(jù)對分泌機制的正式描述將胰島素分泌率與伴隨的血漿葡萄糖濃度相關(guān)聯(lián)。此類模型的必要條件是對系統(tǒng)的簡化描述(以允許其參數(shù)的穩(wěn)健數(shù)學(xué)可識別性)以及與細胞生理學(xué)中出現(xiàn)的β細胞功能的已知特征的現(xiàn)實一致性。 β細胞反應(yīng)模式 有多種體內(nèi)β細胞功能測試(稍后描述)。每次體內(nèi)胰島素分泌試驗都揭示了β細胞功能的某些方面；然而，單就胰島素而言，沒有一個能概括胰島素分泌反應(yīng)的多態(tài)性。
四十多年前，在離體灌注大鼠胰島中已經(jīng)確定了胰島素分泌反應(yīng)的這三個主要特征【J Clin Invest. 1972;51:2047–2059】，并且可以通過現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模從多種類型的刺激中解決【Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2002;5:495–501；Diabetes. 2018;67:496–506；Diabetes. 2001;50:150–158】。第一相胰島素釋放是由葡萄糖水平的快速升高引起的胰島素分泌的急劇且短暫的峰值。其幅度取決于葡萄糖刺激的大小，也可表示為葡萄糖變化率的函數(shù)(也稱為速率敏感性、預(yù)期或?qū)?shù)分量)。在自由生活條件下很少觀察到第一相胰島素分泌，盡管在OGTT期間偶爾可檢測到雙相反應(yīng)。盡管進行了大量研究，但對葡萄糖階躍的雙相分泌反應(yīng)的生理學(xué)解釋仍有些不確定。單細胞電生理研究表明，對高葡萄糖的急性暴露肯定會與細胞溶質(zhì)鈣濃度的峰值同步增強電活動，就葡萄糖依賴性和時間進程而言，這與胰島素釋放平行【Mears D, Atwater I. Electrophysiology of the pancreatic β-cell. In: LeRoith D, Taylor S, Olefsky J, eds. Diabetes Mellitus. A Funda-mental and Clinical Text. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2000:47–61】。形態(tài)計量學(xué)研究表明，β細胞在成熟的不同階段和在反式高爾基體和質(zhì)膜之間的可變空間陣列中含有不同的分泌顆粒群，構(gòu)成相互動態(tài)交換的分泌池鏈【Diabetes. 2002;51(suppl 1):S60–S67】。在2小時OGTT過程中，第一相胰島素分泌貢獻了估計十分之一(約3 nmol/m2)的超基底分泌然而，一旦葡萄糖開始升高，立即刺激胰島素釋放對于抑制內(nèi)源性葡萄糖產(chǎn)生和啟動組織葡萄糖攝取，從而抑制隨后的血糖波動是至關(guān)重要的【Am J Physiol. 1989;257:E241–E246】。 β細胞葡萄糖敏感性檢測血漿葡萄糖濃度任何伴隨增加的分泌速率增加。這種關(guān)鍵的反應(yīng)模式?jīng)Q定了進餐時分泌的胰島素量，因此是葡萄糖耐量的主要控制因素。事實上，葡萄糖敏感性降低是所有形式葡萄糖耐受不良的標志。 胰島素分泌增強是β細胞功能的內(nèi)在特征。當葡萄糖水平與胰島素分泌之間的劑量-反應(yīng)關(guān)系增強時，就會發(fā)生強化，就像先前暴露于葡萄糖導(dǎo)致隨后暴露時胰島素分泌增加一樣。增強可能由葡萄糖“記憶”、腸促胰島素或胰高血糖素、膽堿能刺激、果糖等其他營養(yǎng)素或包括磺脲類藥物在內(nèi)的藥物等因素產(chǎn)生【Diabetologia. 2014;57:1199–1203】。 根據(jù)該描述，很明顯，葡萄糖穩(wěn)態(tài)的維持不僅取決于胰島素釋放的絕對量，還取決于分泌反應(yīng)的時間動力學(xué)。 其他臨床試驗揭示了β細胞功能的更多細節(jié)。例如，疊加在斜坡血糖穩(wěn)定期上的精氨酸推注探索了一種氨基酸與葡萄糖分開的作用，并已用于估計最大分泌能力【J Clin Invest. 1984;74:1318–1328】。此外，許多研究已檢測了不同氨基酸、【Am J Clin Nutr. 2000;72:96–105】內(nèi)源性【Diabetologia. 2015;58:2344–2351】或外源性游離脂肪酸(FFA)【Diabetologia. 2006;49:1371–1379】、腸促胰島素激素【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2004;287:E199–E206】和神經(jīng)刺激【Curr Opin Gastroenterol. 2013;29:517–522】對胰島素分泌的影響。這些影響取決于刺激質(zhì)量、劑量、給藥途徑、持續(xù)時間(急性或慢性)、與其他刺激的組合以及對胰島素敏感性的同時影響。然而，最終，β細胞整合了所有輸入，并以一種可以用葡萄糖敏感性、增強作用和速率敏感性量化分析的方式做出響應(yīng)。表1報告了β細胞功能基本參數(shù)的標準值 如在具有正常葡萄糖耐量的一大組瘦的(體重指數(shù)≤25 kg/m2)健康志愿者中檢測的。  空腹狀態(tài)下的胰島素分泌 在健康的正常血糖成人中，禁食一夜(10-14小時)后，胰島素分泌率的范圍很廣，與肥胖程度(以及胰島素抵抗，見后面的討論)大致成比例，在女性和男性中同樣如此(圖4)。除肥胖外，空腹胰島素分泌值在生理上也取決于空腹血糖水平。因此，在高血糖患者(例如，糖耐量異常/IGT或顯性T2D的個體)中，在各肥胖水平下空腹胰島素分泌通常高于血糖正常的受試者。  當頻繁從門靜脈血液中取樣時，胰島素濃度會振蕩，每隔5至14分鐘會出現(xiàn)可檢測到的脈沖【Am J Physiol. 1986;251:E215–E226；J Clin Endocrinol Metab. 2000;85:4491–4499】。胰島素分泌的脈沖性是胰島固有的，可能反映了糖酵解的緩慢振蕩與涉及Ca2+通量的較快振蕩之間的耦合【Mol Aspects Med. 2015;42:61–77】。在24小時內(nèi)，每隔80至180分鐘會出現(xiàn)較慢的超日循環(huán)(ultradian cycles/亞晝夜)；這些可能被血漿葡萄糖濃度的小的亞閾值變化所夾帶【J Clin Invest. 1993;92:262–271】。在高血糖狀態(tài)下，脈沖式胰島素分泌被破壞【J Clin Invest. 1993;92:262–271；Diabetes. 1981;30:435–439】，但是其對胰島素作用于目標器官(肝臟和外周組織)的影響是不確定的。 空腹血漿樣本中胰島素原與胰島素濃度的比率(或根據(jù)胰島素調(diào)整的絕對胰島素原濃度)已被提議作為β細胞功能的標志物【Eur J Clin Invest. 2002;32(suppl 3):S35–S45】。在流行病學(xué)研究中，胰島素原與胰島素或胰島素原與C肽的比率較高與偶發(fā)糖尿病有關(guān)【Diabetologia. 2011;54:3047–3054】。 靜脈注射葡萄糖的胰島素分泌反應(yīng) 已使用各種形式的靜脈葡萄糖給藥來檢測獨立于胃腸道影響的β細胞反應(yīng)。 高血糖鉗夾與雙相胰島素分泌 高血糖鉗夾方案已在體內(nèi)、灌注胰腺和胰島培養(yǎng)中使用。本試驗的基本原理是將β細胞暴露于方波高血糖狀態(tài)下，通過受控的可變葡萄糖輸注，使葡萄糖濃度突然升高并保持恒定在預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)上水平。對這種攻擊的胰島素分泌反應(yīng)通常是雙相的，最初急劇的胰島素分泌爆發(fā)持續(xù)約5至8分鐘(第一相分泌)，隨后短暫減少，然后進行性緩慢增加，只要維持高血糖，這種情況就會持續(xù)(第二相分泌)(圖5)。
第一相分泌的胰島素量(也稱為急性胰島素應(yīng)答[AIR])取決于葡萄糖升高的幅度；在典型的+ 126 mg/dL (+7 mmol/L)高血糖鉗夾中，約為每平方米體表面積4 nmol(70kg成人為1單位)，代表第二相每小時分泌的10-15%。盡管很小，但第一相分泌的胰島素量與此相關(guān)，至少有兩個原因。首先，盡管隨著葡萄糖濃度的快速升高，分泌性爆發(fā)很明顯，但潛在機制似乎對葡萄糖濃度的更逐漸升高也起作用。與僅根據(jù)劑量反應(yīng)預(yù)測的反應(yīng)相比，這些機制可能導(dǎo)致了預(yù)期的反應(yīng)。如后所述，這種預(yù)期對葡萄糖穩(wěn)態(tài)具有相關(guān)的生理意義。第二，第一相胰島素分泌減弱是早期β細胞功能障礙的一個非常敏感的標志【Diabetologia. 2004;47:1157–1166】。第一相分泌的損害已經(jīng)存在于有患糖尿病風(fēng)險的個體中【J Clin Endocrinol Metab. 2010;95:4703–4711】；并且是糖尿病發(fā)病的預(yù)測因素【Lancet. 1992;340:925–929】。由于這些相關(guān)特征，第一相分泌的評估已被廣泛使用。 較高的血糖穩(wěn)定期引發(fā)較大的分泌反應(yīng)。然而，如果按順序應(yīng)用多個葡萄糖步驟，則第一相反應(yīng)會逐漸減弱，而第二相分泌會與血糖生成計劃的高度成比例增加【Diabetes. 2002;51(suppl 1):S130–S133】。這種矛盾的行為可能反映了既往血糖對隨后第一相反應(yīng)的抑制性影響，或反映了可輕易釋放的胰島素顆粒池的耗竭【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2016;310:E919–E924；Diabetes. 2018;67:496–506】。 靜脈葡萄糖耐量試驗 產(chǎn)生雙相胰島素應(yīng)答的另一項臨床試驗是靜脈葡萄糖耐量試驗(IVGTT)。在此，通過靜脈注射與身體大小相符的標準化葡萄糖丸劑，并檢測葡萄糖、胰島素和可能的C肽濃度。與高血糖鉗夾相反，葡萄糖濃度在初始峰值后迅速下降，第二相分泌不持續(xù)，而是多相模式的瞬時現(xiàn)象【Am J Physiol. 1977;233:E500–E508】。因此，高血糖鉗夾和IVGTT之間對第一相分泌的評估非常相似，而IVGTT上的第二相分泌發(fā)生在葡萄糖可變的情況下，因此不太具有代表性。與高血糖鉗夾一樣，IVGTT已證明了作為β細胞功能標志的第一期分泌的相關(guān)性。 分級葡萄糖輸注試驗和β細胞劑量反應(yīng) 在分級葡萄糖輸注試驗中，以遞增速率輸注葡萄糖，以刺激胰島素分泌進行性增加。胰島素分泌率與血漿葡萄糖濃度的關(guān)系圖代表了β細胞劑量反應(yīng)，其斜率量化了β細胞對葡萄糖的敏感性(圖6)。在健康人群中，基礎(chǔ)胰島素分泌增加5-6倍，最高可達180 mg/dL (10 mmol/L)葡萄糖；相應(yīng)地，β-細胞葡萄糖敏感性約為13 mU.min-1mM-1 (80 pmol min-1mM-1)。在該葡萄糖濃度范圍內(nèi)(最高至少360 mg/dL (20 mmol/L))，這種關(guān)系相當線性【Am J Physiol. 1996;270:E572–E579】。  慢β細胞反應(yīng)模式和適應(yīng)機制 在持續(xù)、恒定的葡萄糖刺激下，胰島素分泌繼續(xù)小幅上升。這種胰島素分泌的時間依賴性增強可在高血糖鉗夾中檢測到(見圖5)。同樣，長期(2-4天)暴露于輕度高血糖會顯著增強胰島素分泌，劑量-反應(yīng)曲線變陡，如高血糖鉗夾【Diabetologia. 1994;37:1025–1035】和分級葡萄糖輸注研究中所示【Am J Physiol. 1996;270:E572–E579】。因此，當靜脈內(nèi)葡萄糖給藥誘導(dǎo)輕度高血糖的慢性狀況時，健康β細胞在組成上能夠增強其反應(yīng)。 胰島素對口服刺激的分泌反應(yīng) 當攝入葡萄糖時，靜脈注射葡萄糖時觀察到的胰島素反應(yīng)雙相模式在葡萄糖吸收時間內(nèi)基本展開，血漿葡萄糖水平通常在0.5至1.0小時達到峰值，并在攝入后2小時回到基線。胰島素分泌率的上升和下降與血糖水平密切同步。當攝入含有相同量葡萄糖的混合餐(75 g，與常規(guī)OGTT餐相同)時，血糖波動平穩(wěn)，但由于蛋白質(zhì)和脂肪的直接或間接胰島素刺激作用，胰島素分泌增強(圖7)。當在14小時內(nèi)連續(xù)喂食四頓碳水化合物含量高的混合餐時，非糖尿病胰島素敏感者的胰島素輸出最大值為70-85個單位，胰島素抵抗者為140-170個單位，這突出了內(nèi)分泌胰腺的大量功能性分泌儲備【Diabetes. 2015;64:2550–2559】。在連續(xù)的營養(yǎng)負荷下，與第一餐相比，第二餐期間的血糖和胰島素分泌反應(yīng)減弱(Staub-trau got效應(yīng))；這種現(xiàn)象也在糖尿病患者中觀察到，是由于第一次負荷誘導(dǎo)的高血糖和高胰島素血癥對內(nèi)源性葡萄糖產(chǎn)生的持續(xù)抑制以及胰島素釋放的增強【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2009;297:E532–E537】。
值得注意的是，循環(huán)胰島素水平在饑餓期間會降低，但在重新喂養(yǎng)時會迅速反彈【J Clin Invest. 1963;42:1031–1039】。這種轉(zhuǎn)變是舊石器時代狩獵-采集生活方式生存的關(guān)鍵，需要胰島功能的重大快速適應(yīng)。在長時間(72小時)禁食的大鼠中，β細胞表現(xiàn)出顯著的脫顆粒和體內(nèi)胰島素分泌減弱。相比之下，自噬-高爾基體和溶酶體細胞器上調(diào)，高爾基體擴張，(前)胰島素生物合成能力增強。在重新喂養(yǎng)的4至6小時內(nèi)，胰島素原生物合成、細胞超微結(jié)構(gòu)、體內(nèi)胰島素分泌和葡萄糖耐量均恢復(fù)，表明胰島素分泌能力迅速補充【Endocrinology. 2018;159:895–906】。同樣，在肥胖的非糖尿病個體中，14天禁食后血漿胰島素濃度下降約40%(血漿胰高血糖素水平上升)，胰島素敏感性下降50%；10天的再喂養(yǎng)使所有這些變化恢復(fù)至基線【J Clin Invest. 1978;62:204–213】。因此，β細胞可在長時間禁食期間防止低血糖，但仍保留在再喂養(yǎng)時有效增加胰島素生成的潛力。在當今的生活方式下，空腹進食周期要短得多，但過渡階段β細胞功能和胰島素敏感性的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)是相同的。這是建議在碳水化合物負荷充足的情況下進行口服葡萄糖(或混合餐)耐受試驗以防止虛假葡萄糖耐受不良的依據(jù)。 眾所周知，如果攝入而不是輸注葡萄糖，則在相同的葡萄糖水平下胰島素分泌會更高【J Clin Invest. 1967;46:1954–1962】。腸上皮細胞響應(yīng)營養(yǎng)攝入而釋放的GIP和GLP1是胰島素釋放較高的主要原因，因此統(tǒng)稱為腸促胰島素。揭示和量化腸促胰島素效應(yīng)的經(jīng)典試驗是基于標準OGTT試驗，以及同一受試者，通過受控靜脈內(nèi)葡萄糖輸注(也稱為等血糖葡萄糖輸注/ isoglycemic glucose infusion)再現(xiàn)用OGTT法觀察到的葡萄糖濃度的時間過程【Diabetes Obes Metab. 2018;20(suppl 1):5–21】。如圖8所示，胰島素分泌被葡萄糖進入的口服途徑顯著增強，從而導(dǎo)致β細胞劑量反應(yīng)的斜率增加， 正如通過模型分析所估計的那樣【Diabetologia. 2014;57:1199–1203】。在生理刺激期間GIP和GLP1在這種增強中的相對作用，這兩種激素的相互關(guān)系，以及它們與胰島(胰高血糖素、生長抑素、生長素釋放肽)以及胰外組織(瘦素、奧伯他汀)分泌的大量其他激素的關(guān)系，形成了一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其節(jié)點和聯(lián)系在人體實驗中很難解構(gòu)。
胰島素分泌與胰島素敏感性 β細胞功能的另一個重要方面是其與胰島素敏感性的關(guān)系。在胰島素抵抗狀態(tài)下，需要在相同的葡萄糖水平下分泌更多的胰島素來維持糖耐量。這種現(xiàn)象的證據(jù)可以追溯到胰島素測定的嬰兒期【J Clin Invest. 1962;41:2173–2181】。使用IVGTT進行了更系統(tǒng)的研究，因為該試驗允許同時評估AIR(急性胰島素反應(yīng))和胰島素敏感性。AIR和胰島素敏感性之間的相互關(guān)系可能反映了β細胞對受損胰島素作用的適應(yīng)，隨著胰島素敏感性下降，這種適應(yīng)表現(xiàn)為分泌的急劇增加(圖9)。通過對這些IVGTT數(shù)據(jù)擬合等邊雙曲線，已提出更合適的內(nèi)在β細胞功能指數(shù)是胰島素分泌和敏感性指數(shù)的乘積，或處置指數(shù)【Diabetes. 1993;42:1663–1672】。通常假定該范式適用于胰島素分泌的其他指數(shù)，如從OGTT獲得的指數(shù)【Diabetes. 2014;63:1203–1213】。然而，這僅是部分情況， 因為胰島素敏感性的類似關(guān)系與餐后胰島素輸出(或空腹胰島素分泌)存在，但與β細胞葡萄糖敏感性不存在【Diabetologia. 2004;47:943–956】。此外，在患有IGT的個體中，如圖9所示，曲線發(fā)生位移，表明補償減少，直到胰島素敏感性下降到大約以下  IGT，葡萄糖耐量異常；NGT，糖耐量正常。 50 μmol.min-1.kgFFM.nM-1，此時AIR水平恢復(fù)正常，很可能是這些個體輕度高血糖的結(jié)果【Int J Obes Relat Metab Disord. 2000; 24(suppl 2):S29–S31；Diabetologia. 2010; 53: 749–756】。對這些相互關(guān)系的生理學(xué)解釋是，胰島素抵抗提高了β細胞功能的設(shè)定點，由此胰島素分泌的絕對檢測值(空腹、AIR和葡萄糖后)被慢性上調(diào)。然而，控制餐后血糖波動的分泌機制受這種適應(yīng)形式的影響較小。這種現(xiàn)象的解剖學(xué)對應(yīng)物是肥胖個體的β細胞質(zhì)量擴張【Diabetes Care. 2013;36:111–117】，其中許多人的β細胞葡萄糖敏感性和葡萄糖耐量正常。 胰島素分泌的遺傳影響 即使在非常選定的臨床表型中，β細胞分泌輸出的個體間差異也很大(見表1)，這本身表明存在多種影響。全基因組掃描顯示，150多種多態(tài)性與糖尿病或血糖特征有關(guān)，其中大多數(shù)都與胰島素分泌缺陷有關(guān)【Genes (Basel). 2015;6:87–123】。即使在孟德爾隨機分配研究中進行了試驗【Cardiovasc Drugs Ther. 2016;30:51–57】，其中一些風(fēng)險變體的效應(yīng)大小也很小，它們僅解釋了T2D總遺傳力的一小部分。然而，一些有趣的機制信息正在出現(xiàn)。例如，TCF7L2(一種介導(dǎo)無翅/整合(Wnt)途徑的轉(zhuǎn)錄因子)的遺傳變異體【Annu Rev Cell Dev Biol. 2004;20:781–810】與腸促胰島素誘導(dǎo)的胰島素分泌受損有關(guān)【J Clin Invest. 2007;117:2155–2163】。其他基因變異體(GIPR、WFS1、KCNQ1)也已顯示會影響GIP或GLP1介導(dǎo)的胰島素分泌【Diabetologia. 2010;53:2289–2297】。未來，越來越多的敲除和敲除實驗可能會增加這些關(guān)聯(lián)的細胞和分子粒度。 關(guān)于胰島素分泌模式的更多詳細信息可在單基因形式的糖尿病中獲得，尤其是在MODY中。在有多代糖尿病家族史的年輕非肥胖受試者(通常小于25歲)中，至少六種不同基因之一的突變(由常染色體顯性模式遺傳)會導(dǎo)致不同嚴重程度的高血糖。由于所有這些基因都在β細胞中表達，因此它們的突變會導(dǎo)致β細胞功能障礙。在MODY 2中，編碼葡萄糖激酶的基因(GCK)的雜合私人突變導(dǎo)致部分酶缺乏和β細胞葡萄糖敏感性喪失，這可通過分級葡萄糖輸注試驗的劑量反應(yīng)向右偏移得到證明【J Clin Invest. 1994;93:1120–1130.】。轉(zhuǎn)錄因子(肝核因子)HNF1α、HNF1β和HNF4α的共表達控制胚胎發(fā)育和成年期間的基因表達；在β細胞中，它們調(diào)節(jié)胰島素基因和編碼參與葡萄糖轉(zhuǎn)運和代謝的蛋白質(zhì)的基因的表達【Proc Natl Acad Sci U S A. 1997;94:13209–13214；J Biol Chem. 2000;275:35953–35959】。HNF 4α(MODY 1)或HNF1α (MODY 3)的突變也引起分級葡萄糖輸注試驗中β細胞葡萄糖敏感性的喪失【J Clin Invest. 1994;93:1120–1130】和迅速進展的高血糖癥。另外，相關(guān)異常包括對精氨酸的胰島素分泌反應(yīng)不足和胰高血糖素釋放減少，但不包括胰島素抵抗【N Engl J Med. 2001;345:971–980】。在β細胞中表達的其他MODY相關(guān)基因(胰島素啟動子因子1[或MODY 4]、HNF 1β[或MODY 5]和神經(jīng)源性分化1轉(zhuǎn)錄因子[β2，或MODY 6])的突變同樣會引起與β細胞功能障礙相關(guān)的糖尿病。由于這些轉(zhuǎn)錄因子也在其他組織(肝和腎)中表達，因此這些突變產(chǎn)生了一種臨床表型，其中胰島功能障礙與其他異常相關(guān)，特別是微血管并發(fā)癥。 胰島素分泌、胰島素作用和葡萄糖穩(wěn)態(tài) 不同條件下進行的臨床試驗所獲得的信息可以匯成一份簡化的β細胞生理圖(圖10)。在大多數(shù)情況下，主要反饋是葡萄糖濃度和胰島素分泌率之間的關(guān)系:胰島素減少葡萄糖，葡萄糖增加胰島素分泌。幾個主要過程調(diào)節(jié)這種反饋。非葡萄糖底物(FFA和氨基酸)會增強胰島素分泌；腸促胰島素激素；以及在較小程度上的神經(jīng)遞質(zhì)。胰島素清除率(主要是肝清除率)將分泌率轉(zhuǎn)換為循環(huán)胰島素濃度；該步驟由肝降解能力的內(nèi)在飽和和胰島素抗性調(diào)節(jié)。血漿胰島素通過促進組織葡萄糖攝取降低血糖；該步驟由胰島素抵抗門控。血漿胰島素還會抑制脂肪分解【Handb Exp Pharmacol. 2016;233:51–71】和蛋白質(zhì)分解【J Clin Invest. 1987;80:1784–1793】，從而降低循環(huán)游離脂肪酸和氨基酸；這關(guān)閉了調(diào)節(jié)胰島素分泌的次級反饋回路。內(nèi)源性葡萄糖生成(由胰島素抵抗增強)和飲食中的碳水化合物單獨影響血糖水平，而當超過腎臟葡萄糖重吸收閾值時，糖尿會抑制血糖水平。該循環(huán)由葡萄糖對胰島素分泌的刺激作用完成，胰島素抵抗的慢性作用是提高β細胞設(shè)定點。  糖尿病和肥胖也可在該示意圖中表示:胰島素抵抗的存在和嚴重程度通過增加基線分泌活性和增加刺激信號(即葡萄糖、游離脂肪酸和氨基酸)來影響胰島素分泌。遺傳組成(和表觀遺傳修飾)、慢性高血糖癥和其他獲得性損傷會損害β細胞分泌動力學(xué)(葡萄糖敏感性和增強)，并通過表達風(fēng)險基因變體損害胰島結(jié)構(gòu)和細胞表型；葡萄糖和脂肪毒性；并且很可能是胰島素抵抗本身【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2011;300:E255–E262；Front Horm Res. 2008;36:118–134；Diabetologia. 2015;58:2459–2468】。 一個重要的概念是通過OGTT數(shù)據(jù)的生理建模重建的葡萄糖不耐受不同階段的絕對胰島素釋放和β細胞葡萄糖敏感性的相反行為(圖11)。在空腹血糖受損和IGT的常規(guī)診斷類別中，胰島素釋放增加(以補償胰島素抵抗)，而β細胞葡萄糖敏感性已經(jīng)顯著降低，并在明顯T2D的進行性高血糖中繼續(xù)單調(diào)下降。例如，在空腹血糖受損的情況下，胰島素輸出增加15%，胰島素敏感性(在胰島素鉗夾上)僅輕微受損，但葡萄糖敏感性降低30% (表2)【J Clin Endocrinol Metab. 2005;90:493–500】。與這些橫斷面數(shù)據(jù)一致的發(fā)現(xiàn)是，在常規(guī)風(fēng)險因素(性別、年齡、體重指數(shù)、家族史等)影響之外的非糖尿病隊列中，β細胞葡萄糖敏感性是事件T2D的強有力的負面預(yù)測因素。).在這些模型中，胰島素輸出通常表現(xiàn)為獨立的陽性預(yù)測因子 (僅在長期嚴重高血糖的T2D病患者中降低)【Metabolism. 2014;63:1217–1227】。同樣值得注意的是，模型衍生的增強因子可拾取腸促胰島素缺陷，這種缺陷在T2D患者中一致觀察到，在IGT個體中在較小程度上也一致觀察到。因此，人類糖尿病的發(fā)病機制和自然史可以解釋為胰島素分泌生理學(xué)的概述。
Diabetes. 2011;60[12]:3141–3147 表2 NGT、IFG、IGT和T2D患者的胰島素分泌參數(shù) IFG，空腹血糖受損；IGT，糖耐量受損；NGT，正常葡萄糖耐量；T2D，2型糖尿病。 ，但是，如果你是非內(nèi)分泌專科醫(yī)生，竟然也對這些內(nèi)容如此感興趣以至于看到了這兩段PS的內(nèi)容，甚至還想加群，那就按照PS中的步驟來吧，歡迎你 |
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