Untersuchungen der Sekretionsregulation der Pankreasinseln unter besonderer Berücksichtigung der Alpha-Zellen

Der Diabetes mellitus ist trotz intensiver Forschung und stetig verbesserter Therapiever­fahren weltweit eine der wichtigsten Stoffwechselerkrankung. Da neben dem Mangel an Insulin auch der Überschuss von Glucagon zur Entstehung des Krankheitsbildes beiträgt, liegt in der Reduktion der Glucagonsekretion ein aussichtsreicher therapeutischer Ansatz­punkt. Die vorliegende Arbeit soll dazu dienen, die der Insulin- und Glucagonsekretion zugrunde liegenden Mechanismen und ihre Wechselwirkungen weiter aufzuklären, um daraus bessert therapeutische Interventionen entwickeln zu können.

Während der auslösende Weg (triggering pathway), der die Insulinsekretion einleitet, relativ gut aufgeklärt ist, ist der verstärkende Weg (amplifying pathway) der die tatsächliche Sekretionsstärke zu regeln scheint, noch in großen Teilen unverstanden. Um diesen zu untersuchen wurde ein etabliertes Protokoll verwendet, in dem Glucose selbst in maximal effektiver Konzentration vollständig ihre insulinsekretionssteigernde Wirkung verliert, während die Ketosäure alpha-Ketoisocapronsäure (KIC) weiterhin in der Lage ist, die Sekretion zu stimulieren, wahrscheinlich, weil sie Alpha-Ketoglutarat für den Citracyclus bereitstellt. Es ließ sich nun zeigen, dass die Ketosäure alpha-Ketoisovaleriansäure (KIV), die allein nicht insulinotrop ist, die verloren gegangene insulinotrope Wirkung der Glucose wiederherstellen kann und diese dann auch bei alleiniger Anwesenheit von Glucose weiter bestehen bleibt. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass das Wiederauffüllen des Citratcyclus durch KIV dessen dauerhafte Funktion und damit den Export von Metaboliten (Kataplerose) ermöglicht, die für die Amplifikation der Insulinsekretion notwendig sind. Die Identifikation der Metabolite sowie ihrer Zielstrukturen bedarf jedoch weiterer Aufklärung.

Im Gegensatz zur Insulinsekretion ist der Mechanismus der Glucagonsekretion auch in seinen Grundlagen weitgehend kontrovers. Um die Bedeutung der KATP-Kanäle und der Depolarisation des Plasmamembran für die Glucagonsekretion weiter zu klären, wurden simultane Messungen der Insulin- und Glucagonsekretion, der intrazellulären Calciumkon­zentration und von elektrophysiologischen Parametern durchgeführt. Dadurch konnten wir zeigen, dass auch in Alpha-Zellen der Schluss des K_ATP-Kanals zu einer Depolarisation der Zellmembran führt, der ein Calciumeinstrom und eine Sekretionsauslösung folgt, diese Ereignisse jedoch in ihrem Ausmaß deutlich geringer sind als die entsprechenden Ereignisse in Beta-Zellen. Messungen des verbleibenden Stromflusses nach Blockade des K_ATP-Kanals durch ATP legen zudem eine weniger dominante Rolle für das Membranpotential der Alpha-Zellen als für dasjenige der Beta-Zellen nahe.

Um die Konsequenzen für die Glucagonsekretion von intakten Inseln darstellen zu können, bedurfte es der Aufhebung der parakrinen Hemmung durch die Beta-Zellen. Der Alpha-2-Agonist Clonidin erwies sich dabei als geeignetes Werkzeug, da es die Insulinsekretion effektiv hemmte, ohne die durch Depolarisation stimulierte Glucagonsekretion relevant zu beeinflussen. Dadurch konnte die Wirkung depolarisierender Stimuli auf die Glucagonse­kretion untersucht werden, ohne dass sie von der parakrinen Hemmung beeinflußt wurden. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildete die durch 40 mM Kalium ausgelöste Stimulation, die trotz gesteigerter Insulinsekretion auch eine gesteigerte Glucagonsekretion erbrachte. Die direkte glucagonotrope Wirkung der Sulfonylharnstoffe Tolbutamid und Gliclazid war gering und vorübergehend. Ob die parakrine Hemmung durch Beta-Zellen direkt oder indirekt über Somatostatin aus Delta-Zellen erfolgt, bedarf weiterer Untersuchung.

Insgesamt konnten wir zeigen, dass sowohl autonome als auch parakrine Mechanismen die Glucagonsekretion regulieren. Da in der Signalkaskade der Alpha-Zellen ab dem Schluss des K_ATP-Kanals kein grundlegender Unterschied zu den Beta-Zellen festgestellt werden konnte, der die inverse Glucoseabhängigkeit der Glucagonsekretion erklären würde, scheint eine Untersuchung des Glucosemetabolismus der Alpha-Zellen der logische Ansatzpunkt für künftige Untersuchungen zu sein.