docאנדוקרינולוגיה - נושאים 1-2
download 
Report Transcription
אנדוקרינולוגיה - נושאים 1-2
נושא :1מבוא לבקרה אנדוקרינית 1 המרצים :פרופ' יואב גוטהילף ,מרצים אורחים מתחלפים. © 2011-2012כל הזכויות שמורות למרצי הקורס ולמקורותיהם. נושא :1מבוא לבקרה אנדוקרינית מרצה אורח :פרופ' צבי ירון מהו הומיאוסטזיס? הומיאוסטזיס – גופם של בעלי חיים רב-תאיים מסוגל לעבוד בצורה אופטימלית במסגרת צרה למדיי של תנאים פנימיים ,דהיינו ריכוזים של חומרים כמו גלוקוז ,נתרן ,אשלגן וכדומה .התפקוד נפגע כשהריכוז עולה או יורד בצורה משמעותית מגבולות אותה מסגרת צרה. על מנת שהגוף יעבוד בצורה אופטימלית יש לשמור על הומיאוסטזיס. חלק גדול מההורמונים עוסקים בשימור ההומיאוסטזיס :לחץ דם קבוע ,רמת יונים קבועה בדם וכדומה. יש לציין שזוהי אינה המערכת היחידה לשימור ההומיאוסטזיס :גם מערכת העצבים קשורה בשימור ההומיאוסטזיס. מערכת אנדוקרינית מערכת עצבית פעילות מפוזרת ,שידורית – העירור מועבר לכולם פעילות קווית – העירור עובר בין שתי נקודות ורק בעלי הקולטנים המתאימים יגיבו מוגדרות עוברת דרך מערכת הדם עוברת דרך מערכת העצבים עירור עובר בזמן ארוך ,אפקט ניכר לאחר דקות ואפילו לאחר ימים או שבועות אות כימי עירור בתוך זמן קצר ,חלקי שניות אות חשמלי מקור המושג הטענה שדברים מן הסביבה יכולים להשפיע על הגוף הנידון אינה עניין חדש; מקובל לחשוב שהראשון שהגה את הרעיון היה אמפדוקלס אגריגנטום ) ,(Empedocles of Agrigentumמשוררת הלניסטי אשר דיבר על העולם הבנוי מארבעה יסודות: אוויר ,מים ,אדמה ואש ,היוצרים את היקום. היפוקרטס ,פילוסוף-מדען ,פיתח את הרעיון ותיאר בכתביו את מיכלול הטבע – שהאדם מהווה אך חלק ממנו – עם אינטראקציות מסוגים שונים .במיוחד הוא דיבר על ארבעת היסודות של אגריגנטום )הטבע ,החיים ,האופי והבריאות( והשפעת על ארבעה הומורים ) – (Humoursנוזלים בגוף – הקובעים את אופיו של האדם והתנהגותו ) Blood, Phlegma, Yellow .(bile & Black bileהוא קבע שניתן לחלק את האנשים לארבעה סוגים עיקריים ,לפי שיווי המשקל בין ההומור שלהם: היחסים בין ההומורים קובעים את אופיו של האדם. אריסטו תיאר את הדמיון בין ההתנהגות וצורת הגוף של התרנגולים המסורסים לבין סריסים; וגם 400שנה קודם כתב ישעיהו "ידע שור קונהו" – כאשר שור הוא פר מסורס ,כבר אז ידעו לסרס פרים לצורך ביותם לחריש. קלאודיוס גאלן ) ,(Claudius Galenבתקופה הרומית ,היה רופא בבית חולים הנמצא בעיר פרגמון באיזור תורכיה של היום. בית החולים היה מוקדש לאל אסקלפיוס ,שמקדשו היה באותה העיר .גאלן היה האנטום הראשון ,והאנטומיה שלו הייתה כה טבועה בין רופאי תקופתו שגם אלף שנים אחריו עקבו אחריה – גם שלא הייתה כה מדוייקת. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 2 אבו-סינא ) ,(Avicennaפילוסוף ערבי ,פירסם את קאנון הרפואה .ספריו נשמרו במדבר באיזור הסהרה ,בטימבוקטו שבמדינת מאלי ,שחוכמתם הרפואית הייתה ככל הנראה טובה מאוד ,והרמב"ם עצמו נשען עליהv .רמב"ם ,בתורו ,מתאר ב"ספר נשים" את הסריס וסימניו – חסר זקן ושיער גוף ,שכבת זרעו דהה ,טמפרטורת הגוף שלו נמוכה וקולו כקול אישה. אנדריאוס וזאליוס ) ,(Andeas Vesaliusבבלגיה ,היה הראשון שעשה מדע אמיתי :וזאליוס פקפק בטענת גאלן שלגבר 11צלעות בכלל הליך בריאת האישה הוא הראה שלד אדם וספר את צלעותיו והראה שיש 12צלעות כאן וכאן .וזאליוס כפר באמירותיו של גאלן והיה נידון למוות על ידי האינקוויציה אלמלא הקדיש את ספרו למלך ספרד ,שהציל אותו. טוענים שניתח אדם חי בפני קהל והראה את לבו פועם .רצו להעמיד אותו לדין לא על שום הרג המנותח – אלא משום שהוא כופר. בסופו של דבר הוא גלה – בין אם מדין עצמי או חיצוני – לירושלים. במאה ה 13-הומצאו המשקפיים הראשונים ,אשר איפשרו גם עבודה בשעות מאוחרות יותר וכן קריאה בגילים מאוחרים יותר – כלומר צבירת ידע ממושכת יותר. וויליאם הארווי ,רופא אנגלי שעבד בפאדובה ,גילה את מחזור הדם .הוא לא ראה את כל המחזור אך טעםש בין העורקים ובין הורידים צריכה להיות מערכת נימים – אך שלא היה לו הכלי האופטי שיאפשר לו לראות אותם .עבודתו נבלמה ,במיוחד על גופות ,באנגליה. הנס ג'נסן התקין מספר עדשות בתוך צינור והגיעו להגדלה פי ;10אנטון וון-פבנהוק יצר מיקרוסקופ שמגדיל פי 27ומרצ'לו מלפיגי )מ"גופיפי מלפיגי"( שהיה אנטום ואמבריולוג של צמחים ובעלי חיים הצליח לזהות לראשונה נימים בפרפראט פשוט של ריאות צפרדע. לאחר המהפכה הצרפתית ,המדע השתחרר מעול המלכים והכנסיה והתחילו לפרוח דברים שונים – ואפילו מותר היה להטיל ספק בתיאוריות הקיימות .ברטהולד ערך ניסוי בו לא רק סרס אלא העביר אשך של תרנגול אחד לתרנגולת שסילקו ממנה את השחלה .בעקבות זה התרנגולת פיתחה כרבולת .ברטהולד העלה את הרעיון שבאשך יש משהו שעובר בדם ויכול להשפיע על ההתפתחות של ראש התרנגולת. קלוד ברנרד בודד גליקוגן מתוך הכבד ויכול היה להראות שהגליקוגן יכול להפוך לגלוקוז בתוך הדם .כמו כן הוא קבע שכל האיברים מפרישים לסביבתם הקרובה ,לנוזל הרקמות ,חומר ששומר על מצבם הפנימי )הומיאוסטזיס( אשר כונה "הפרשה פנימית". תומס אדיסון )לא תומס אלבה אדיסון( תיאר את סינדרום ההתנוונות והפגמים בקורטקס האדרנלי )מחלת אדיסון( .עשור אחד אחריו בא צ'רלס דארווין עם ספריו אודות "מקור המינים" והעלה את רעיון האבולוציה והברירה הטבעית. אוסקר מינקובסקי בא ממשפחה ליטאית מקובנה ,שעסקו בסחר .הוא היה איש שמכיל וראה עולם ,והתפרסם בשל שני דברים: הראשון היה הקישור שעשה בין אקרומגליה – ענקיות – לבין פעילות יתר של בלוטת יותרת המוח; השני היה מאמר בנוגע להופעת סוכרת חריפה עם סילוק הלבלב .מינקובסקי הלך לספריה לקרא על נושא מסויים ,ופגש שם את פון-מרינג; הם דיברו ביניהם על משמעות חומר מסויים שמיצו מתוך הלבלב ושאלו האם החומר באמת מביא לידי פירוק של שומן במעי .פון-מרינג הציע לבדוק מה קורה אם ניתן להוציא את הלבלב; למרות שכבר נקבע בעבר שלא ניתן להוציא לבלב ולהשאיר את החיה בחיים .מינקובסקי ,מנתח מעולה ,ניסה להוציא לבלב מאווז והאווז חי; הוא עשה זאת לכלב וראה שהכלב חי ,אך משתין רבות וצמא מאוד .הוא בדק את כמות הגלוקוז בשתן וגילה שהוא גבוה ,וכך למעשה ראה שהכלב חולה בסכרת. בראון-סקארד ,יליד מאוריציוס שנדד ברחבי העולם ,היו נוירופיזיולוג מעולה ותלמידו של קלוד ברנרד .הוא טען שאם ייקח אשכי איל ,ייטחן אותם במים ויזריק אותם לגופו הוא יוכל להחזיר לעצמו את האון המיני .תרכיב זה כונה "השיקוי של סקארד" .אם הכוונה הייתה לטסטוסטרון הרי שאין בכך דבר – שכן טסטוסטרון מומס בשומן ולא במים; אולם באשך יש הורמונים אחרים ,מסיסים במים ,שיכולים לעבוד .כך או כך ,הרעיון של לקחת מיצוי של בלוטה ולתקן פעילות של אדם או חיה שפעילות הבלוטה שלה פגומה – הרי שזוהי שיטה אנדוקרינית ידועה ובטעות למעשה זה מה שסקארד קבע והשיטה משמשת עד עצם היום הזה. והרשימה הולכת ונמשכת :ברטה וארנסט שר העלו את אפשרות ההפרשה הנוירונית; סנגר ריצף את האינסולין; ויגנוד סינטז אוקסיטוצין וואזופרסין; רוזלין ילו ביצעה מדידות רדיו-אימונולוגיות; סאתרלנד גילתה את תפקיד ה ;cAmMP-ומילמן גילה את ההורמון ההיפותלמי שתואר לראשונה בעיתון יומי בסן פרנסיסקו לפני שיצא למדע. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :1מבוא לבקרה אנדוקרינית 3 הפרשה נוירונלית )(Neurosecretion האם באמת קיים הבדל בין המערכות האנדוקרינית והעצבית? למעלה :תא עצב המסתיים בסינפסה; בקצה האקסון נמצאות וזיקולות המכילות נוירוטרנסמיטורים .הללו משפיעים על התא הפוסט-סינפטי ,ומשוחררים עם העירור שעובר לאורך האקסון .למטה :תא אנדוקריני אינו קשור לעצב ,לרוב ,אלא לנים דם .הוא מכיל גם כן וזיקולות של הורמונים ומפריש אותן לנים .באמצע: תא שהוא שילוב בין השניים :נוירון המחובר לנים, ואשר עם קבלת עירור חשמלי הוא מעביר את הוזיקולות אל תוך הנים. על מנת לקיים את ההעברה נדרש סיוע; הנימים הנמצאים ליד תאים נוירוסקרטורים )ניתן לזהותם בתמונה לפי הוזיקולות המופיעות בהם( הינם בעלי תאים אנדותליאלים דקים ושטוחים הבאים לסייע לחומרים המועברים להגיע למחזור הדם. צורות שונות של הפרשה אנדוקרינית • תאים נוירוסקרטורים מייצרים חומר נוירוסקרטורי ומפרישים אותם למחזור הדם. • תאים אנדוקרינים רגילים מייצרים הורמונים וחומרי הפרשה שונים המועברים לזרם הדם. כל ההורומונים וחומרי ההפרשה מעורבבים בזרם הדם .ההורמונים אינם יודעים את יעדם; תאי המטרה הם ה"יודעים" אילו הורמונים עליהם לקלוט – על פי רפרטואר קולטנים שונים המבוטאים על גבי תא המטרה. בהפרשות פראקריניות ,עם זאת ,התא מפריש חומרים לסביבתו המיידית ומשפיע על תאים שכנים ,ללא עירוב מערכת הדם. הפרשה אוטוקרינית היא מקרה פרטי בו התא המפריש והקולט אחד הם. בהתפתחות של תאי זרע ,שני תאי הזרע יושבים בין שני תאי סרטולי .תאי הסרטולי משפיעים על תאי הזרע וההיפך – ישנו דו שיח בין התאים השכנים שאינו מערב את מחזור הדם. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 4 קטגוריות של קולטנים ניתן לחלק את הקולטנים לפי המיקום וצורת ההפעלה באופן הבא: • קולטנים גרעיניים – יושבים בגרעין ומהווית פקטורי שיעתוק או שמפעילים פקטורי שיעתוק. ויטמין ,Dלמשל ,חודר אל קולטן תוך-גרעיני מהווה פקטור שיעתוק )או משפעל פקטור כזה( נקשר אל הכרומטין ופותח את שרשרת ה DNA-הצפופה ,בה הוא מסוגל להפעיל שיעתוק של גן מסויים. מסלול זה ננקט על ידי סטרואידים – מולקולות קטנות ורובן הידרופוביות שיכולות לחדור את הממברנה ולהגיע ישירות לגרעין .אוכלוסיית קולטן גרעיני מסויים נחלקת בשיווי משקל בין הגרעין לציטופלזמה. • קולטנים ממברנליים – מרבית ההורמונים החלבוניים אינם מסוגלים להגיע לגרעין ולכן הם נקשרים לקולטן המצוי על פני הממברנה .על פי רוב ,לקולטנים אלו יש שבע לולאות )איזורים טרנס- ממברנליים( כאשר לצד התוך-תאי יש אתרים לקישור שליחים שניוניים דוגמת PKCאו .PKA ההפעלה של התא נעשית על ידי קליטה ועירור של קולטן שנמצא על פני הממברנה וחלקו הפנימי הוא שמפעיל שליחים שניוניים )דוגמת cAMPשהתגלה על ידי סאתרלנד(. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :1מבוא לבקרה אנדוקרינית • 5 קולטנים בעלי פעילות אנזימטית – קולטנים בעלי רכיב חוץ תאי הקולט את הליגנד ,איזור טרנס- ממברנלי ואיזור קטליטי העובר זירחון ונקשר לחלבון אחר אליו מועבר תהליך הזירחון .החלבון השניוני מסיס וממשיך להעביר את האות פנימה לתוך התא. ההורמונים אקטיבין )(Activin ואינהיבין ) (Inhibinנקשרים לקולטן ממברנלי בעל פעילות אנזימטית המחייבת צימוד בין שני קולטנים לצורך הפעלתם .כאשר שני אקטיבין נקשרים יחד ,הם יכולים להיקשר לקולטן מצומד ולגרום להפעלה של התא הקולט; האינהיבין הוא מעכב ,שכן הוא יוצר קומפלקס שאינו מסוגל לחבר שני קולטנים ליצירת דימר. הפוליסטטין ) (Follistatinמצוי בזרם הדם ופועל כמו האינהיבין ,כלומר מעכב את התגובה ,אבל במנגנון שונה :הוא בעל אפיניות גבוהה ליחידה ,βוכאשר הוא נקשר אל תת יחידה אחת קומפלקס האקטיבין כולו אינו יכול לקשור את הקולטן השני לצורך זיווג קולטנים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב 6 בקרה אנדוקרינית המערכת האנדוקרינית כמנגנון קיברנטי קיברנטיקה היא צורה מכאנית של מנגנון שמפקח על עצמו :דוגמה לכך היא מקרר – הוא פועל עד שמגיע לטמפרטורה מסויימת ואז מפסיק ורק שומר על אותה טמפרטורה .מנגנון כזה הינו מנגנון משתנה. גם המערכת האנדוקרינית מפקחת על עצמה ,אך היא זקוקה לנקודת ייחוס ) (Set pointונקודה זו נמצאת בתחום ההומיאוסטזיס. ישנם מקרים שבהם נקודת היחוס משתנה – דוגמה לכך היא ה .L-Tiroxin-בנשים בהריון רמות ההורמון הזה עולות במשך ההריון ,כמו רמות הורמונים אחרים שגם הן עולות; לאחר ההריון ,בחזרה למצב הפיזיולוגי הרגיל ,נקודת הייחוס יורדת ואיתה הרמות ההורמונליות. דרך הפיקוח הפשוטה ביותר היא המשוב השלילי :הורמון המופרש מבלוטה )דוגמת ACTH מההיפופיזה( גורם לתגובה ברקמת המטרה )עלייה בקורטיזול מהקורטקס האדרנלי( .כאשר עולה רמת הקורטיזול ,הוא משפיע על ההיפופיזה כך שתקטין את רמות ה ACTH-שהיא מפרישה .רקמת המטרה המופעלת על ידי ההורמון משפיעה על הבלוטה המפרישה להוריד את רמות ההפרשה .ההפרשה מתנהלת באוסילציות עולות ויורדות .מכיוון שמדובר בהורמון ,עם זאת ,האוסילציות ארוכות יחסית ולכן נראות כקו אחד. המשוב החיובי עובד על ידי כך שהורמון אחד מעלה רמות הורמון ברקמת המטרה ,והשני מעלה את ייצור ההורמון הראשון ברקמת המקור .דוגמאות לאלו הן לידה או ביוץ – תהליכים מאסיביים שגורמים בסופו של דבר לאירוע דמוי פיצוץ )כמו מיקרופון המקורב לרמקול(. מערכת דו-הורמונלית :במערכת זו רקמת המטרה מושפעת על ידי שני הורמונים המופרשים משני איברים שונים. דוגמה לכך היא בקרת רמת הגלוקוז בדם :כאשר רמת הגלוקוז בדם עולה ,התופעה משפיעה על תאי β בלבלב המתחילים בהפרשת אינסולין. אינסולין מוריד את רמות הגלוקוז בדם ומעלה את רמת הגליקוגן בכבד )מגביר את סינטזת הגליקוגן(. כתוצאה ,יורדת רמת הגלוקוז בדם – מכאן שהגלוקוז משפיע כמו הורמון על תאי ה β-בלבלב .כאשר כמות הגלוקוז בדם יורדת ,יכולה להתרחש עלייה בפעילות תאי אלפא בלבלב ,המפרישים את הגלוקגון – שהוא ההורמון המעודד פירוק של גליקוגן לגלוקוז. תהליכים משפיעים נוספים הם מטבוליזם ,המוביל לירידה בגלוקוז או אכילה המכניסה גלוקוז למחזור הדם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :1מבוא לבקרה אנדוקרינית 7 פעילות הורמונים בציר :בתוך המוח מתרחשת הפרשת .ACTHכמות ההפרשה נקבעת על ידי ההורמון ההיפותלמי .CRHה ACTH-פועל על הקורטקס האדרנלי להפרשת קורטיזול ,המעודד פירוק גליקוגן בכבד ובשרירים .קיימים מספר מנגנוני משוב :משוב שלילי על המוח ומשוב קצר יותר הפועל ישירות על ההיפופיזה ומעכב אותה ישירות. כמות ה CRH-המופרשת מההיפופיזה היא כ 0.1-מיקרוגרם .הפרשה זו מעודדת הפרשה של מיקרוגרם אחד של – ACTHכמות הגדולה פי .10מיקרוגרם זה גורם לקורטקס האדרנלי להפריש 40מיקרוגרם קורטיזול ,הגורם לשחרור של 5600מיקרוגרם גלוקוז מגליקוגן הכבד .ישנה אמפליפיקציה :הציר של CRH ACTH Cortisol Glycogenהינו ציר שמוגבר עם כל שלב ושלב עד לקבלת הגברה מאוד חזרה .פירוק המסלול לשלבים מאפשר גם בקרה טובה יותר ,שכן יש יותר הזדמנויות להתערב בתהליך ולעצור אותו במידת הצורך. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 8 נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז אנדוקרינולוגיה היא תורת ההפרשה הפנימית ,ובאופן ספציפי – הורמונים .הורמון הוא שליח כימי המופרש מבלוטת הפרשה אל הדם ופועל באתרי היעד שלו .עם זאת ,היום יודעים שהורמונים יכולים לבצע גם השפעות פאראקריניות ואוטוקריניות ,והם יכולים להיות מופרשים מרקמות שאינן בלוטות הפרשה – דוגמת בלוטות שומן. בלוטות הפרשה פנימיות • היפופיזה )בלוטת יותרת המוח( – מפרישה הורמונים רבים ומבוקרת על ידי ההיפותלמוס ,חלק מה- .CNS • בלוטת האיצטרובל • בלוטת התירואיד והפאראתירואיד – נמצאים באיזור הגרון ,שולטים בריכוזים של יוני הסידן • בלוטת יותרת הכליה )אדרנל( – צמודה לכליה ,מבקרת לחץ דם • לבלב • בלוטות המין – אשכים ושחלות ,מפרישים סטרואידים מיניים )בעיקר אסטרוגן וטסטוסטרון(. גלוקוז הגוף החי זקוק לאנרגיה ,המתקבלת מהמזון; האנרגיה יכולה להיאגר בצורת פחמימנים ,שומן או חלבון. כמות האנרגיה האצורה בשומן היא הגבוהה ביותר – פי 2יותר מאשר בפחמימנים אחרים .הסוכרים נאגרים בצורת גליקוגן כאנרגיה זמינה; הוא עדיף על השומן משתי סיבות :הוא זמין יותר לפירוק ותוצרי הפירוק הם גלוקוז – הזמינים מייד לשימוש על ידי המוח .יחד עם זאת יש לזכור כי הגליקוגן דורש מסה רבה יותר להפקת כמות אנרגיה נתונה. מאחר וגלוקוז הוא מקור האנרגיה המועדף ,יש לשמור על ריכוזו בדם בטווח הומיאוסטזיס קבוע .עודפי גלוקוז בדם ייפלטו דרך הכליה ,ואז הגוף יאבד מקור אנרגיה זמין; חוסר גלוקוז מסוכן כי אז אין די סוכר החיוני לפעילות המוח והתוצאה של היפוגליקמיה היא עילפון עד מוות. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 9 בקרת ריכוז הגלוקוז בדם נעשית על ידי שני הורמונים – אינסולין וגלוקגון .כאשר רמת הגלוקוז בדם עולה ,תאי βבלבלב מפרישים אינסולין שמעביר גלוקוז מהדם אל הכבד המייצר את הגליקוגן ומפעיל פעולות אחרות לשימור גלוקוז; אם רמת הסוכר יורדת ,גלוקגון משתחרר מתאי אלפא בלבלב וגורם לפירוק גליקוגן ושחרור סוכר מהכבד אל הדם. ישנם דברים נוספים שמבקרים את הגלוקוז ,דוגמת הורמון הגדילה ,קורטיזול )הורמון הקשור במצבי סטרס ואחרים( ,חומצות שומן חופשיות ,מערכת העצבים הסימפטטית .1מאידך ,המערכת הפאראסימפטטית ,נוסף על האינסולין ,מורידה את רמות הגלוקוז בדם. הורדת רמות הגלוקוז העלאת רמות הגלוקוז • גלוקגון • הורמון הגדילה • אינסולין • מערכת העצבים הסימפטטית • אדרנלין • מערכת העצבים הפרא-סימפטטית • חומצות שומן חופשיות • קורטיזול הלבלב רוב רקמת הלבלב עשויה בלוטות הפרשה חיצוניות )אקסוקריניות( המפרישות אנזימי עיכול דרך תעלת הלבלב ) (Pancreatic ductאל התריסריון במעי הדק .יחד עם זאת ,בין תאי הבלוטות האקסוקריניות נמצאים איי תאים המכונים איי לנגרהנס והם אלו שמפרישים את הגלוקגון והאינסולין למערכת הדם. איי לנגרהנס תאי ,αהמצויים במעטפת האי ,מפרישים גלוקגון; תאי ,βהמפרישים אינסולין ,מצויים במרכז .האיים מאופיינים בעושר של כלי דם ,על מנת שיוכלו להפריש את ההורמונים למערכת הדם .במדידת ריכוזי הורמון בדם ,חשוב לדעת מאיזה איבר מופרש ההורמון ,לאיזה כלי דם הוא מופרש ולאיזה כיוון הדם הולך. חתך היסטולוגי בלבלב המראה את אי לנגרהנס. 1מערכת העצבים הסימפטטית מפרישה אפינפרין או נוירואפינפרין .הורמונים-נוירוטרנסמיטורים אלו מעלים את הפעילות הגופנית ולכן הם מעלים גם את הצורך בגלוקוז כמקור אנרגיה לפעילות השרירים והמוח המוגברת. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 10 כלי הדם המקבל את ההורמונים מהלבלב ראשון הוא הוריד שמוביל דם מהלבלב אל הכבד ולכן הרקמה שרואה את ריכוזי ההורמונים הגבוהים ביותר היא הכבד. עקרון זה חשוב באנדוקרינולוגיה :כאשר לוקחים בדיקה מכלי דם מסויים ,חשוב לזכור שבאיזורים וכלי דם אחרים הריכוזים עשויים להיות שונים משנמדדו בדגימה. הכבד מקבל את ההורמונים ראשון ,דרך הוריד שמוליך מהלבלב לכבד. הגלוקגון הגלוקגון מבקר פירוק גליקוגן ) (Glycogenolysisבכבד וכן פירוק שומנים ) (Lypolysisברקמות השומן .כתוצאה הוא מעודד שחרור גלוקוז לדם .שני הורמונים נוספים שמבצעים פעולות אלו הם הורמון הגדילה )(GH ואפינפרין ).(E הגלוקגון עצמו הוא פפטיד של 29חומצות אמינו, הנחתך מפריקורסור די ארוך ,המבוקע לפפטידים המכונים ),GLP (Glucagone-like peptide בעלי פונקציות שונות .בלבלב ,מתוך הפריקורסור מחולץ הגלוקגון ,שהוא ההורמון הפעיל ;2במקומות אחרים ,דוגמת המוח ,הגן לגלוקגון יכול להיחתך אחרת ולהוציא פפטיד עם פעילות אחרת .גן אחד בעל מגוון פעילויות אפשריות ,בתלות בחיתוך הסופי של התוצר. הגן לגלוקגון וה mRNA-שלו .כל ריבוע שחור הוא פפטיד פעיל כלשהו – כאשר השמאלי הוא הגלוקגון והאחרים הם GLPאשר עשויים להיות בעלי פונקציות שונות ברקמות שאינן הלבלב. 2בלבלב ,שאר הפפטידים אינם נמצאים בצורתם הפעילה-ביולוגית ולכן לא יעוררו פעילות גם אם יופרשו לדם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 11 אינסולין אינסולין משפיע על מספר רקמות עיקריות :הכבד ,תאי שריר ותאי שומן. • הרקמה הראשונה שרואה אינסולין היא הכבד .שם ,האינסולין מעודד – Glyconeogenesisייצור של גליקוגן לשרשרת הנאגרת עם מים .עידוד הסינטזה נעשה על ידי העלאת הפעילויות של אנזימים מתאימים .כמו כן הוא מעכב את שחרור הגלוקוז בתהליך .Gluconeogenesis • מעודד כניסה של גלוקוז לרקמות שומן לצורך יצירת חומצות שומן ) (Lypogenesisומעכב פירוק שומן. • מעודד כניסת גלוקוז וחומצות אמינו אל השרירים לצורך סינטזת גליקוגן )(Glycogenogensis וחלבונים .הכניסה היא דרך תעלות או טרנספורטרים ,השונים בשריר ובשומן מאלו שבכבד – הגלוקוז נכנס לכבד באופן כמעט פאסיבי ,תלוי ריכוז; פעילות האינסולין על הכבד גורמת לירידת הגלוקוז החופשי בתאי הכבד )תודות לגליקוניאוגנזה( ,וכך נוצר מפל ריכוזים שמכניס את הגלוקוז החיצוני פנימה. • הגליקוגן בשרירים משמש מקור אנרגיה לשריר עצמו בלבד ,ומשתחרר לתוך השריר – ולא למערכת הדם לצורך אספקה למוח. ביוסינטזה של אינסולין האינסולין בנוי משתי שרשרות הקשורות אחת לשנייה בקשרים די-סולפידים שהן תוצר של גן אחד )מחוברות על ידי פפטיד Cהמחולץ מהשרשרת עם החיתוך לבידוד האינסולין הפעיל ואינו בעל פעילות ביולוגית( .מדידת ריכוז פפטיד Cיכולה להוות מדד אמין לריכוז אינסולין. בקרת הפרשת האינסולין בהזרקת גלוקוז לבעל חיים ובדיקת רמות האינסולין בדם ,ניתן לראות שהאינסולין עולה במהירות ,יורד ,ואז חוזר ועולה בפאזה שנייה ומעט איטית יותר .הסיבה לשתי הפאזות תלויה ביכולת השחרור של תאי :βאינסולין מוחזק בתאי βבוזיקולות מוכנות לשחרור; במידה ונדרש אינסולין נוסף נדרשת סינטזה ולכן קיימות הירידה וההשהייה ברמות .ההפרשה מופעלת על ידי עלייה בריכוז יוני הסידן באיזור הממברנה – דבר המעורר איחוי של וזיקולות האינסולין. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 12 כאשר מעלים את ריכוז הסוכר בגוף בשתי צורות שונות – על ידי בליעת משהו מתוק או על ידי הזרקת סוכר – התגובה למתן האוראלי היא קצת גבוהה יותר ,גם אם ריכוז הסוכר בדם זהה .הדבר מעיד על כך שתגובת תאי βבלבלב מתעוררת לא רק מריכוז הגלוקוז – היא יכולה להיות מבוקרת גם על ידי חישת הטעם המתוק בקולטני הטעם בלשון או הורמונים אחרים המשוחררים לדם. הגורם העיקרי להפרשת אינסולין הוא גלוקוז אך יש גם השפעות אחרות. מנגנון בקרת הפרשת האינסולין על ידי גלוקוז כאשר ריכוז הגלוקוז בדם עולה ,גובר גם שטף הגלוקוז לתא ה β-בלבלב דרך טרנספורטרים; ריכוז הגלוקוז הגבוה מאפשר ייצור מוגבר של ATPשייצורו חוסם את תעלות האשלגן .החסימה פותחת תעלות סידן .שכאשר ריכוזו בתא עולה )בעיקר בסמוך לממברנה( הוא מעודד את איחוי ממברנות הוזיקולות הסמוכות עם הממברנה של התא ואת שחרור האינסולין האצור בהן למחזור הדם. קולטן האינסולין קולטן האינסולין משתייך למשפחת הטירוזין-קינאז :קולטנים הבנויים מרכיב חוץ -ותוך-ממברנלי בעל פעילות זירחון ,המתאפשרת רק במצב של זיווג קולטנים .זירחון הזנב הציטופלזמטי של הקולטן מוביל לשרשרת של זירחונים – גם זירחון עצמי של הקולטן וגם זירחון של סובסטרט אחרים. קולטן האינסולין מעט שונה מטירוזין-קינאז אחרים בכך שהוא מופיע כבר כשתי שרשרות קולטן מזווגות הקשורות יחד בקשרי דיסולפיד .אולם ,הזירחון מתאפשר רק לאחר קישור האינסולין ונעשה על ידי מולקולת ATPהמזרחנת את הקולטן על חומצת אמינו טירוזין ) .(Tyr1162כתוצאה מהזירחון נוצר שינוי קונפורמציה המאפשרת לחלבונים הנמצאים בקירבת הקולטן להיקשר אליו ולעבור זירחון .בצורה זו מתחילה שרשרת תגובות זירחון עד לסיגנל הגורר שינויים בביטוי גנטי. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 13 התגובה המיידית לאינסולין התגובה המיידית לאינסולין בתאי שריר ושומן ,בעיקר ,היא הסעה של וזיקולות ממברנליות שבממברנה שלהן נמצא אינסולין טרנספורטר .הוזיקולות מוסעות אל הממברנה ,שם הן עוברות איחוי וחושפות את הטרנספורטר אל הממברנה ,דהיינו אל חוץ התא .כעת הטרנספורטר יכול לשמש להכנסת אינסולין במקום מצבו חסר-הפעילות כשהוא בתוך הציטופלזמה. תהליך העברת הסיגנל בשרשרת זירחונים בעת קליטת אות האינסולין. קליטת הסוכר ברקמות שומן עם וללא הזרקת אינסולין אם מזריקים סוכר לחולדה אחרי מתן אינסולין ,הסוכר ייקלט בעיקר ברקמות השריר והשומן )לעומת הזרקת סוכר ללא טיפול מקדים באינסולין( – עדות לכך שהאינסולין משפיע על פתיחת טרנפורטרים במיוחד ברקמות אלו.3 אינסולין משפיע בעיקר על קליטת סוכר בשריר ובשומן ,פחות בכבד וכלל לא במוח. הניסוי מראה כי הטרנספורטרים של הגלוקוז שונים ומבוקרים באופנים שונים .הטבלה מתארת רקמות שונות וטרנספורטר הגלוקוז המצוי בהן .תאי שומן ושריר מבטאים את הטרנספורטר GLUT4שהינו תלוי-אינסולין .רקמות אחרות תלויות בגורמים שונים ויש להן טרנספורטרים אחרים. במדידת ה Km-של הטרנספורטרים ,נראה ש GLUT1-במוח בעל Kmנמוך, GLUT4בשרירים בינוני ובכבד ובתאי β ) (GLUT2הוא גבוה. 3שימו לב שציר Yשונה בין האיורים – עדות לכך שהקליטה באיברים הפנימיים ובמוח אינה יורדת עקב הקליטה המוגברת בשריר והשומן. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 14 ככל שה Km-נמוך יותר ,ניתן לקלוט גלוקוז גם בריכוזים נמוכים מאוד. תכונה זו מובנת בהתחשב בתפקיד הרקמות :המוח ,שהגלוקוז חיוני לפעילות התקינה של הנוירונים שבו, יהיה מסוגל לקלוט גלוקוז גם בריכוזים נמוכים מאוד; לעומת זאת ,תאי βהמייצרים אינסולין מגיבים לריכוזי גלוקוז גבוהים ,על מנת שלא יפרישו אינסולין עם כל שינוי מזערי בגלוקוז .ה Km-הבינוני, המאפיין שריר ושומן ,תלויים בסימן אינסולין ויכול לעבוד בריכוזי סוכר המאפיינים את מצב הדם לאחר ארוחה. במעי ובכליה יש טרנספורטר המעביר את הגלוקוז על ידי מערכת Symportלפי מפל הריכוזים של נתרן, ואינו תלוי כלל באינסולין או בגלוקוז ,להבדיל מהטרנספורטרים האחרים שתוארו. סכרת – Diabetes Mellitus דיאביטיס היא "מעבר נוזל" ומליטוס הוא "דבש" – דהיינו ,מחלת השתן המתוק .חולי הסכרת סובלים מעייפות ותשישות בשל מחסור בסוכר בתאים והמחלה מאופיינת בעיקר ברמות סוכר גבוהות בשתן ובדם ,השתנה מוגברת ובעקבותיה תחושות צמא. סכרת Type I ישנם שני סוגים עיקריים לסכרת – & Type I .Type II סכרת מטיפוס Iמכונה "סכרת נעורים" ,היא מתחילה בגיל צעיר יחסית ונובעת מתגובה אוטואימונית של המערכת החיסונית הפועלת כנגד תאי βבלבלב .התאים האקסוקרינים נותרים תקינים אולם תאי βבאיי לנגרהנס מתחילים למות .באותם ילדים החולים במחלה אין אינסולין. רוב מקרי הסכרת אינם מסוג זה ,אולם סוג זה לרוב קשה יותר – הוא נפוץ בילדים ,בעיקר בגיל צעיר. כאשר אין אינסולין במערכת של הילדים החולים ,אין יציאה של טרנספורטרים לגלוקוז בשרירים ובשומן וכתוצאה ריכוזו בדם עולה .יצור הגליקוגן בכבד ובשרירים ויצור השומן נפגעים והעיכוב על ליפוליזיס וגלוקוניאוגנזה מבוטל ,כך שמשתחררים תוצרי פירוק של חומצות שומן ותרכובות אחרות – המציפות את הדם בגלוקוז נוסף ,שעדיין אינו יכול להיספג בתאי השריר. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 15 באדם נורמלי לאחר ארוחה ,רמות הגלוקוז בדם עולות; בתגובה מופרש האינסולין וגורם לירידה ברמות הגלוקוז .בילד חולה הסכרת ) IDDM, (Insulin-dependent diabetes mellitusרמות הגלוקוז עולות לרמות גבוהות יותר ויורדות הרבה יותר לאט – בתלות ביכולת ההפרשה דרך הכליה אל השתן. כלי הדם בגלומרולוס שבכליה מסנן את הדם. מולקולות קטנות עוברות לקופסית באומן ואל הנפרון .בשלב זה יוצא הגלוקוז אל התסנין בריכוז הזהה לזה שבדם .אולם ,כבר בתחילת המסלול בנפרון הגלוקוז נספג חזרה על ידי טרנספורטרים המופעלים ב .ATP-המעבר הזה בעל קיבולת קצב מסויימת ונתונה .באדם נורמלי ,כל כמות גלוקוז שתעבור מהדם אל תסנין השתן תוחזר אל הדם )קו אדום(; מעל ריכוז מסויים מגיעים למקסימום יכולת העבודה של הטרנספורטרים ,ולכן בחולה סכרת )קו כחול( יתחיל אובדן סוכר בשתן עקב חוסר יכולת של הכליה לספוג חזרה את כל הכמות שבתסנין. הימצאות הגלוקוז וגופים קטונים בדם מעלה את הריכוז האוסמוטי של השתן; על מנת לפצות על ריכוז זה ולשמור על הומיאוסטזיס באוסמולריות יש עלייה בכמויות הנוזלים הנפלטים לתסנין השתן .העברת נוזלים רבים גורמת ליצור שתן רב ומובילה לתחושת צמא מוגברת. הטיפול בילדים חולי סכרת מטיפוס Iהוא מתן אינסולין; אולם הליך זה אינו כה פשוט .זריקות האינסולין צריכות להיעשות באופן עצמאי על פי החלטת החולה – בהתאם לארוחה .אולם ,ברגע שהזריקה ניתנת, המטופל חייב לאכול – הוא אינו יכול להרשות לעצמו לדחות את הארוחה מכיוון שהוא עשוי ללקות בהיפוגליקמיה .הזרקת האינסולין אינה יכולה לדמות את תגובת תאי βהרגישה לשינויים באופן מיידי. סכרת Type II סוג זה מהווה את רובם של מקרי הסכרת ) (~90%ונובעת מחוסר תגובה לאינסולין :לחולים יש אינסולין ,לעיתים אפילו יותר מדי ,אך רקמת השומן אינה מגיבה לו .לסכרת זו יש מרכיב גנטי )כמו גם לסכרת נעורים( מורכב הכולל גנים רבים. בשל חוסר התגובה לאינסולין ,אדם בעל רמות סוכר נורמליות נדרש להפרשת-יתר של אינסולין ,על מנת לפצות על התגובה הנמוכה להורמון; תאי ה β-פועלים ביתר במשך כמה שנים בעוד המחלה מתפתחת; החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 16 לאחר מספר שנים מתחיל מוות של תאי ה β-המותשים ובסופו של דבר החולה ב Type II-מגיע למצב פיזיולוגי דומה לחולה ב- – Type Iאולם לא רק שאינו מייצר אינסולין אלא גם אינו מגיב לאינסולין. היום ,בעולם המערבי ,סכרת מטיפוס IIנחשבת למגפה :אם בעבר חשבו שהמחלה מופיעה רק בקרב מבוגרים היא מופיעה היום גם בנערים ואנשים צעירים. גרף עליון עלייה במקרי הסכרת Type IIבקרב אנשים צעירים בעשור האחרון .גרף תחתון :חלוקת האוכלוסיה האמריקאית ושכיחות הסוכרת בקירבם .הגרף מציע שיש גם מרכיב גנטי שמהווה סיכון ללקות בסכרת מטיפוס .II היום חושבים שהגורם המרכזי לסכרת מטיפוס IIבעולם המערבי הוא השמנה והיעדר פעילות גופנית. בני נוער חיים היום בצורה שונה מבעשרות השנים האחרונות – פחות פעילים מחד ושופעים בזמינות למזון מאידך .יחד עם זאת יש לזכור שקיים גם מרכיב גנטי לסיכון למחלה .אולם אין זה בא לומר שאדם הסובל מעודף שומן חולה בסכרת; מדד הסכרת הוא לפי כמות הסוכר בדם. הגרף מראה דגימות של רמות הסוכר לאורך היממה בין אנשים רגילים ואנשים הסובלים מהשמנת יתר. נראה שרמות הסוכר דומות – מכאן שבאמת אין זה מחייב .אולם ניתן לראות גם שרמת הסוכר יורדת לאט יותר באדם השמן ושבלילה היא מעט יותר גבוהה .בשעות הבוקר – כאשר אדם כזה עושה בדיקת דם לאחר צום – רמת הסוכר שלו נורמלית. יחד עם זאת ,כאשר בודקים את רמות האינסולין בין אוכלוסיות אלו ,נראה שרמות האינסולין של האדם השמן מראש יותר גבוהות והן עולות ,לאחר ארוחה, לרמות עוד יותר גבוהות; האדם השמן צריך לשחרר פי שלושה יותר אינסולין כדי לשמור על קליטת סוכר דומה לאדם הנורמלי .מכאן שכבר בשלב זה מתחיל תהליך הדה-סנסיטיזציה של הרקמות לאינסולין. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 17 בניסוי הבא ,המכונה Euglycemic Insulin ,Clampבודק את הריגשות לאינסולין על ידי מתן אינסולין באינפוזיה בריכוז ידוע וגלוקוז באינפוזיה המובא לרמה קבועה ,למניעת היפוגליקמיה; אדם המגיב לאינסולין צריך כל הזמן תוספת גלוקוז כי הוא נספג ברקמות השומן והשריר בתגובה לאינסולין המוזרק .השטח שתחת הגרף מציג את כמות הגלוקוז שהוספה כדי לשמור על רמת גלוקוז קבועה .כמות זו של גלוקוז נמצאת בסוף הניסוי בתאים; מכאן שניתן לדעת את כמות הגלוקוז שנספגת עבור כמות אינסולין ידועה. כיצד יראו הגרפים עבור אדם רזה ,אדם שמן ולא סוכרתי ,אדם חולה בסכרת IIואדם החולה בסכרת ?I התנגודת לאינסולין גוברת עם הגיל; מכאן שאדם מבוגר מגיב לאינסולין פחות טוב מאדם צעיר .אם אינו מפיק יותר אינסולין, רמות הסוכר שלו יהיו גבוהות יותר עבור אותה כמות אינסולין. יחד עם זאת יש לציין שיש שונות די גבוהה באוכלוסיה – יש גם אנשים בני 50עם רמות תגובה טובות יותר משל בני .20 כאשר נותנים אינפוזיה של 1,000 pmol/Lאינסולין ,באדם רזה עם תגובה טובה לאינסולין נקלט 2,000 micromol/m2/min סוכר .באדם שמן שאינו סוכרתי התגובה ירודה – מעט מעל .1,000כאשר בודקים אדם בעל סכרת (NIDDM) Type II התגובה רק מתחילה ברמות גבוהות יותר – פי – 10של אינסולין )חוסר הרגישות תובע כמויות גבוהות יותר(. אדם החולה בסכרת Type Iיגיב כמו האדם הרזה – מכיון שאין לו בעיה בתגובה לאינסולין אלא הוא פשוט אינו מייצר אינסולין. במדידת כמות השומן הבטני נמצאה קורלציה בין כמות השומן הבטני לרגישות לאינסולין .עובדה זו יכולה להסביר מדוע באנשים מבוגרים יש ירידה ברגישות לאינסולין ,שכן הם נוטים להשמין; ומדוע יש יותר מקרי סכרת בגברים מבנשים ,הנוטות לפתח שומן בירכיים ובישבן בעוד שגברים מפתחים שומן בטני .שומן בטני מתפרק מהר יותר ומשחרר יותר חומצות שומן חופשיות בדם מאשר אותה כמות שומן המרוכזת באיזור אחר. הגליצרול שמשוחרר מחומצות השומן החופשיות מהווה סובסטרט ליצירת גלוקוז בכבד וייתכן שריכוז גבוה של חומצות שומן חופשיות בדם מהווה מקור לתנגודת לתגובה לאינסולין הגוברת עם הגיל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 18 הגורמים לסכרת Type II • רעילות סוכרים – עודף סוכרים מביא לתנגודת לאינסולין ,על פי מקרים של התפתחות תנגודת המלווה בעליה מוקדמת ברמות הגלוקוז הדם .עם זאת ,אנשים עם סכרת Type IIהמאוזנים בעזרת תרופות מתחילים להגיב טוב יותר לאינסולין האנדוגני שלהם .בעבודות עם תרביות תאים שחשפו לריכוזי גלוקוז גבוהים ואז אינסולין ראו שהסעת הוקואולות עם הטרנספורטרים הייתה איטית יותר – החשיפה לרמות גלוקוז גבוהות כנראה מעכבת בעצמה את התגובה לאינסולין. • רעילות שומנים – נראה שחומצות שומן חופשיות מפריעות או גורמות לזירחון סובסטרטים ברמה חריגה ,וכך או אחרת מפריעות להעברת הסיגנלים .במצבים אלו נמצא דיכוי בביטוי גן הטרנספורטר .GLUT4ככל הנראה חומצות השומן פוגעות בתאי βעצמם כאשר הן מצטברות בהם. חומצות שומן וציטוקינים המגיעים מתאי שומן נקלטים בתאי שומן ושריר ומפריעים לתהליכי הקליטה של הגלוקוז והתגובה לאינסולין .הוכח כבר שאדם שמן הינו בעל יותר ציטוקינים בדם, ואחת ההשערות היא שהציטוקינים או חומצות השומן מפעילים PKCכלשהו המפריע לתהליך הזירחון של מעבר האותות בתגובה לאינסולין. הגליצרול בחומצות השומן החופשיות מהווה סובסטרט לייצור גלוקוז נוסף בכבד ומעכבת קליטת גלוקוז ויצירת גליקוגן בשריר. אמצעי מניעה נמצא שישנה דרך נוספת להביא את נשאי הגלוקוז לממברנת תאי השריר – התעמלות במאמץ גבוה. פעולה זו לבדה ,גם ללא הפעלה על ידי אינסולין ,גורמת להסעת הטרנספורטרים – עקב המאמץ המאסיבי בשריר .מכאן שאנשים עם Type IIצריכים לעשות בעיקר ספורט מאסיבי. רמות חומצות השומן בניסוי שערכו בבית הספר לרפואה לקחו כלבים שכולם קיבלו דיאטה רגילה ולאחר מכן עברו לדיאטה שמנה .ראו שכמויות השומן הבטני ,השומן מתחת לעור והמשקל של הכלב עלו לאחר חודש וחצי. במדידת רמות הסוכר וחומצות השומן החופשיות בדם ראו שהן לא שונות בין תחילת הניסוי לאחר חודש וחצי ושלושה חודשים מתחילת הדיאטה עתירת השומן; מה שכן השתנה הן רמות האינסולין – עם עלייה של כ.150%- מדוע לא התקבל הבדל בחומצות השומן החופשיות אם הייתה עלייה בשומן הבטן? לאחר כמה שנים בדקו את קצב קליטת הגלוקוז ולא מצאו הבדלים שוב; אבל כשבדקו את המדדים לאורך היממה – ולא רק בבוקר – מצאו שריכוז חומצות השומן החופשיות אומנם היה זהה בבוקר אבל לאורך הלילה הרמות היו גבוהות .זה מתאים לתיאוריה :במשך כל הלילה רמת חומצות השומן החופשיות גבוהות יותר ,וזה כן מתאים לתיאוריה של רמות השומנים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 19 הבדלים גנטיים שבט אינדיאני מבני הפימה ,המתגורר באיזוריה הצחיחים של מקסיקו ,הם אוכלוסייה שסובלת ברובה מהשמנה וסכרת .Type IIאנשים שהיו בתחילת המאה הקודמת רזים ודקיקים ברובם עגלגלים ושמנים היום; מכיוון שמבחינה גנטית הם ערוכים לחיות באיזורים צחיחים ,לאכול פעם ביום ולעבוד קשה למציאת המזון – היום בחברת שפע הם מפתחים שומן בקלות ויש להם סכרת type IIבשכיחות גבוהה. גם בפסמונים התופעה קיימת – Psammomys obesusהוא מכרסם מדברי הנוטה להשמנה כאשר מגדלים אותו בקרבת יישובים או במעבדה ,וכמעט משלש את גודלו .מסיבה זו הוא משמש מודל לסכרת .Type II רמות אינסולין כפונקציה של רמות הגלוקוז בפסמונים שתפסו מהטבע והביאו למעבדה .בשלב הראשון )(A רמת הגלוקוז והאינסולין נמוכות; לאחר כמה שבועות שהם אוכלים כמה שהם רוצים מתחילה להתפתח תנגודת לאינסולין ) .(Bרמת הגלוקוז עדיין נורמלית אך רמת האינסולין עולה – בדיוק כמו בבני אדם ובכלבים; לאחר שבועות נוספים ) (Cהם הגיעו למירב יכולת הפרשת האינסולין ורמות הגלוקוז עולות .זהו שלב של סכרת .Type IIבסופו של דבר ) (Dתאי βנהרסים ורמות האינסולין יורדות ולצד זה רמות הגלוקוז ממשיכות לעלות. ההנחה היא שאנשים ויצורים החיים באיזורים צחיחים הינם בעלי וריאציות גנטיות התורמות לקצב מטאבוליזם נמוך ויכולת אגירת שומן ,העזורות להם לעמוד בתנאי חוסר מזון; עם זאת ,כשהם עוברים לסביבות שפע הם לוקים בסכרת Type IIבשל הצטברות עודף שומן וחומצות שומן חופשיות בדם ובתאי βשגורמות להתפתחות המחלה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 20 סכרת – Type Iהרצאת אורח סכרת הינה מחלה בה הגוף אינו מייצר או קולט כראוי את הורמון האינסולין .הורמון זה דרוש על מנת לאפשר כניסה ושימוש של גלוקוז לתאים לצורך בניית רקמות ,איחסון ואנרגיה .בהיעדר גלוקוז התאים חשים מורעבים והם מתחילים לעכל חלבונים ורקמות אחרות בהיעדר מקורות אנרגיה אחרים .ואכן ,אחד הסימנים של סכרת הוא ירידה מהירה ומשמעותית במשקל .מחלה זו מכבידה על המערכת הרפואית שכן אין לה מזור אלא טיפול מתמשך כל החיים; חוסר טיפול מובילים למחלות לב ושבץ ,מחלות כליה ,עיוורון וכריתת גפיים. הנזק העיקרי של גלוקוז גבוה בדם נובע מהתגובה הכימית המכונה "גליקציה לא-אנזימטית של חלבונים" :הגלוקוז נספח לקצה האמיני של חומצות אמינית בריאקציה שאינה זקוקה לזרזים כשהגלוקוז ברמות גבוהות ,וכך הוא פוגע בתפקוד חלבונים בנימיות הדם; איברים התלויים באספקת דם אינטנסיבית בכלי דם קטנים – דוגמת המוח ,הלב ,הכליה והעין – נפגעים הכי הרבה. אחד החלבונים שקושרים את הגלוקוז הוא ההמוגלובין ולכן נוכחות המוגלובין הקשור לגלוקוז היא אות לגליקוזילציה של חלבונים; רמות הגבוהות מ 6%-הן סימן הדורש התערבות מיידית בטיפול. Type II Diabetes סכרת Type Iקיימת ב 10%-ממקרי הסכרת והיא מחלה אוטואימונית; הרוב הגדול הם חולי סכרת Type IIשנפוצה גם בגילאי העשרה עקב השמנה וחוסר פעילות גופנית בקרב בני נוער .במחלה זו תאי β תקינים והאינסולין מיוצר ,אולם יש ירידה בתגובתיות לאינסולין עקב ) Insulin Resistanceתנגודת לאינסולין( הגורמת להגברת כמויות האינסולין הדרושות לקיום התגובה הרגילה .הבסיס הביוכימי לתגובה אינו ידוע .המחלה מתעוררת כתוצאה מהתנגודת ומופיעה בעיקר באנשים שמנים.4 סכרת Type IIאינה קשורה ישירות בתאי βמפני שבתחילת המחלה התאים נורמליים ורק בגלל הצורך המוגבר באינסולין הם עובדים קשה מדי עד שהם כורעים תחת העומס .אדם החולה בסכרת Type IIיכול להיות בעל רמות אינסולין הגבוהות ב 200%-משל אנשים נורמלים; אולם כעבור כשבע שנים יש ירידה בתפוקת האינסולין והם עוברים להזרקות אינסולין ,כמו חולי ,Type Iאולם כעת עם רגישות נמוכה לאינסולין. 4אך לא רק ולא בכל השמנים; זו מחלה גנטית לכל דבר .עם זאת ,למרות שהנטייה לפיתוח Type IIהיא גנטית ,השמנה וחוסר פעילות גופנית מזרזים את הופעת המחלה .הרקע הגנטי עדיין אינו ידוע. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 21 Type I Diabetes איי לנגרהנס מפוזרים בתוך הלבלב ומכילים ארבעה סוגי תאים אנדוקרינים; הסוג העיקרי הם תאי β המייצרים אינסולין )מלבדם יש עוד שלושה סוגים המייצרים גלוקגון ,ועוד שני הורמונים( .בסכרת Type Iתאי ה β-נהרסים .משמאל :צביעה לתאי ,βניתן לראות את תאי ה β-המתים בחולה הסכרת. לסכרת Type Iיש מרכיב גנטי ,שגם הוא ברובו לא ידוע ,אולם רק 15%ממקרי טיפוס זה מופיעים במשפחות עם היסטוריה של המחלה; המידע המהימן ביותר שמוכיח שהמרכיב הגנטי אינו היחיד הוא מחקר בתאומים זהים אשר ,אפילו כשהם גדלים באותה סביבה ,יש ביניהם מתאם של פחות מ50%- לפתח את המחלה .עובדה זו גורמת מייד לחיפוש גורמים סביבתיים :וירוסים ,מזון )חלב פרה( ,כימיקלים, לחץ נפשי וכדומה. היום ידוע די הרבה על ייצור האינסולין; ידוע רבות על פקטורי השיעתוק הנקשרים לפרומוטור ,על מבנה הגן הבנוי משלושה אקסונים ושני אינטרונים ועל המבנה של החלבון – המכיל ,למעט סיגנל פפטיד, שלושה פפטידים בשם B ,Aו) C-כאשר הפעלה גורמת לחיתוך פפטיד Cמהחלבון ופפטידים AוB- נותרים קשורים יחד בקשרים דיסולפידים( .וזיקולות ההפרשה מיוצרות בגולג'י ,הולכות ומתבגרות עד ליצירת וזיקולות המכילות גביש אינסולין – משש מולקולות חלבון סביב יון אבץ.5 הסיגנלים לשחרור הוזיקולות רבים ,אך המרכזי בהם הוא סיגנל רמת הגלוקוז בדם :גלוקוז נכנס דרך תעלות פסיביות ספציפיות לגלוקוז .תנועת הגלוקוז משקפת את מפל הריכוזים ולכן משקפת את יחס הריכוזים בחוץ ובפנים; יחד עם זאת יש גם מערכת טרנספורט המעבירה את הגלוקוז פנימה באופן אקטיבי .תאי βמתחילים להכניס גלוקוז רק מעל לרמות מסויימות ,דבר המבטיח שלא יופרשו וזיקולות אינסולין ללא עלייה משמעותית בגלוקוז. הורמונים שונים משפיעים על תהליך שחרור האינסולין – גלוקגון למשל מעלה את רמות הסידן בעוד שאפינפרין מעכב איחוי וזיקולות עם הממברנה. 5ראו הרצאת אורח על אינסולין ,שקופיות .8-9 החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 22 זן עכברי מעבדה שהתגלה ביפן מהווה את המודל הנחקר ביותר לסכרת – Type Iעכבר NOD .((nonobese diabeticבעכבר התגלו מגוון אתרי גנים נחקרים ,כאשר רובם לא הניבו ממצאים מרעישים. 6 הרמז העיקרי הוא מקבוצת MHCשל העכבר :אנטיגנים של MHCIIמתבטאים על תאי מערכת החיסון כך שתאי Tמכירים את הקומפלקס של אנטיגנים המוצגים בקונטקסט של .MHCIIבעקבות חקר עכברי NODהתגלה שאללים מסויימים של MHCIIמופיעים בשכיחות גבוהה בחולי סכרת Type Iואלל אחר נדיר בהם ונפוץ באוכלוסיה הבריאה .זהו הרמז הגנטי היחיד למעורבות של מערכת החיסון והגנטיקה של המחלה באדם; ניתן לקשור זאת להתפתחות המחלה דרך מנגנון קיום הסבילות הנורמלית לאנטיגנים עצמיים והדרך בה מנגנון זה נפגע במחלות אוטואימוניות. ידוע שתאי Tבעלי קולטנים לאנטיגנים עצמיים עוברים השמטה בתימוס על ידי אפופטוזיס; מכאן שמחוייבת רמת ביטוי ,אפילו נמוכה ,של כל האנטיגנים שהגוף מייצר וייצר כל חייו בתימוס – בכדי שניתן יהיה לזהות את אותם תאים .למרות זאת תאי Tבעלי כושר הכרת אנטיגנים עצמיים מצליחים לנדוד לפריפריה ולהתמקם בבלוטות לימפה בגוף; הסיבה שרובנו איננו חולים במחלות אוטואימוניות היא שהם לא פוגשים את האנטיגן שלהם – הם נותרים .Ignoranceחשיפה לא נורמלית של האנטיגן עשויה לגרום להפעלה של אותם תאי .T הפרעה של הסבילות העצמית במחלות אוטואימוניות דוגמת סכרת Type Iיכולה להתרחש כתוצאה מנזק עצמי לתאי ,βהגורם לחשיפתם לתאי Tשחמקו מההשמטה בתימוס; הנזק יכול לנבוע מעקה ,כימיקלים, הדבקה ויראלית ועוד .אפשרות אחרת היא עקב הדבקה שאינה קשורה לתאי βעל ידי פתוגנים בעלי אנטיגנים הדומים לאלו של תאי ;βההדבקה גורמת להפעלה של המערכת החיסונית ,שנעשית כעת רגישה יותר לאנטיגנים העצמיים של תאי .β המעניין באימונולוגיה של סכרת הוא שכל האנטיגנים שאובחנו ונחקרו כמועמדים לאוטואימוניות אובחנו מכיוון שיש נוגדנים בסרום החולים ושבטים ) (clonesשל תאי ;Tאולם מכל הרשימה )שקופית – (15רק אינסולין ספציפי לתאי ;βאז מדוע התאים החיסוניים תוקפים רק אותם? אחת הסיבות היא שלתאי βרמות נמוכות במיוחד של אנזימים אנטיאוקסידנטים ולכן הם מתקשים להתמודד עם מתקפות תאי ה.T- תהליך הרס האיים מתקדם בשני שלבים עיקריים :בשלב הראשון )מכונה (Insulitisלימפוציטים מתחילים להיאסף ליד האי אך אינם חודרים לתוכו .שלב זה יכול להימשך שנים; בשלב השני התאים האלה מוצאים דרכם לתוך האי ומתחילים להרוס את תאי ה β-וגורמים לתהליך מתקדם של סכרת.לשלב האינסוליטיס אין פנוטיפ כי ניתן )בעכברי NODוגם בבני אדם( להתקיים עם 10%מכמות תאי ;βרק ברמות נמוכות מכך מופיעה היפרגליקמיה .זו גם אחת הסיבות המובילות לקושי בטיפול :עד שיודעים שהמטופל חולה במחלה רוב תאי βנהרסו ואין מקום להתערב. MHCI 6מתבטאים על כל התאים וממלאים תפקיד באיתור הדבקות בוירוסים בעוד ש MHCII-מתבטא באופן נורמלי רק בתאי מערכת החיסון ומשמש לשיפעול מערכת החיסון. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 23 הטיפול במחלה ניטור מלאכותי זריקות האינסולין היום מצילות את חיי החולים אך אינן מונעות את המחלה או את הסיבוכים ממנה בטווח הארוך .אומנם תוחלת החיים עולה עקב שיפור הטיפול אך החולים עדיין נכנעים להרבה מהסיבוכים של המחלה .בקרה נורמלית של רמות גלוקוז שומרת על טווח צר מאוד של סוכר; ברגע שחולה הסוכרת מבצע בקרה מלאכותית ,הוא עובד בניחוש ומאבד את הרגישות העדינה של תאי :βכתוצאה רק חלק מהזמן הוא נמצא ברמות הגלוקוז המתאימות ורוב הזמן הוא נמצא בהיפרגליקמיה והיפוגליקמיה, המסוכנת אף יותר בשל עילפון או מוות מחוסר סוכר במוח. כיום נמצא בפיתוח ה"לבלב המלאכותי" שיוכל לקיים היזון חוזר בין הזרקת האינסולין לרמות הגלוקוז. חולי סוכרת היום משתמשים במשאבה המהווה מעין משאבת אינסולין המשחררת אינסולין באינפוזיה בהתאם להפעלה על ידי החולה .אבטיפוס של מכשירים פרוטוסנסורים דוגמים את הנוזל התת עורי ורמות הגלוקוז בו בהצלחה חלקית; מערכת זו מתוכננת לשמש להיזון חוזר בין ההזרקה לרמות הגלוקוז בדם, כמעין "לבלב מלאכותי" :חיישן הגלוקוז ימסור מידע בנוגע לרמות הגלוקוז הנוכחיות למשאבה ,אשר תווסת את פעילותה בהתאם לאותות .בצורה זו ישתפרו הבקרה ויצומצמו זמני ההיפר/היפוגליקמיה. החולה עדיין ייצטרך להסתובב עם המכשירים ולהסתכן בזיהומים תת עוריים הנובעים מהמחטים האלו. מרפא? טיפול אמיתי בסכרת ירצה למנוע את הופעת המחלה בכלל ולהחליף תאי βההרוסים בתאים ממקור אחר. בתחום המניעה אין הרבה אפשרויות בשל הגילוי המאוחר של המחלה וכן כי אין דרך יעילה למנוע את הופעתה :לכאורה יש לסרוק את כל האוכלוסיה ולתת טיפול מונע לכל תינוק שנולד ,טיפול שעשוי להיות לא בטוח ולא יעיל. אין אמצעים טובים כיום – סמנים גנטיים או סמנים סרולוגיים כמו נוגדנים בדם – למניעת המחלה. בחולים שאובחנו זה מקרוב ושעדיין יש להם חלק מתאי – βגם אם ברמות הנמוכות מ - 10%-אפשר לנסות להציל תאים אלו או לגרום להם להתרבות ולעבור רגנרציה בצורה אחרת .ההתערבות הראשונה צריכה להפסיק את התגובה החיסונית ולאחר מכן להשרות התחדשות מוגברת של האיים ,פעולה שעדיין לא ידוע כיצד ניתן לבצעה. בעוד עשר שנים ,האמצעי המבטיח ביותר הוא השתלה של תאי βמבחוץ .היום ניתן לתרבת תאי βולצייד אותם במנגנונים שיגנו עליהם מפני התגובה החיסונית ,כך שגם אם לא ניתן להפסיקה הם יהיו מוגנים יותר מתאים אנדוגנים .השתלות של לבלב נערכות כבר בשני עשורים ,ולמרות הצלחתן הן מוגבלות מאוד מכיוון שמדובר בניתוח מורכב – לא מסירים את לבלב החולה אלא מוסיפים לבלב נוסף שהוא אינו צריך. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 24 זה דורש אימונוסופרסיה לכל החיים ומעבר לכך אין מספיק תורמים .אולם החולה יכול להסתפק באיים בלבד; היו נסיונות לבודד אותם מהלבלב ולהשתיל אותם דרך וריד השער לתוך הכבד ,שם הם ייתפזרו. הניסוי אינו מצליח במיוחד ,למרות שיפורים בטכנולוגיה והנסיונות בלמעלה מ 60-מרכזים רפואיים בעולם – ישנם רק 5-10%מטופלים שיכולים לחיות ללא אינסולין 5שנים אחרי השתל וכל השאר חוזרים לאינסולין. כדי להתגבר על המחסור בתורמים ,צריך להתחיל בייצור של רקמות :היום מתקיים מחקר אינטנסיבי בכיוונים שונים בשימוש באיים קסנוגראפטיםְ ,מחזירים בעיקר ,בנסיון לגדל תאי איים בתרביות של לבלב מתורמים .אין מידע רב על תאי גזע בלבלב והנסיונות לבודד תאים כאלו נכשלו עד כה; יש הרבה עבודה בתחום התמיינות של תאים פלוריפוטנטים לכיוון תאי βועבודה בתיכנות-מחדש ) (reprogrammingשל תאים מרקמות אחרות )בעיקר מכבד ותאי לבלב אחרים( בנסיון להפכם לתאי .βעד כה כל הגישות הניבו הצלחות מסויימות אבל הדרך עוד רחוקה לתשובה. על מנת לבדוק את התפקוד של התאים שנוצרים במעבדה ,לאחר כל הבדיקות ,in vitroצריך להשתיל אותם ;in vivoמכיוון שלא ניתן להשתילם באדם משתילים אותם בעכברים חסרי מערכת חיסונית מתחת לקפסולה של הכליה .בטיפול יעיל ניתן לראות ירידה של רמות הגלוקוז הגבוהות לטווח הנורמלי .אולם, התאים האלה נוטים למות; השאלה היא למה הם מאבדים את פנוטיפ תאי ה :β-האם זה עקב התמיינות נוספת או מוות? בכדי לענות על השאלה פיתחו שיטה של Lineageבוקטורים ויראלים :הראשון )צהוב( מכוון ביטוי של eGFPהנחסם על ידי מקטע DNAשלפני; רק כאשר המקטע מסולק הגן מופעל .בוקטור ויראלי שני )כחול( חיברו גן מוטנט של הקולטן לאסטרוגן ,הקושר תרופה בשם טמוקסיפן )אנלוג לאסטרוגן( שהשיעתוק שלו מסמל על שיעתוק בתא .הקולטן מאוחה לאנזים Creאשר מבצע חיתוך באתרי LoxP המקיפים את מקטע ה DNA-החוסם בוקטור הראשון וכך מאפשר ביטוי של .eGFPמכאן שמתן התרופה יפעיל את הקולטן ובעקבותיו שרשרת אירועים שבסופה התאים ייצבעו בירוק ).(eGFP הפעילות הזו מאפיינת תאי βולכן תאים שאינם תאי βאו תאים שהכניסו רק וקטור אחד לא ייצבעו. שיטת הסימון הזו מאפשרת לסמן כ 20%-מהתאים בתרבית ,מדד הנותר קבוע עד לסוף החלוקה של התאים .תאים שהיו תאי (BCD = beta-cell derived) βעוברים דה-דיפרנציאציה וחיים בצורה תקינה בתרבית ,אולם הם אינם מייצרים אינסולין )דהיינו אינם מבטאים גנים של תאי ;(βממצא נוסף מראה כי התאים שעברו דה-דיפרנציאציה שומרים על מבנה פתוח של כרומטין באיזור הגנים האלו גם לאחר מכן .עובדה זו השרתה תקווה שאולי ניתן להחזיר בהם את היכולת לביטוי הגנים של תאי βביתר קלות לעומת תאים שבהם הגנים סגורים – פתח לרה-דיפרנציאציה בחזרה לתאי βלאחר שיגדלו מסה מספקת של התאים כשהם במצב דה-דיפרנציאציה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , נושא :2מטבוליזם – הומיאוסטזיס של גלוקוז 25 בשיטה אחרת נעשתה עבודה רחבה בהפיכת תאים עובריים ) (ESפלוריפוטנטים לתאים מפרישי אינסולין .הדרך לכך היא חיקוי תנאי ההתמיינות בלבלב לפי פקטורים המופרשים בו ומכוונים את התאים לגורל תאי .βתהליך ההתמיינות הינו ארוך ויעילותו הולכת ויורדת ,אולם השתלת התאים הסופיים בחיות גורמת להם לסיים את ההתמיינות בחיה. ארבעה פקטורים מאפשרים יצירת ) iPS (induced plutipotent stem cellsמתאים סומטיים; למרות ההבדלים הנותרים בין ,iPS vs ESאולי יש יתרון דווקא בשימוש בשיטה זו כדי למיין וליצור תאי ?β לאור הממצאים עם תאי βשעברו דה-דיפרנציאציה ,ייתכן שיצירת iPSממקור של תאי βתניב תאים בעלי סיכוי גבוה יותר להתמיין לתאי βמאשר ביצירת iPSשמקורו בתאים סומטיים אחרים .היתרון לעומת תאי ה β-הדה-דיפרנציאלים הוא שהאחרונים יכולים להתחלק רק 14-16חלוקות ,בעוד שתאי ה- iPSבעלי כושר חלוקה אינסופי. הממצאים מראים שהתאים שומרים על זיכרון אפיגנטי גם לאחר התיכנות-מחדש לתאי .iPSאם שמים ESאו iPSבתרבית הם מתמיינים ספונטנית לתאי EBומבטאים את כל הגנים – ביניהם אינסולין ברמה נמוכה; לעומת זאת תאי iPS שמקורם בתאי (BiPS) βבעלי נטייה גבוהה ליצור אינסולין .כמו כן ,השתלות iPSבעכברים הגורמות לטראטומה מייצרות גידולים המפרישים אינסולין ברמה גבוהה אם מקורם היה ב.BiPS- החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2011 , חמוטל בן דב בקרה אנדוקרינית 26 אוטואימוניות השתלת התאים גוררת תנגודת מצד המערכת החיסונית; פתרון אחד הוא דיכוי המערכת החיסונית אולם אין זה פתרון יעיל לילד חולה סכרת – עדיף לו כבר לקחת אינסולין .אפשרות אחרת היא השתלת התאים בקפסולות קטנות המאפשרים מעבר של אינסולין החוצה ונוטריינטים פנימה ,אולם מונעים כניסה של תאי מערכת החיסון .מערכת זו כן עובדת בעכברים אימונוקומפטנטים )עם מערכת חיסונית מתפקדת( ,שכאשר משתילים להם את התאים עם הקפסולה ניתן לראות ירידה בכמויות הסוכר לעומת העכברים שהושתלו בהם תאים ללא קפסולה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 ,
