The Effect of Weight Reduction on Chronic Inflammatory Molecules and Insulin Resistance in type 2 DM

Abstract

Type 2 Diabetes mellitus(DM) is characterized by insulin resistance. Recently, defects in the insulin-signaling cascade have been implicated in the pathogenesis of insulin resistance. Also obesity is a metabolic disease and insulin resistance is a pathogenesis of obesity. So obesity is correlated with insulin resistance. To study insulin signaling change in obese type 2 DM after weight reduction, we assessed chronic inflammatory molecules (etc: TNF-a, IL-6, IL-10, resistin, leptin, adiponectin) and the insulin signaling cascade including insulin receptor(IR-β), insulin receptor substrate(IRS)-1, Akt, and GSK-3, PAC-zeta, lambda, theta, delta, alpha, beta phosphorylation before and after insulin stimulation in 15 normal control group and 13 type 2 DM group and follow up 6 month later in 8 case type 2 DM. In DM group, we try to weight reduction by exercise and diet therapy for six months. Insulin also activates in a PI3 kinase-dependent manner, atypical forms of protein kinase C(PKC-ξ/λ),which have also been suggested to mediate glucose transport. So we assessed the phosphorylation level of atypical PKC before and after insulin stimulation in both groups. Several studies have shown associations between increased PKC activity, especially nPKCs, and insulin resistance in insulin target tissues upon lipid oversupply. Also the protein level of membrane-bound PKC-δ, -θ, α,β was assessed before and after insulin stimulation in both groups. In result, chronic inflammatory molecules are significantly difference between control and obese DM, especially IL-6, adiponectin. In follow up study, there are significantly difference in resistin and IL-10 level between base line study and 6 months follow up study. In result, euglycemic hyperinsulinemic clamp test showed decreased glucose utilization rate in DM group compared to control group(p<0.05). Also decreased glucose utilization rate in base line study compared to follow up study in DM group. GLUT 4 translocation from cytosol to plasma membrane by insulin stimulation was reduced in DM group compared to the control group(p<0.05). Also GLUT 4 translocation from cytosol to plasma membrane by insulin stimulation was reduced in baseline DM group compared to the follow up DM group(p<0.05). The incremental rate of IR-β, Akt, IRS and GSK-3 phosphorylation by insulin stimulation were reduced in DM compared to control group(p<0.05). The incremental rate of PKC-ξ/λ protein by insulin stimulation was reduced in DM group. But the incremental rate of PKC-theta, beta, alpha phosphorylation by insulin stimulation was comparable between two groups. Before insulin stimulation, the basal protein levels of PKC-δ, and -θ showed no difference between control and DM group. Also, the incremental rate of PKC-δ, and -θ protein by insulin stimulation were com parable between two groups. Therefore, DM showed decreased PKC-ξ/λ activity by insulin stimulation as well as the defect in the early insulin signaling. Weight reduction is positive effect in insulin signal transduction. Insulin resistance maybe correlated obesity and chronic inflammatory molecules. After weight reduction, We observed that the significant change of IL-10 and resistin. Also we observed that significantly improvement of membranous GLUT 4 translocation and incremental of insulin receptor, IRS-1, Akt, PKC-ξ/λ phosphorylation in diet-exercise group. So We conclude that the weight reduction via exercise improve ininsulin resistance by improvement of insulin receptor, IRS-1, Akt, PKC ξ/λ phosphorylation.

비만과 제 2형 당뇨병에서 인슐린 표적 장기들은 모두 인슐린 저항성을 가지고 있으며 이러한 기전으로 인슐린 반응이 저하되어 있다고 알려져 왔다. 인슐린은 세포 표면의 인슐린 수용체에 결합 후 세포내로의 신호 전달에 의해 인슐린의 여러 가지 작용을 나타나게 되며, PI-3 kinase pathway를 통해 포도당 섭취가 일어나는데, 신호 전달에 결함이 생기면 포도당 섭취가 감소하게 된다. 또한 비만이 동반된 경우 이에 분비되는 사이토카인들이 이런 신호 전달 체계에 영향을 준다고 알려져 왔다. 이에 본 연구에서는 비만한 당뇨병 환자의 지방 세포에서 분비되는 leptin, adiponectin, resistin, TNF-α 및 만성 염증성 인자인 IL-6과 IL-10의 혈액 내 농도와 인슐린 저항성과의 관계를 알아보았다. 이와 함께 운동과 식이요법을 통한 체중 감량이 당뇨병 환자의 인슐린 저항성과 관련되어 상기 지방세포에서 분비되는 여러 사이토카인의 변화와 IR, IRS-1 및 aPKC를 포함해 어느 단계의 신호 전달 체계에 영향을 주는 지를 관찰하고자 하였다. 연구 대상은 정상군 15명과 당뇨병 환자 13명이었고, 이들 모두에서 정상 혈당 고 인슐린혈증 클램프 검사를 통해 포도당 이용률을 측정하여 인슐린 저항성을 평가하였다. 인슐린 자극 전과 자극 30분 후 각각 두 차례 대퇴 근육을 생검 하여 근육 세포내에서의 인슐린 신호 전달의 활성도와 단백량을 Western blot법으로 측정하였다. IR, IRS, Akt kinase, GSK-3 kinase의 인산화량, PKC-ξ/λ, PKC-δ, PKC-θ의 단백량을 측정하였고, GLUT4의 membrane fraction의 단백량을 측정하였다. 이와 함께 지방세포에서 유래되는 leptin, adiponectin, resistin, TNF-α, 와 만성 염증성 인자인 IL-6 와 IL-10을 측정하였다. 당뇨병 환자 군에서는 초기 검사 시행 후 6개월간 식이요법 및 운동요법을 통한 체중 감량 후 다시 한번 클램프 검사 및 인슐린 신호 전달 체계와 상기 언급한 여러 사이토카인을 측정하였다. 결과는 당뇨병 환자 군에서 정상군에 비해 정상 혈당 고 인슐린혈증 클램프 검사 상 포도당 이용률이 52.7%정도 감소되었으며, IL-6은 당뇨병 환자군 에서 유의하게 증가되었고, adiponectin은 당뇨병 환자군 에서 유의하게 감소되었다. 또한 당뇨병 환자 군에서 인슐린 자극 후 GLUT4의 세포막으로의 전이가 감소된 것이 관찰되어 인슐린 저항성의 발생이 인슐린의 세포 내 신호 전달의 결함으로 이루어 졌다고 생각된다. 인슐린 자극 후 당뇨병 환자에서 세포막 당 수송체 4, IR-β, IRS, Akt, GSK-3 인산화 증가율과 PKC-zeta, PKC-lamda, PKC-delta, PKC-beta의 단백량의 증가율이 정상군에 비해 유의하게 감소하여 인슐린 수용체 및 그 이후의 단계의 신호 전달의 결함이 당뇨군의 인슐린 저항성을 유발하는 것으로 관찰되었다. 당뇨병 환자군 에서 운동요법 및 식사요법을 6개월간 시행 후 시행한 만성 염증성 인자들의 검사 결과는 resistin이 유의하게 감소하였고 그 외에 TNF-α와 IL-6, IL-10이 감소하는 경향을 보였다. 또한 체중 감량 후 시행한 신호 전달 체계 중 insulin에 대한 세포막의 GLUT4의 증가율이 유의하게 증가함이 관찰되었다. 결론적으로 제 2형 당뇨병 환자에서 체중 감량은 비만으로 유발되는 여러 chronic inflammatory molecule의 변화를 주고 이는 인슐린 신호 전달 체계에 영향을 주어 인슐린의 신호 전달 체계의 결함을 보완하는 역할을 확인할 수 있었으며 이는 인슐린에 자극에 의한 PKC의 활성에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다.