Application of hyperglycemic clamp with three different secretagogues for a
phenotyping of early metabolic alterations in first degree relatives of
patients with type 2 diabetes mellitus
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 9
1.1 Typ 2 Diabetes mellitus 9
1.2 Probleme der Phänotypisierung der frühen ß-Zellfunktionsstörungen 9
1.3 Methoden zur Untersuchung der ß-Zellfunktion in vivo 11
1.3.1 Hyperglykämischer Glukoseklemmtest 11
1.3.2 Inkretine und ß-Zellfunktionsstörungen 13
1.3.3 Arginin und Insulinsekretion 14
1.4 Probleme der Methodik der Insulinkonzentrationsbestimmungen 14
1.4.1 Physiologie und Messung der Insulinsekretion 14
1.4.2 Physiologie und Messung der Insulinclearance 15
1.4.3 Physiologie und Messung der Proinsulinprozessing 16
2 Ziel der Studie 17
3 Methodik 18
3.1 Studienprotokoll 18
3.2 Patientencharakteristika 18
3.3 Versuchsprotokoll 18
3.4 Infusionslösungen 20
3.5 Blutentnahmen 22
3.6 Laborbestimmungen 23
3.6.1 Kapilläre Blutglukose 23
3.6.2 Hormone 23
3.7 Auswertung 25
3.7.1 HOMA-Analyse 25
3.7.2 Pankreatische Insulinsekretionsrate 25
3.7.3 Metabolische Clearancerate von endogenem Insulin 27
3.7.4 Proinsulin zu Insulin und Proinsulin zu C-Peptid Ratio 28
3.7.5 Insulin Sensitivität Index 28
3.7.6 Dispositionsindex 28
3.7.7 Phasen der Insulinsekretion 28
3.7.8 Statistische Auswertung 29
4 Ergebnisse 30
4.1 Charakterisierung der Probanden 30
4.2 Blutglukose 30
4.3 Glukose Infusionsrate 33
4.4 HOMA-Analyse 33
4.4.1 Insulinresistenz Index 33
4.4.2 ß-Zell-Sekretionskapazität 33
4.5 Periphere Insulinkonzentrationen 33
4.6 C-Peptid 36
4.7 Pankreatische Insulinsekretionsrate 40
4.8 Endogene Insulinclearance 43
4.9 Proinsulin 48
4.10 Insulin Sensitivität Index 50
4.11 Dispositionsindex 53
5 Diskussion 55
5.1 Korrelationen zwischen den verschiedenen Phasen der Insulinsekretion 55
5.2 Einfluß der Insulin Resistenz auf die Phasen der Insulinsekretion 56
5.3 Einschätzung der maximalen Insulinsekretionskapazität 57
5.4 ISR in verschiedenen Phasen des hyperglykämischen Glukoseklemmtests 57
5.5 Insulinotrope Wirkung des GIP bei erstgradigen Verwandten von T2DM 58
5.6 Veränderungen des endogenen Insulinclearance 59
5.7 Absolute und relative Hyperproinsulinämie 60
6 Zusammenfassung 62
7 Literaturverzeichnis 64
8 Danksagungen 73Der 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
