Diabetes och dess komplikationer

Kerstin Brismars forskning

Kerstin Brismars forskning har fokuserats på både regleringen av tillväxtfaktorer och diabeteskomplikationer, hon har framförallt intresserat sig för reglering av IGF- IGFBP-systemet, oxidativ stress och cellulära effekter av högt glukos. Studierna kring IGFBP-1 har resulterat i att detta protein som bildas i levern och styrs framförallt av insulin, har blivit en viktig metod för att diagnostisera malnutrition, insulinkänslighet och betacellsfunktion, samt viktig riskmarkör för att utveckla typ 2 diabetes, diabeteskomplikationer och metabola syndromet senare i livet. Det är också en viktig metod för att diagnostisera om en patient med typ 2 diabetes behöver insulin eller skulle kunna klara sin diabetes med effektiv livsstilsförändring. Studier på IGF-1 har visat att detta protein är en viktig markör för tillväxthormon och 1:a fas insulinfrisättning vid glukosbelastning, samt indikator på nutritionsstatus och anabolism/katabolism.

Viktiga faktorer som påverkar risk för diabeteskomplikationer är transkriptionsfaktorn HIF-1 alfa och tillväxtfaktorn VEGF. Bägge dessa proteiner kan stimuleras av IGF-1. HIF-1 alfa, och fria radikaler ökar produktionen av IGFBP-1, vilket påverkar aktiviteten av IGF-1. IGFBP-1 har också egna effekter via aktivering av en integrin receptor, bland annat påverkas proliferation och cellmigration som har betydelse för arterosklerosutveckling och huruvida plaque i kärlväggen är stabila eller instabila och därmed risk för stroke och hjärtinfarkt.

Under de senaste 25 åren har hon studerat orsaken bakom diabeteskomplikationer och har visat att högt glukos orsakar lokal hypoxi i vävnaden genom att påverka blodflödet och kapillärläckage. Dessutom orsakar högt glukos tillväxtfaktorresistens hos fibroblaster och endothelceller, vilket har betydelse för bland annat sårläkning.

Gruppen har också visat att glukos hämmar hypoxiinducerad HIF-1 alfa aktivitet och orsakar oxidativ stress genom att öka produktion av fria radikaler, vilket bidrar till försämrad sårläkning, även neuropati och njursvikt vid diabetes. Behandling med hyperbar syrgas, och låg-molekylärt heparin, som ökar lokal syrgaskoncentration och blodflöde, förbättrar sårläkningen med 70% färre amputationer. Dessa behandlingar samt behandling med antioxidanter, återställer den normala tillväxtsvaret hos fibroblaster tagna från patienter med diabetes. I studier på diabetiska djurmodeller leder stabilisering av HIF-1 alfa aktiviteten till normalisering av sårläkning.

Lokalbehandling med lipidlösliga antioxidanter har avsevärt förbättrat sårläkningen i dessa djurmodeller. Inte bara sårläkningen normaliseras utan även njurskada och nervskador kan förebyggas om diabetiska djurmodeller behandlas med lipidlösliga antioxidanter som neutraliserar de fria radikalerna. Även behandling med HIF-1 alfa har visat sig neutralisera de fria radikalerna, vilket kan vara en förklaring till de positiva effekterna förutom förbättrad adaptionen till syrebrist vid diabetes. Både hypoxi, oxidativ stress och insulinbrist leder till ökad produktion av IGFBP-1, vilket visar sig öka risken för senkomplikationer vid diabetes (t ex neuropati, fotsår och mikrovaskulära komplikationer).

Gruppen har under åren visat på ett flertal gener som ökar risken för respektive skyddar mot diabetesnefropati. Mekanistiska studier pågår för att förklara detta. Då man vid diabetes har försämrad adaptation till ökad produktion av fria syreradikaler och inte har tillräckligt aktivt antioxidant försvar arbetar gruppen på att utveckla nya substanser/mediciner som kan öka kroppens eget antioxidantförsvar, vilket förefaller mer effektivt än att tillföra antioxidanter utifrån som medicin eller via kosten.

Eftersom kosten har stor betydelse för reglering av blodsocker pågår även studier avseende olika måltidskompositioner, av fruktos (fruktsocker) och sackaros (rörsocker) och periodisk fasta på insulinproduktion, insulinkänslighet, socker- och fettmetabolism, inflammation och oxidativ stress. Detta görs för att förstå mekanismerna bakom födans betydelse för sockerkontrollen och utveckling av komplikationer, och för kunna ge patienterna bättre råd.

Pågående forskning

1. IGFBP/IGF system

The regulation and clinical importance as a marker of insulin secretion and resistance, future risk of T2 DM and CVD are studied. The IGF system regulates NO synthesis and glucose homeostasis.

• MD PhD Neda Rajamand Ekberg, MD.PhD Maria Sääf

Main Projects:

Identify future risk for type2 diabetes and cardiovascular disease

Identify risk factors for osteoporosis and future fractures in diabetes

Prevent risk for type2 diabetes and cardiovascular disease

Main Projects:

1. Modulation of IGF-1 expression by IGFBP-1

Aim: To investigate the effect of IGFBP-1 on IGF-I regulation at the transcriptional level and whether different tissues exhibit different regulation. Methods; gene and protein expression of IGF-I protein using qPCR analysis, ELISA or RIA in various cell lines.

2. Deducing the role of IGF system in an in vitro model of liver steatosis

Aim: To investigate whether free fatty acids can modulate IGFBP-1 protein and to identify role of IGFBP1 in lipid accumulation. Methods: study lipid accumulation, free-fatty acid-induced apoptosis, oxidative stress, changes in gene expression, using ´TUNEL assays, FACS analysis and QPCR analysis in an in-vitro model of liver steatosis including the spheroid (collaborating Magnus Ingelman Sundberg)

3. Deducing the role of IGF system in the diagnosis of liver steatosis and progression to fibrosis in humans

4. Deducing the most effective diet to reverse liver steatosis in humans

2. Diet intervention

In diabetes and healthy controls, humans and mice

• MD PhD Neda Rajamand Ekberg

1. Examine the Effects of Standardized Meals on Postprandial Metabolic, Hormonal and Inflammatory Responses

2. Examine the Effects of Low Fructose Load on Postprandial Metabolic and Inflammatory Responses

• PhD Ismael Valladolid Acebes(in collaboration with research group Signal Transduction)

Main Projects:

1. Beta Cell Function in a Mouse Model of Western Diet-Induced Diabesity

Aim: To study stimulus-secretion coupling in situ combining electro-and optophysiological novel complex network approaches with the acute mouse pancreas tissue slice preparation. Methods: diet-induced obesity and type-2 diabetes using a western diet during eight weeks in C57bl/6 mice. This project includes: intraperitoneal glucose and insulin tolerance tests; Determination of the dynamic insulin release in isolated pancreatic islets; Membrane potential and calcium dynamics in beta cells from mouse pancreas tissue slices; hormonal characterization in serum; Immunohistochemistry, western blot and qPCR.

2. Role of micro-RNA 210 (mir210) in Diabetes (Sergiu Catrina)

Aim: To investigate whether the lack of mir210 impacts on glucose homeostasis and insulin sensitivity. Methods: mir210 homozygous and heterozygous mutant male and female mice. Phenotypic and genotypic characterization is being performed at the ages of 20, 40 and 60 weeks of age. This project includes: 1) In vivo studies: Glucose tolerance tests (GTTs), insulin secretion during the GTTs measured by ELISA, insulin tolerance tests (ITTs), tissue specific glucose uptake and energy metabolism using the metabolic cages; In vitro studies: Glucose-stimulated insulin secretion in isolated pancreatic islets, qPCR, western blot and immunohistochemistry.

3. New compound with effects on mitochondrial function with anti- inflammatory and antioxidant properties in prevention of diabetes complications

• Gustav Dallner, PhD Michael Tekle, PhD Magnus Bentinger, PhD Cheng Xu

Modified tocotrienol (Mod-T3) effectively protects the heart after ischemic reperfusion, enhances wound healing of the skin and improves mitochondrial function

Aim: To develop a new compound (based on tocotrienol) that prevent diabetes complications Methods, Synthesis of the compound, HPLC, db/db mice and WD induced diabetes. in vitro “Scratch assay” as wound healing model, In vivo wound healing model, A FX-24 Seahorse instrument for mitochondrial function analysis of both cells and kidney mitochondria.

Utvalda publikationer

Increase in insulin-like growth factor 1 (IGF-1) and insulin-like growth factor binding protein 1 after supplementation with selenium and coenzyme Q10. A prospective randomized double-blind placebo-controlled trial among elderly Swedish citizens.
Alehagen U, Johansson P, Aaseth J, Alexander J, Brismar K
PLoS ONE 2017 ;12(6):e0178614 

Changes in fruit, vegetable and juice consumption after the diagnosis of type 2 diabetes: a prospective study in men.
Olofsson C, Discacciati A, Åkesson A, Orsini N, Brismar K, Wolk A
Br. J. Nutr. 2017 Mar;117(5):712-719 

IGFBP1 increases β-cell regeneration by promoting α- to β-cell transdifferentiation.
Lu J, Liu KC, Schulz N, Karampelias C, Charbord J, Hilding A, et al
EMBO J. 2016 09;35(18):2026-44 

The receptor for advanced glycation end products and risk of peripheral arterial disease, amputation or death in type 2 diabetes: a population-based cohort study.
Malmstedt J, Kärvestedt L, Swedenborg J, Brismar K
Cardiovasc Diabetol 2015 Jul;14():93 

Short and prolonged exposure to hyperglycaemia in human fibroblasts and endothelial cells: metabolic and osmotic effects.
Moruzzi N, Del Sole M, Fato R, Gerdes JM, Berggren PO, Bergamini C, et al
Int. J. Biochem. Cell Biol. 2014 Aug;53():66-76 

Increased DNA methylation levels of the insulin-like growth factor binding protein 1 gene are associated with type 2 diabetes in Swedish men.
Gu T, Gu HF, Hilding A, Sjöholm LK, Ostenson CG, Ekström TJ, et al
Clin Epigenetics 2013 Nov;5(1):21 

Coenzyme Q10 prevents peripheral neuropathy and attenuates neuron loss in the db-/db- mouse, a type 2 diabetes model.
Shi TJ, Zhang MD, Zeberg H, Nilsson J, Grünler J, Liu SX, et al
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2013 Jan;110(2):690-5

Forskningsområden

Projektledare

Gustav Dallner - Drug development and Coenzyme Q research

Christina Bark - Regulated membrane fusion

Sergiu-Bogdan Catrina - Mechanisms underlying diabetes complications

Jacob Grünler - Inflammatory processes in development of atherosclerosis in diabetics

Magnus Bentinger- Synthesis of new compounds with the ability to stimulate the endogenous antioxidant defense

Michael Tekle - Development of methods to determine lipid, protein and DNA oxidation. Study of biological effects of new drugs with antioxidant properties.

Neda Rajamand Ekberg - Clinical studies of different composites of meals in type 1- and type 2-diabetes. Clinical studies on PCOS in type 1 diabetes.

Michael Alvarsson - Clinical studies on β-cell rest and the HPA-axis on metabolic control in diabetic, clinical studies on the effects of physical activities in patients with type 2-diabetes.  Clinical studies on PCOS in type 1-diabetes.

Marie Degerblad - Clinical studies on the effects of physical activities in patients with type 2-diabetes.

Intervju

Kerstin Brismar deltog i Europaparlamentets seminarium "Women Health & Food - Can we do more to meet the challenges of diabetes and heart diseases?" (nov 2012). Här i ett samtal med Anna Maria Corazza Bildt.