Diagnostica delle alterazioni del metabolismo glucidico

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1 Diagnostica delle alterazioni del metabolismo glucidico Diagnostica biochimico-clinica clinica Lezione 11

2 Carboidrati I carboidrati o saccaridi (dal greco sàkcharon, zucchero) sono le molecole biologiche più abbondanti. Chimicamente sono costituiti da C, H e O combinati secondo la formula generale (C H 2 O)ncon n 3. Le unità di base dei carboidrati sono i monosaccaridi che si uniscono poi a dare i polisaccaridi. I carboidrati svolgono una funzione strutturale ed energetica sia come sostanze nutrienti che come intermedi metabolici.

3 Panoramica del catabolismo Proteine, carboidrati e lipidi sono sintetizzati a partire da unità più piccole e degradati nelle stesse unità (amminoacidi, glucosio e acidi grassi/glicerolo). L ossidazione di questi metaboliti produce energia metabolica sottoforma di ATP. Le principali vie metaboliche del glucosio, acidi grassi e amminoacidi convergono su piruvato ed acetil-coa, composti che occupano posizioni centrali nel metabolismo energetico. Alcuni processi metabolici necessitano della cooperazione tra i vari organi (cervello, muscolo, tessuto adiposo, fegato e rene).

4 Schema generale del metabolismo del glucosio Il glucosio è una fonte di energia facilmente utilizzabile da tutti i tessuti

5 Destino del glucosio Ossidazione a CO 2 e H 2 O (in tutti i tessuti) Glicogenosintesi e/o Glicolisi con formazione di acido lattico (nei muscoli) Trasformazione in altri carboidrati GLUCOSIO Via dei pentosi (fegato e tessuto adiposo) Immagazzinamento sotto forma di grassi (attraverso acetil Co-A) Conversione in amminoacidi non essenziali

6 Integrazione del metabolismo Acidi grassi liberi o non esterificati derivanti dalla lipolisi l dei grassi Cellule adipose con adeguata riserva di glucosio Acidi grassi + glicerolo Passano in circolo In assenza di quantità adeguate di glucosio Trigliceridi Ossidazione Amminoacidi (chetogenici, glucogenici) Acetil-CoA (nei tessuti) Anche nel rene 1. Sintesi di acidi grassi 2. Sintesi di colesterolo 3.Corpi chetonici (acetoacetato,β-idrossibutirrato, acetone)

7 Metabolismo dei carboidrati Disaccaridi (saccarosio, lattosio) e polisaccaridi, (amido, glicogeno) introdotti con la dieta Amilasi Disaccaridasi Monosacaridi (glucosio, fruttosio, galattosio) (saliva) (succo pancreatico) (mucosa intestinale) Glucosio, fruttosio, galattosio, mannosio (deriva dalle glicoproteine), ribosio e deossiribosio (digestione degli acidi nucleici) vengono assorbiti nella mucosa intestinale Assorbimento 1. Per diffusione facilitata (gradiente di concentrazione) 2. Per trasporto attivo Fegato

8 Destino dei carboidrati Dopo l assorbimento nel circolo portale, i carboidrati pervengono al FEGATO, ove si esplicano attività tese a : DIMINUIRE la quantità di glucosio immessa nella circolazione sistemica: trasformazione glucosio in glicogeno e suo deposito nel fegato; ossidazione del glucosio per produrre energia; biosintesi di altri composti (ac. grassi, aa, ecc.) AUMENTARE la quantità di glucosio immessa nella circolazione sistemica: trasformazione in glucosio del fruttosio o del galattosio; trasformazione del glicogeno in glucosio (glicogenolisi); sintesi di glucosio a partire da altri composti (aa, ac. lattico, glicerolo ecc.) (gluconeogenesi) La quantità di glucosio in circolazione sistemica è risultante di questi due opposti meccanismi

9 Metodi di misura della glicemia METODO DELLA GLUCOSOSSIDASI-PEROSSIDASI Glucosio ossidasi β-d-glucosio+ H 2 O Ac. Gluconico+ H 2 O 2 Accettore di O 2 (fenolo)+ H 2 O 2 Perossidasi Cromogeno + H 2 O METODO DELLA ESOCHINASI-G6PDH Glucosio + ATP G6P + NAD(P) Esochinasi G6PDH G6P + ADP 6-Fosfogluconato + NAD(P)H Abs a 340 nm METODI DI MISURA DEGLI ORMONI IMPLICATI NELL OMEOSTASI GLUCIDICA RIA

10 Spettro di assorbimento del NAD + e del NADH

11 Glucometro I glucometri sono utilizzati per l'automonitoraggio della glicemia. Per stimare la glicemia, il glucometro analizza una piccola goccia di sangue capillare, generalmente prelevata dal polpastrello, posta su un'apposita striscia reattiva inserita alsuo interno. Il glucosio contenuto nel campione di sangue darà origine ad una reazione enzimatica ossidandosi grazie alla presenza dell'enzima glucosio-ossidasi nella striscia reattiva. L ossidazione darà origine ad una variazione cromatica o ad una corrente elettrica (a seconda del modello) tradotta poi nel valore glicemico corrispondente.

12 Omeostasi della glicemia mediante controllo ormonale La concentrazione del glucosio nel sangue viene mantenuta entro limiti abbastanza ristretti ( mg/dl) in rapporto a specifiche esigenze funzionali del tessuto nervoso. L effetto degli ormoni sulla omeostasi glicemica dipende dai dei rapporti di concentrazione di ormoni agonisti e antagonisti. ORMONE IPOGLICEMIZZANTE INSULINA abbassa la concentrazione del glucosio ematico ORMONI IPERGLICEMIZZANTI GLUCAGONE ED ORMONE DELLA aumentano la concentrazione in condizioni fisiologiche CRESCITA (GH) GLUCOCORTICOIDI E ADRENALINA aumentano la concentrazione in situazioni patologiche (digiuno protratto e stress).

13 Controllo ormonale in seguito all assunzione di alimenti Subito dopo un pasto, quando glucosio ed acidi grassi sono abbondanti, l insulinasegnala ai tessuti di accumulare glicogeno e trigliceridi come riserva energetica. L insulina induce inoltre nei tessuti diversi dal fegato ad assorbire glucosio tramite il trasportatore GLUT4.

14 Controllo ormonale in seguito a digiuno/ stress Quando non sono disponibili carburanti energetici provenienti dalla dieta, il glucagone induce il fegato a rilasciare glucosio e il tessuto adiposo a rilasciare grassi. In condizioni di stress, l adrenalina induce risposte simili.

15 Effetto degli ormoni IPOGLICEMIZZANTE INSULINA Glicolisi Glicogenosintesi Neoglucogenesi IPERGLICEMIZZANTI ADRENALINA GLUCAGONE Glicogenolisi Rilascio di insulina Glicogenolisi Neoglucogenesi Glicogenosintesi Neoglucogenesi Glicogenosintesi GLUCOCORTICOIDI Captazione glucosio Glicolisi

16 Insulina L'insulina è un ormone peptidico di 51 amminoacidi (Mw, 5808 Da) prodotto dalle cellule beta delle isole di Langerhansdel pancreas. L'insulina èformata da due catene unite da due ponti solfuro: catena A di 21 aminoacidi e catena B di 30 aminoacidi.

17 Biosintesi e maturazione L insulina viene sintetizzata in forma di precursore inattivo (preproinsulina). La maturazione avviene in due passaggi. La rimozione del peptide leader porta alla formazione della proinsulina. La rimozione del segmento intermedio (peptide C) porta alla formazione dell insulina attiva.

18 Secrezione dell insulina Le cellule endocrine del pancreas fungono da sensori della concentrazione plasmatica di glucosio. L'insulina prodotta è presente in vescicole all interno delle cellule β. Essa esce dalle cellule per esocitosi che avviene dal lato cellulare rivolto verso i capillari sanguigni. L ormone passa nel sangue attraverso le fenestrature dell endotelio capillare. Nel sangue l insulina ha un emivita di 4/5 min; essa infatti si fissa rapidamente nei tessuti ove esplica le sue azioni. Viene inattivata dopo essere passata per endocitosi nel citoplasma delle cellule.

19 Secrezione dell insulina Notevole importanza funzionale assume la prontezza con cui le cellule β rispondono alle variazioni del tasso glicemico. Insulina velocitàdi secrezione (%) Insulina velocitàdi secrezione Concentrazione plasmatica di glucosio minuti 50 Risposta delle cellule β ad un improvviso innalzamento del livello glicemico (es. per infusione per via circolatoria di una soluzione glucosata). Andamento bifasico. Le cellule β posseggono due pool di insulina che vengono rilasciati con diversa facilità.

20 Insulina La sua funzione è quella di regolatore dei livelli di glucosio ematico riducendo la glicemia mediante l'attivazione di diversi processi metabolici e cellulari. Regolazione della secrezione di insulina Secrezione stimolata dall aumento della glicemia Secrezione inibita dall ipoglicemia e da alcuni ormoni

21 Insulina Meccanismo d azione Attivazione del recettore insulinico situato sulla membrana delle cellule bersaglio. Si innesca una cascata di risposte intracellulari, in particolare ingresso di glucosio nella cellula attraverso il trasportatore GLUT-4. Attivazione di numerose vie metaboliche (essenzialmente a livello di fegato, muscolo e tessuto adiposo).

22 Meccanismi innescati dall insulina L insulina promuove l utilizzo del glucosio in tutte le possibili vie metaboliche Aumento del trasporto del glucosio Aumento della sintesi di glicogeno Aumento della sintesi proteica Inibizione della neoglucogenesi Inibizione della chetogenesi Inibizione della glicogenolisi e lipolisi Inibisce il catabolismo proteico Accelerata conversione del glucosio in grassi

23 Principali azioni dell insulina nelle cellule Metabolismo Effetto Ingresso glucosio Stimolazione Glucidico Glicogenosintesi Glicolisi Stimolazione Stimolazione Att.glicogeno sintetasi Neoglucogenesi Inibizione (1) Ingresso NEFA Stimolazione Att.lipoproteinolipasi Lipidico Lipogenesi Lipolisi Stimolazione Inibizione (2) Lipasi β-ossidazione Inibizione Proteico Ingresso amminoacidi Sintesi proteica Stimolazione Stimolazione Velocità di trasporto Trascrizione e traduzione Demolizione proteine Inibizione Att. Proteasi lisosomiali Salino Ingresso K + Stimolazione Att. Pompa Na + /K + (1) Soprattutto nel fegato; (2) soprattutto nel tessuto adiposo

24 Variazioni dei livelli di glicemia/insulinemia con l alimentazione Profilo insulinemico e glicemico nelle 24 h in condizioni fisiologiche Colazione Pranzo Cena

25 Glucagone Il glucagone è un polipeptide costituito da 29 aa, prodotto dalle cellule alfa delle isole pancreatiche. Secreto in risposta ad una condizione ipoglicemica, provocando l immissione in circolo di glucosio, attraverso lo stimolo di glicogenolisi e della neoglucogenesi. Nell omeostasi glicemica, è importante il rapporto molare tra insulina e glucagone: un elevato rapporto diminuisce il tasso glicemico e viceversa. L emivita del glucagone nel sangue circolante è di circa 6 min e, al contrario dell insulina, la cui azione ha come bersaglio vari tessuti, il glucagone ha effetto solo nelle cellule epatiche.

26 Ormone della crescita L ormone della crescita (growth factor, GH) è secreto dall adenoipofisi ed ha effetto iperglicemizzante. Inibisce l assunzione di glucosio da parte delle cellule Inibisce la sintesi di acidi grassi a partire da carboidrati Promuove la lipolisi e la liberazione di FFA dal tessuto adiposo La somatostatina prodotta dalle cellule δ delle isole pancreatiche e nell ipotalamo deve il suo nome alla capacità di inibire, nell adenoipofisi, la secrezione dell ormone della crescita (GH) o somatotropo. Agisce anche come potente inibitore della secrezione sia di insulina che di glucagone. Fa diminuire le attività gastroenteriche Diminuisce l assorbimento di tutte le sostanze nutritive ed in particolare del glucosio Induce ipoglicemia ed ipolipemia

27 Glucocorticoidi e Adrenalina Nello stress, si ha secrezione di adrenalina (midollare del surrene) e di cortisolo (corticale del surrene), con aumento della glicemia utile al sistema nervoso. ADRENALINA Diminuisce il rilascio di insulina Inibisce l assunzione di glucosio da parte delle cellule Aumenta la glicogenolisi epatica e muscolare GLICOCORTICOIDI (es. Cortisolo) Medulla Cortex Aumentano la neoglucogenesi delle proteine Inibiscono la sintesi proteica Aumentano la lipolisi nel tessuto adiposo

28 Concentrazione di glucosio nel sangue Dopo un digiuno di almeno 4 ore, il valore della glicemia è di mg/dl. Durante le prime due ore dopo il pasto, c èassorbimento intestinale, con aumento della glicemia. Aumenta volte il tasso insulinemico e diminuisce quello di glucagone e GH del plasma. Tra la seconda e la quarta ora, il tasso glicemico continua a diminuire, pur mantenendosi leggermente al di sopra di quello basale.

29 Diabete Può essere definito come un disordine metabolico caratterizzato da deficit effettivo d insulina a livello tissutale, denominato diabete mellito. Dal greco (diabainein, attraversare, collegato all eccessiva produzione d urina). ll suffisso mellito (dal latino mel, miele, dolce) è stato aggiunto in un secondo momento per il fatto che il sangue e le urine dei pazienti diabetici avevano un sapore dolce. CLASSIFICAZIONE Diabete di tipo I (IDDM: insulin dependent diabetes mellitus) Diabete di tipo II (NIDDM: non insulin dependent diabetes mellitus) Ridotta tolleranza al glucosio (IGT) Forme di diabete dipendenti da altre varie cause (diabete secondario) Diabete mellito gestazionale (GDM)

30 DIABETE DI TIPO I (diabete giovanile) o insulino-dipendente Deficit insulinico dovuto a inefficienza o distruzione delle cellule β (per predisposizione ereditaria o aggressione autoimmune). Il livello plasmatico di insulina si mantiene costantemente basso, sia in condizioni basali che in risposta ad aumenti della glicemia. Presenza di Ab contro le isole di Langherans o antinsulina Necessità delle terapia insulinica Insorgenza acuta e giovanile

31 DIABETE DI TIPO II (diabete dell adulto) o insulino-indipendente L insulina viene prodotta in quantità adeguata ma sono i tessuti che non rispondono all ormone. Tra le cause vi è una carenza di recettori per l insulina, disfunzioni nelle tappe successive all interazione insulina-recettore. L insorgenza è favorita da un eccessiva alimentazione per cui si associa a obesità. Ha insorgenza lenta.

32 Profilo glicemico nel diabete

33 Principali effetti metabolici della carenza di insulina Entrata glucosio nelle cellule Glicogenolisi Demolizione proteine Mobilizzazazione lipidi Sintesi trigliceridi Neoglucogenesi IPERGLICEMIA DIMAGRIMENTO IPERLIPEMIA Glicosuria Poliuria POLIDIPSIA POLIFAGIA Entrata di NEFA nelle cellule Ipovolemia β-ossidazione Ipotensione Flusso sanguigno cerebrale Chetonuria (poliuria) Chetonemia ACIDOSI COMA DIABETICO

34 Impiego terapeutico dell insulina Per lungo tempo è stata utilizzata insulina estratta dal pancreas di animali. Oggi si utilizza quella umana prodotta con procedimenti di ingegneria genetica. L insulina viene somministrata per via ipodermica o intramuscolare. Non può essere somministrata per via orale perché essendo un ormone di natura proteica verrebbe distrutta dai succhi digestivi.

35 Impiego terapeutico dell insulina L insulina viene rapidamente inattivata nei tessuti ed esplica la sua azione per un tempo molto breve. Al diabetico viene somministrata quotidianamente una dose basale di insulina ritardata (combinata come sale di zinco o con proteine al fine di prolungarne l azione) e si interviene poi con dosi supplementari di insulina rapida nelle ore in cui si prevede un innalzamento della glicemia.

36 Diminuita tolleranza al glucosio (Impaired glucose tolerance-igt) I pazienti sono caratterizzati da una curva di tolleranza al glucosio con caratteri patologici che generalmente si normalizza con la dieta. Sindrome iperglicemica asintomatica. Il 20% di soggetti IGT rischiano però di trasformarsi in pazienti diabetici. OBESITA Introito calorico Glicemia Resistenza all insulina Insulinemia recettori

37 Diabete secondario e diabete in gravidanza DIABETE SECONDARIO Si verifica come conseguenza di altre patologie sia pancreatiche che endocrine tra cui pancreopatie, endocrinopatie, patologie da farmaci e sindromi genetiche. DIABETE IN GRAVIDANZA Condizione transitoria che si ristabilizzasubito dopo il parto. Si verifica in donne con ridotta tolleranza al glucosio. Se la glicemia a digiuno rimane superiore a 105 mg/dl per più giorni: non si effettua la curva da carico per i potenziali rischi per il feto si determina il profilo glicemico in piùprelievi a distanza di 4 ore Se il secondo valore della glicemia è inferiore a 105 mg/dl si può effettuare la curva da carico del glucosio in base ai risultati le donne gravide sono classificate in: 1. Normale o ridotta tolleranza al glucosio 2. Diabete mellito in gravidanza

38 Diabete secondario e diabete in gravidanza L importanza del corretto monitoraggio del diabete nella donna gravida è legata da una parte alle complicazioni a cui può andare incontro la donna stessa, dall altra al fatto che il feto presenta una condizione di iper-insulinismo per la continua stimolazione alla quale sono soggette le sue cellule pancreatiche in conseguenza dell iperglicemia materna. Alla nascita l iperinsulinismo, non più compensato dall iperglicemia materna, può portare ad ipoglicemia anche molto grave con conseguenti disturbi neurologici.

39 Altre cause di iperglicemia ENDOCRINOPATIE Iperproduzione di cortisolo (Morbo di Cushing) o somministrazione di glucocorticoidi che inducono gluconeogenesi e inibiscono il metabolismo del glucosio. Tireotossicosi: la tiroxina ha azione glicogenolitica. Eccesso di aldosterone: l ipopotassemia associata comporta una ridotta secrezione insulinica e non permette una normale assunzione del glucosio. MALATTIE PANCREATICHE Provocano distruzione delle cellule insulari Pancreatiti acute e croniche, asportazione chirurgica del pancreas Calcoli e tumori FARMACI CHE INIBISCONO LA SECREZIONE O PROVOCANO RESISTENZA INSULINICA Steroidi, salicilati, beta bloccanti, barbiturici, contraccettivi orali, estrogeni INSUFFICIENZA RENALE CRONICA Alterata utilizzazione del glucosio EPATOPATIA CRONICA Ridotta glicogenosintesi

40 Ipoglicemia Si parla di ipoglicemia quando il valore di concentrazione di glucosio nel sangue è più bassa rispetto ai valori normali (al di sotto di 40 mg/dl). I sintomi di solito compaiono quando la glicemia è <50 mg/dl, e riproducono il quadro clinico dell anossia cerebrale: ciò mette ancor più in evidenza la stretta correlazione tra metabolismo cerebrale ed apporto plasmatico di glucosio. Tra le cause di ipoglicemia vi è il rilascio difettoso di glucosio da parte del fegato o un aumentato assorbimento da parte dei tessuti. I primi sintomi includono sudorazione, tachicardia ed agitazione (dovute ad aumento di adrenalina). In seguito si manifestano vertigini, stato letargico e coma che può portare a lesioni cerebrali permanenti e decesso.

41 Ipoglicemia A DIGIUNO IPOGLICEMIE A DIGIUNO Iperplasia delle cellule insulari Epatopatie Gravidanza Neoplasie extrapancreatiche REATTIVE (DIPENDONO DA ALTRI STIMOLI) REATTIVA Farmaci (insulina o ipoglicemizzanti) Ingestione di alcool ( gluconeogenesi)

42 Criteri diagnostici di diabete Il diabete mellito può essere definito da uno dei seguenti criteri (ADA, American diabetes association): Negli adulti: Sintomi classici del diabete e iperglicemia inequivocabile Glicemia plasmatica a digiuno uguale o >126 mg/dl Glicemia plasmatica a digiuno <126 mg/dl, ma con test di tolleranza orale al glucosio nettamente alterato (>200 mg/dldopo 2h o in tempi intermedi) Emoglobina glicata(a1c) 6,5% Nei bambini: Sintomatologia classica (poliuria, glicosuria, polidipsia) e valori di glicemia > 200mg/dl

43 Test di laboratorio per la diagnostica e monitoraggio del diabete Routine Glicemia (65-110mg/dl) Dubbi diagnostici e soggetti a rischio Curva glicemica Profilo glicemico Glicemia alla seconda ora dopo il pasto Approfondimenti diagnostici Curva insulinemica Anticorpi anti-isole pancreatiche (ICA, Islet Cells Antibodies) Anticorpi anti-insulina (IAA) Monitoraggio dell emoglobina glicosilata

44 Test di tolleranza al glucosio (OGTT) Il test di tolleranza al glucosio (Oralglucosetolerancetest, OGTT) o curva da carico orale di glucosio misura le variazioni nel tempo della glicemia dopo la somministrazione di glucosio per via endovenosa o orale. La prova si esegue somministrando 75 g di glucosio in 250 ml di acqua e seguendo nel tempo ad intervalli di 30 min le variazioni della glicemia, insulinemia, NEFA e glicosuria dopo 2h. Glucosio mg/dl diabete Ridotta tolleranza normale minuti

45 Test di tolleranza al glucosio (OGTT): Insulinemia Insulina uu/ml Diabete di II tipo normale Diabete I tipo minuti

46 Glicosuria Presenza di glucosio nelle urine quando la glicemia supera la soglia renale per il glucosio ( mg/dl). Se abbondante, determina aumento del volume urinario (poliuria (diuresi > 2500 cc/24h). METODO DI DOSAGGIO Impiego di cartine reattive, contenenti glucosio ossidasi-perossidasi e un cromogeno che subisce cambiamento di colore in relazione a quanta H 2 O 2 si è prodotta. Lettura per dell intensità di colore per la quantificazione del risultato. GLICOSURIA CON IPERGLICEMIA E presente nel diabete e nelle condizioni patologiche in grado di dare iperglicemia GLICOSURIA SENZA IPERGLICEMIA In gravidanza si può avere aumento della filtrazione glomerulare: il glucosio filtrato può non venire completamente riassorbito per cui si può avere glicosuria con glicemia normale Nelle tubulopatie renali si verifica un ridotto assorbimento di glucosio

47 Dosaggio emoglobina glicosilata(hba1c) Frazione dell emoglobina capace di legare il glucosio, utilizzata come marker dei valori medi di glicemia nei 2-3 mesi precedenti al prelievo, a differenza della glicemia che esprime il valore di glucosio ematico al momento del prelievo. Il dosaggio dell HbA1c è utile nel diabete insulino-dipendente. Aumenta se la terapia del diabete non è efficace (valori normali < 5%). Glucosio+emoglobina Emoglobina glicata Globuli rossi La formazione di HbA1c avviene durante tutto il periodo di vita del globulo rosso e dipende anche dall età cellulare. Un incremento transitorio della glicemia può produrre la formazione di una notevole quantitàdi aldimine, reazione comunque reversibile con la normalizzazione dei valori glicemici. La persistenza di iperglicemia, tuttavia, rende tale reazione irreversibile, per cui la molecola di emoglobina resterà glicata sino alla morte del globulo rosso (120 giorni).

48 Dosaggio emoglobina glicosilata(hba1c) L emoglobina glicosilata rappresenta il prodotto di una reazione non enzimatica di condensazione tra il gruppo aldeidico del glucosio e il gruppo amminico N- terminaledelle catene βdella Hb. L entità della glicazione è proporzionale alla concentrazione di glucosio ed al tempo di contatto. Le emoglobine glicate vengono dosate mediante tecniche cromatografiche (scambio ionico, affinità, HPLC) oppure isoelettrofocalizzazione o elettroforesi capillare.