Molekulare Zielstrukturen im Alloxan-induzierten Diabetesmodell der Maus

• Main Author: Schulte im Walde, Sabine
• Other Authors: Universität Leipzig, Veterinärmedizinische Fakultät
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: Universitätsbibliothek Leipzig 2004
• Subjects: Tiermedizin; Alloxan; Diabetes mellitus; Glucosetransporter 2; Glucokinase; ddc:620
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa-33556; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa-33556; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/3355/6.1.pdf

Alloxan (ALX) ist ein klassisches Diabetogen, welches in Nagetieren spezifisch pankreatische ß-Zellen zerstört und Symptome induziert, die dem humanen Typ-1-Diabetes vergleichbar sind. Durch eine einmalige, intravenöse (iv) Injektion einer subtoxischen Dosis von 50 mg ALX/kg Körpergewicht (KG) werden Schäden an der ß-Zelle hervorgerufen, die innerhalb von 48-72 Stunden in 50% der Mäuse einen Diabetes auslösen (Schwellenwert Euglykämie zu Hyperglykämie ist 11,1 mmol/l). Das toxische Potential von ALX besteht in der Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), vorwiegend Superoxidanion-, Wasserstoffperoxid- und Hydroxylradikalen. Ziel der vorliegenden Arbeit war zu untersuchen, ob durch ALX präferentiell Strukturen der ß-Zelle zerstört werden, die essentiell für die ß-Zellfunktion – die Insulinproduktion – sind. Diese sind u.a. der Glucosetransporter 2 (GLUT2), die Glucokinase und das Proinsulin. Daran anschliessend stellte sich die Frage, ob ALX-Toxizität durch Vorbehandlung mit D-Glucose (D-G), 5-Thio-D-Glucose (5-T-G) oder mit Zink-angereichertem Trinkwasser – zur Anreicherung des Antioxidants Metallothionein - verhindert werden kann. Hierzu wurden männliche C57BL/6- und 129S3-Mäuse entweder einmalig iv mit D-G oder 5-T-G vorbehandelt oder die Mäuse erhielten eine Woche vor der ALX-Injektion und über die gesamte Versuchsdauer hinweg Zink-angereichertes Trinkwasser. Anschliessend wurde der Einfluss auf den ALX-induzierten Diabetes, die orale Glucosetoleranz und die mRNA-Expression der oben genannten Gene mittels RT-PCR untersucht. Der Gesamtinsulingehalt der ALX-behandelten Pancreata wurde über die Bestimmung des immunreaktiven Insulins ermittelt. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass 1.) die Vorbehandlung mit D-G den ALX-induzierten Diabetes signifikant (p0,001) verhinderte; 2.) trotz Euglykämie in mit D-G- und ALX-behandelten Mäusen eine pathologische orale Glucosetoleranz über Wochen als ALX-Folgeschaden persistierte; 3.) die Vorbehandlung mit 5-T-G, dem chemisch der D-G ähnlichsten Analog, jedoch den ALX-induzierten Diabetes signifikant (p0,001) potenzierte; 4.) Zink-angereichertes Trinkwasser die ALX-induzierte Hyperglykämie signifikant (p0,001) reduzierte; 5.) ALX zunächst die mRNA-Expression des GLUT2 signifikant (p0,001) reduzierte und nachfolgend auch signifikant (p0,05) die mRNA-Expression der Glucokinase, wenn auch weniger ausgeprägt als für die GLUT2-Expression; 6.) ALX keine Veränderung der mRNA-Expression von Proinsulin auslöste; 7.) die Vorbehandlung mit D-G signifikant (p0,05) die ALX-induzierte Reduktion der mRNA-Expression von GLUT2 und der Glucokinase verhinderte und 8.) der Insulingehalt im gesamten Pankreas 24 h nach ALX-Injektion signifikant (p0,05) reduziert wurde. Es wird geschlussfolgert, dass der GLUT2 und die Glucokinase primäre Zielstrukturen der ALX-Toxizität unter den verwendeten Versuchsbedingungen sind. Diese Läsionen sind die Ursache für den Diabetes. Durch Vorbehandlung mit D-G können der GLUT2 und die Glucokinase vor ALX-Toxizität geschützt werden, obwohl trotz Euglykämie unter physiologischen Bedingungen eine pathologische orale Glucosetoleranz als ALX-Folgeschaden in den Mäusen persistierte. Es muß noch geklärt werden, worin die Gründe für den protektiven Effekt der D-G und den potenzierenden Effekt der 5-T-G liegen und inwieweit ALX-induzierte Radikale selektiv wirksam sind, oder ob diese Selektivität auf anderen Mechanismen, wie z.B. Transkriptionsfaktoren, beruht. Letztendlich zeigen diese Befunde, dass sich der pathogenetische Mechanismus von ALX von anderen Diabetogenen unterscheidet, wie z.B. Streptozotozin, welches selektiv den GLUT2 schädigt, der durch Vorbehandlung mit 5-T-G vor der Streptozotocin-Toxizität geschützt werden kann. Daraus ist abzuleiten, dass es in der Präventivmedizin unterschiedlicher Vorsorgemassnahmen bedarf, um Risiko-patienten vor der Manifestation eines Diabetes mellitus zu schützen. === Type 1 diabetes results from irreversible damage of insulin-producing ß-cells. In laboratory animals, diabetes can be induced with alloxan (ALX). ALX is a potent generator of reactive oxygen species (ROS), which can mediate ß-cell toxicity. However, the initial lesions on essential ß-cell structures are not known. In this study, we analyzed the effect of ALX on the glucose transporter 2 (GLUT2), glucokinase and proinsulin. For this purpose, we investigated the effect of pretreatment with the glucose analogues D-glucose (D-G) and 5-thio-D-glucose (5-T-G), as well as with zinc-enriched drinking water to induce the antioxidant metallothionein, on ALX-induced diabetes, on oral glucose tolerance (OGT) and on the mRNA-expression of the above mentioned genes with semiquantitative RT-PCR in male C57BL/6 and 129S3 mice. The total insulin content of ALX-treated pancreata was determined as immune reactive insulin. One single intravenous (iv) injection of 50 mg ALX/kg body weight (bwt) induced diabetes in 50% of mice of both strains (blood glucose level 11.1 mmol/l). One single iv preinjection of D-G prevented significantly (p0,001) diabetes in both strains, yet, in these euglycemic mice, an impaired oral glucose tolerance persisted. In contrast, the pretreatment with a single injection of 5-T-G potentiated significantly (p0,001) the toxicity of ALX. Administration of zinc-enriched drinking water, however, reduced ALX-induced hyperglycemia (p0,001). The mRNA-expression of GLUT2 and glucokinase was time-dependently reduced and the effect was more pronounced for GLUT2 (p0,001) than for glucokinase (p0,05). The pretreatment with D-G protected against the mRNA-reduction of both GLUT2 and glucokinase (p0,05). Interestingly, the mRNA-expression of proinsulin remained unaffected as well as the pancreatic total insulin content. A significant (p0,05) reduction of pancreatic insulin content was found after 24 h. In conclusion, ALX exerts differential toxicity on essential ß-cell structures. This toxic effect was more pronounced for GLUT2 than for glucokinase mRNA. Pretreatment with D-G prevented ALX-toxicity, whereas in euglycemic mice an impaired oral glucose tolerance persisted. It has to be elucidated, whether ALX-induced ROS select essential ß-cell structures or whether, as one possibility, transcription factors in the ß-cell are specifically directing ROS to GLUT2 and glucokinase mRNA. Finally, these results differ from those obtained with other diabetogens, e.g., streptozotocin, which exerts selective toxicity on the GLUT2 and which is prevented by 5-T-G. However, diabetogens damage ß-cell function through different pathogenic pathways and, therefore, different interventional regimen may be required to prevent type 1 diabetes in individuals at risk.