Vol. 7/2008 Nr 1(22) Endokrynologia Pediatryczna Pediatric Endocrinology Rola witaminy The role of vitamin in type 1 diabetes mellitus Leszek Szewczyk, Robert Piekarski Klinika Endokrynologii i Neurologii Dziecięcej, Uniwersytet Medyczny w Lublinie Department of Pediatric Endocrinology and Neurology, Medical University in Lublin Adres do korespondencji: prof. Leszek Szewczyk, Klinika Endokrynologii i Neurologii Dziecięcej, Uniwersytet Medyczny w Lublinie, ul. Chodźki 2, 20-093 Lublin, l.szewczyk@wp.pl Grant MNiSzW nr N N407 3100 33 Słowa kluczowe: cukrzyca typu 1, ochronna rola witaminy Key words: type 1 diabetes mellitus, protective role of vitamin STRESZCZENIE/ABSTRACT W pracy przedstawiono aktualne dane dotyczące roli witaminy. Zwrócono uwagę na wewnątrzkomórkowy mechanizm działania witaminy D oraz immunomodulacyjną rolę wit. w cukrzycy. Poruszono znaczenie witaminy 3 w prewencji cukrzycy typu 1 oraz możliwości ochrony niezniszczonych jeszcze komórek beta w chwili rozpoznania cukrzycy. Endokrynol. Ped., 7/2008;1(22):65-70 We present current data concerning the role of vitamin in type 1 diabetes mellitus. This review provides an overview of the data available on the intracellular mechanisms of vit. action and immunomodulatory effects of vitamin. We discusses possible significance of vitamin in type 1 diabetes mellitus prevention and the possibility of residual pancreatic beta cells protection on the onset of diabetes. Pediatr. Endocrinol., 7/2008;1(22):65-70 Rola witaminy (wit. ) w organizmie człowieka powszechnie kojarzona jest z regulacją gospodarki wapniowo-fosforanowej. Przewlekły niedobór witaminy prowadzi do wystąpienia objawów krzywicy we wczesnym okresie rozwojowym oraz osteomalacji w wieku dojrzałym. Głównym źródłem wit jest produkcja endogenna aktywnej formy witaminy (1,25(OH) 23 ) w wyniku przemian metabolicznych od 7-dehydrocholesterolu przekształcanego w skórze pod wpływem światła słonecznego (UVB) do prowitaminy, która w wątrobie jest metabolizowana do 25OH by ostatecznie w nerkach ulec przekształceniu w związek metabolicznie aktywny 1,25(OH) 23 [1]. Drugim ważnym źródłem wit. zwłaszcza w miesiącach zimowych, kiedy dostępność światła słonecznego jest niewystarczająca jest pożywienie. Tymczasem wyniki ogólnopolskich badań żywieniowych przeprowadzone przez Instytut Żywności i Żywienia pod auspicjami FAO na ogólnej populacji dzieci polskich wskazują, że aż 94,6% dzieci w Polsce spożywa witaminę D w dawce mniejszej od
Praca przeglądowa Endokrynol. Ped., 7/2008;1(22):65-70 zalecanej [2]. Podobnie badanie przeprowadzone na populacji dzieci polskich w okresie przedszkolnym potwierdza występowanie przewlekłych niedoborów witaminy D w diecie aż 99% dzieci [3]. Komórkowy mechanizm działania wit. Jedyną metabolicznie czynną formą wit. jest 1,25(OH) 2, która wywiera swoje działanie na liczne komórki po uprzednim związaniu ze swoistym receptorem jądrowym. VDR należy do czynników transkrypcyjnych, reguluje czynność wielu genów [4]. W ostatnich latach poznano lepiej mechanizmy komórkowe regulujące transkrypcję genów stymulowaną połączeniem 1,25(OH) 2 ze swoistym receptorem. Po związaniu liganda z VDR, w obrębie receptora zachodzą zmiany konformacyjne umożliwiające wytworzenie kompleksu z innym czynnikiem transkrypcyjnym RXR (retinoic X receptor). Kompleksy VDR-RXR łączą się ze specyficznymi sekwencjami DNA nazwanymi VDREs (vitamin D response elements) zlokalizowanymi w obrębie promotorów docelowych genów. Następnie dochodzi do uwolnienia białek represorowych (Co-R) z powierzchni VDR umożliwiając tym samym interakcję receptora witaminy z białkami aktywującymi (Co-A). W wyniku tych procesów zachodzą zmiany w konformacji chromatyny umożliwiające związanie VDR z kompleksem transkrypcyjnym polimerazy II RNA (Pol II), ostatecznie zapoczątkowana zostaje transkrypcja genów [5,6]. Immunomodulacyjna rola wit. Odkrycie receptorów dla wit. (VDR- vitamin D receptor) w wielu różnych komórkach potwierdza wcześniejsze przypuszczenie o znacznie szerszym spektrum działania witaminy niż znane oddziaływanie na gospodarkę wapniowo-fosforanową. Szczególnie istotne okazało się odkrycie VDR w komórkach układu odpornościowego (makrofagi, komórki dendrytyczne, aktywowane L T i L B ) [7,8]. Obecnie wiadomo, że wit. wywiera istotne działanie immunomodulacyjne podejmuje się próby prewencji chorób o podłożu autoimmunologicznym oraz regulujące wzrost, dojrzewanie i różnicowanie komórek próby zastosowania w prewencji nowotworów. Badania prowadzone głównie na modelach zwierzęcych wskazują na ochronny wpływ stosowania suplementacji wit. na częstość występowania cukrzycy typu 1, stwardnienia rozsianego, reumatoidalnego zapalenia stawów, choroby Leśniowskiego-Crohna [9,10,11]. Już w 1941 r. Apperley stwierdził, że osoby zamieszkujące stany północne Ameryki wykazują większe ryzyko ujawnienia nowotworu w porównaniu z osobami żyjącymi w stanach południowych Ameryki jak Teras czy Alabama [12]. Podobne obserwacje kliniczne wskazują na istnienie związku między częstością występowania nowotworu oraz chorób o podłożu autoimmunologicznym a poziomem 25(OH) we krwi, długością geograficzną, czasem ekspozycji na światło słoneczne [13,14]. Witamina a cukrzyca typu 1 W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się właściwościom immunomodulacyjnym wit. orz roli w prewencji i leczeniu chorób o podłożu autoimmunologicznym m.in. cukrzycy typu 1. Wcześniejsze badania epidemiologiczne wskazują na związek pomiędzy częstością występowania cukrzycy typu 1 a długością geograficzną, wielkością dziennej ekspozycji na światło słoneczne [15]. Porównując wskaźniki zapadalności na cukrzycę typu 1 w poszczególnych krajach (najwyższa częstość występowania w Europie w krajach skandynawskich Finlandia, w Stanach Zjednoczonych północne stany Ameryki) wysunięto przypuszczenie, że niedobory wit mogą odpowiadać za zdecydowanie częstsze występowanie tej jednostki chorobowej w krajach o niskim nasłonecznieniu. W 1999 roku opublikowano wyniki wieloośrodkowego badania EURODIAB wskazujące na protekcyjny wpływ suplementacji wit. w niemowlęctwie poprzez immunomodulacyjny wpływ na sprzyjające i szkodliwe czynniki środowiskowe [16]. W efekcie suplementacja wit. w niemowlęctwie wiąże się ze spadkiem ryzyka wystąpienia cukrzycy typu 1. Dyskutowana jest tylko kwestia stosowanej skutecznej niehyperkalcemicznej dawki. Podobnie duże populacyjne badania pod kierunkiem Stene a wykazały zmniejszenie ryzyka zachorowania na cukrzycę typu 1 w grupie dzieci które w okresie niemowlęctwa przyjmowały tran [17]. Wyniki pracy Hypponena wskazują nie tylko na pozytywny wpływ stosowanej dawki wit. w niemowlęctwie na częstość występowania cukrzycy w późniejszych latach, lecz również na znacznie częstsze występowanie cukrzycy typu 1 w grupie dzieci z krzywicą [18]. Dwa lata później ukazały się wyniki badania DAISY (The Diabetes Autoimmunity Study In the Young) wykazujące odwrotną korela- 66
Leszek Szewczyk i inni Rola witaminy cję między stosowaniem suplementacji preparatami wit. u kobiet w czasie ciąży a późniejszą obecnością autoprzeciwciał u potomków [19]. Wskazuje się zatem na korzystny prewencyjny wpływ wit. na pojawianie się cukrzycy typu 1, na mniejsze ryzyko zachorowania przy przyjmowaniu wit., a większe przy jej niedoborach [20,21,22]. Wg Mathieu i Adorini [23] oraz Valdmana [24] wynika to z hamowania sekrecji przeciwciał przeciw komórkom β, co może przedłużać przetrwanie wysp trzustki. Obok prób prewencji cukrzycy typu 1 trwają intensywne badania skupiające się m. in. na możliwości ochrony niezniszczonych jeszcze komórek beta w chwili rozpoznania cukrzycy. Trwają też prace nad poszukiwaniem możliwości neogenezy wysp trzustki. Badania eksperymentalne Gregori i in. na zwierzętach sugerują możliwość stosowania wit. w leczeniu autoimmunologicznej cukrzycy u ludzi [25]. Nieliczne prace wskazują na korzystną rolę analogów wit. w utrzymaniu aktywności komórek beta u osób ze świeżo rozpoznaną cukrzycą typu 1 [26,27]. Pozzilli i in. stwierdzili niskie stężenie wit. u nastolatków ze świeżo rozpoznaną cukrzycą, wnioskując, że suplementacja wit. byłaby korzystna także w rozpoznanej cukrzycy typu 1 w celu ochrony przed destrukcją resztkowych komórek beta [28]. Wstępne obserwacje własne dotyczące wdrożenia podawania dzieciom ze świeżo rozpoznaną cukrzycą typu 1 preparatów wit., a następnie obserwacji ich zapotrzebowania na insulinę wykazały utrzymywanie się remisji po roku leczenia [29]. Immunomodulacyjna rola wit. Aktywna forma witaminy (1,25(OH) 2 ) wywiera swoje działanie immunomodulacyjne poprzez swoiste receptory jądrowe (VDR). Ostatnio podkreśla się, że ryzyko wystąpienia cukrzycy typu 1 zależy m.in. od polimorfizmu genu receptora dla wit. [30]. Znane są 4 warianty alleliczne genu VDR: FokI, BsmI, ApaI oraz Taq o potencjalnej roli w klinicznym ujawnieniu cukrzycy. Badania populacji indyjskiej, tajwańskiej oraz niemieckiej wskazują na większe ryzyko zachorowania na cukrzycę typu 1 u osób z obecnym allelem BsmI [31,32,33]. Badania Bana oceniające polimorfizm VDR w miejscu restrykcyjnym FokI przeprowadzone na populacji japońskiej wykazały natomiast większe ryzyko ujawnienia się cukrzycy przy obecności dodatkowych 3 aminokwasów w regionie N-końcowym FokI [34]. Odkrycie receptorów dla 1α,25(OH) 2 na wielu komórkach układu immunologicznego, w tym na komórkach prezentujących antygen (makrofagi, komórki dendrytyczne), aktywowanych L T i L B powoduje, że oddziaływanie tej witaminy na układ immunologiczny może być wielokierunkowe. Co więcej, dzięki obecności 1α hydroksylazy wit. aktywowane makrofagi oraz komórki dendrytyczne mogą syntetyzować i wydzielać aktywną formę wit., tym samym regulować poziom wit. miejscowo w ognisku zapalnym [1]. Badania eksperymentalne przeprowadzone na modelach zwierzęcych wykazały oddziaływanie wit. na komórki prezentujące antygen, zwłaszcza komórki dendrytyczne, wpływając na hamowanie zdolności prezentacji antygenu, dojrzewanie i różnicowanie komórek dendrytycznych. Zmniejszona ekspresja antygenów HLA kl. II oraz cząstek adhezyjnych (CD80, CD86) niezbędnych do stymulacji LT w połączeniu z hamowaniem syntezy IL12 promuje odpowiedź TH2 [35]. Zmniejszenie sekrecji IL-12 pod wpływem 1α,25(OH) 2 wynika z bezpośredniego oddziaływania witaminy przez VDR na ekspresję czynnika jądrowego κb (NF-κB) [36]. Zaburzenie równowagi Th 1 /Th 2 na korzyść Th1 jest kluczowym elementem w patogenezie cukrzycy typu 1. Produkowane przez populację limfocytów Th 1 cytokiny IFNγ, TNFα,IL-2 odpowiadają za stymulację odpowiedzi komórkowej infiltrację komórek beta wysp trzustki przez różne subpopulacje komórek jak makrofagi, komórki dendrytyczne, limfocyty cytotoksyczne CD8+, prowadząc do destrukcji wysp trzustki i ujawnienia objawowej klinicznie cukrzycy typu 1 [37]. Wydaje się, że wit. D3 może bezpośrednio oddziaływać na różne subpopulacje L T. Wykazano zmniejszoną syntezę IL-2 oraz IFNγ, cytokin odpowiedzialnych za aktywację komórek efektorowych, cytotoksycznych, kluczowych elementów odpowiedzialnych za niszczenie komórek beta. Sekrecja IL-2 ulega hamowaniu w wyniku blokowania formowania kompleksu NFAT (nuclear factor of activated T-cells) przez heterodimery VDR-RXR związane z dystalnym miejscem wiążącym NFAT promotora dla IL-2 [38]. Zmniejszenie sekrecji IFNγprzez wit wynika z wiązania heterodimeru VDR-RXR z VDREs części promotorowej genu kodującego IFNγ[39]. 67
Praca przeglądowa Endokrynol. Ped., 7/2008;1(22):65-70 Ostatnie badania wskazują na korzystną regulację funkcji komórek T regulatorowych (Tregs) przez wit. [40]. Dominującą populację wśród tych komórek stanowią L Th +CD25+FOXP3, które ogrywają podstawową rolę w zjawisku tolerancji. Badania pod kierunkiem Gregoriego prowadzone na modelu mysim NOD wykazały zwiększenie odsetka komórek regulatorowych w węzłach chłonnych trzustki po zastosowaniu analogu wit. [25]. Według autorów zwiększenie odsetka tych komórek może wynikać z interakcji z niedojrzałymi komórkami dendrytycznymi o fenotypie supresorowym pod wpływem witaminy D. Podsumowując, istnieje wiele przekonujących dowodów na udział wit. i jej analogów nie tylko w regulacji gospodarki wapniowo-fosforanowej, ale również na jej immunomodulacyjne właściwości oraz rolę w prewencji i leczeniu chorób o podłożu autoimmunologicznym m. in. cukrzycy typu 1. PIŚMIENNICTWO/REFERENCES [1] Mathieu C., Gyseman C., Giulietti A., Bonillon R.: Vitamin Witamin and diabetes. Diabetologia, 2005:48,1247-1257. [2] Szponar L. et al.: Badania indywidualnego spożycia żywności I stanu odżywienia w gospodarstwach domowych. Prace Instytutu Żywności i Żywienia, 2003:101. [3] Charzewska J. Weker H.: Ogólnopolskie badanie nad zawartością wapnia i witaminy D w dietach dzieci w wieku 4 lat. Pediatr. Współcz. Gastroenterol. Hepatol. Żywienie Dziecka, 2006:8,107-109. [4] Rochel N. et al.: The crystal structure of the nuclear receptor for vitamin D bound to its natural ligand. Mol. Cell., 2000: 5,173 179. [5] Christakos S, et al.: Vitamin D target proteins: function and regulation. J. Cell. Biochem., 2003:88,238 244. [6] Maestro B., Davila N., Carranza M.C., Calle C.: Identification of a vitamin D response element in the human insulin receptor gene promoter. J. Steroid Biochem. Mol. Biol., 2003:84,223 230. [7] Mathieu C. et al.:vitamin D and 1,25-dihydroxyvitamin D(3) as modulators in the immune system. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2004:89 90,449 452. [8] Mathieu C., Adorini L.: The coming of age of 1,25-dihydroxyvitamin D3 analogs as immunomodulatory agents. Trends Mol. Med., 2002:8,174 179. [9] Holick M.F.: Vitamin D: importance in the prevention of cancers, type 1 diabetes, heart disease, and osteoporosis. Am. J. Clin. Nutr., 2004:79,362 371. [10] Mathieu C., Waer M., Laureys J., Rutgeerts O., Bouillon R.: Prevention of autoimmune diabetes in NOD mice by 1,25 dihydroxyvitamin D3. Diabetologia, 1994: 37, 552 558. [11] Cantorna M.T., Hayes C.E., DeLuca H.F.: 1,25-Dihydroxyvitamin D3 reversibly blocks the progression of relapsing encephalomyelitis, a model of multiple sclerosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996:93,7861 7864. [12] Apperly F.L.: The relation of solar radiation to cancer mortality in North America. Cancer Res., 1941:1,191 195. [13] Garland C.F. et al.:. Serum 25-hydroxyvitaminDand colon cancer: eight-year prospective study. Lancet 1989:18,1176 1178. [14] Hanchette C.L., Schwartz G.G.: Geographic patterns of prostate cancer mortality: evidence for a protective effect of ultraviolet radiation. Cancer, 1992:70,2861 2869. [15] Karvonen M., Jantti V., Muntoni S. et al.: Comparison of the seasonal pattern in the clinical onset of IDDM in Finland and Sardinia. Diabetes Care, 1998:21,1101 1109. [16] Eurodiab Substudy 2 Study Group. Vitamin D supplement in early childhood and risk for type 1 diabetes mellitus. Diabetologia, 1999:42,51-54. [17] Stene L.C., Joner G.: Use of cod liver oil during the first year of life is associated with lower risk of childhood-onset type 1 diabetes: a large, population-based, case-control study. Am. J. Clin. Nutr., 2003:78,1128 1134. [18] Hypponen E., Laara E., Reunanen A., Jarvelin M.R., Virtanen S.M.: Intake of vitamin D and risk of type 1 diabetes: a birthcohort study. Lancet, 2001:358,1500 1503. [19] Fronczak C.M., Baron A.E., Chase H.P. et al.: In utero dietary exposures and risk of islet autoimmunity in children. Diabetes Care 2003:26,3237 3242. [20] Giuletti A., Gysemans C., Stoffels K. et al.: Vitamin D deficiency in early life accelerates type 1 diabetes in non-obese diabetic mice. Diabetologia, 2004:47,451-462. [21] Holick M.F.: The vitamin D epidemic and its health consequences. J. Nutr., 2005:135,2739-2748. [22] Zella J.B., McCary L.C., DeLuca H.F.: Oral administration of 1,25-dihydroxy vitamin completely protects NOD mice from insulin dependent diabetes mellitus. Arch. Biochem. Biophisics, 2003:417,77-80. [23] Matieu C., Adorini L.: The coming of age of 1,25-dihydroxyvitamin analogs as immunomodulatory agents. Trends Mol. Med., 2002:8,174-179. 68
Leszek Szewczyk i inni Rola witaminy [24] Valdman C.M., Cantorna M.T., DeLuka H.F.: Expression of 1,25-dihydroxy vitamin receptor in the immune system. Arch. Biochem. and Biophysics, 2000:374,334-338. [25] Gregori S., Giarratana N., Smiroldo S. et al.: A 1α, 25-Dihydroxyvitamin analog enhances regulatory T-cells and arrests autoimmune diabetes in NOD mice. Diabetes 2002:51,1367-1374. [26] Pozzilli P.O., Crino A., Costantino F. et al.: Vitamin D supplementation in patients with recent onset type 1 diabetes. IM DIAB XI Trial. Diabetes, 2003:52, suppl. 1. A44. [27] Ziegler A.G., Walter M., Koczwara K. et al.: 1,25 Dihydroxy-vitamin for preservation of beta cell function in patients with newly diagnosed type 1 diabetes. Diabetes. Metabolism, 2003:29,4545-4546. [28] Pozzilli P., Manfrini S., Crino A. et al.: Low levels of 25-hydroxyvitamin and 1,25-dihydroxyvitamin in patients with newly diagnosed type 1 diabetes. Horm. Metab. Res., 2005:680-683. [29] Szewczyk L., Azab Y., Bury A., Piekarski R.: Does Alfacalcidol prevent pancreatic beta cells from further destruction in children at the early stage of type 1 Diabetes Mellitus? Polish Journal of Environmental Studies 2006:15,5B, 654-657. [30] Haussler M.R., Whitfield G.K., Haussler C.A. et al;: The nuclear vitamin D receptor: biological and molecular regulatory properties revealed. J. Bone Miner. Res., 1998:13,325 349. [31] McDermott M.F. et al.: Allelic variation in the vitamin D receptor influences susceptibility to IDDM in Indian Asians. Diabetologia, 1997:49,504-507. [32] Chang T.J. et al.: Vitamin D receptor gene polymorphisms influence susceptibility to type 1 diabetes mellitus in the Taiwanese population. Clin. Endocrinol., 2000:52,575-580. [33] Pani M.A. et al.: Vitamin D receptor allele combinations influence genetic susceptibility to the type 1 diabetes in Germans. Diabetes, 2000:49,504-507. [34] Ban Y. et al.: Vitamin D receptor initiation codon polymorphism influences genetic susceptibility to type 1 diabetes mellitus in the Japanese population. BMC Med. Genet., 2001:2,7. [35] Angelini F., Del Luca E., Piccinini S. et al.: Altered phenotype and function of dendritic cells in children with type 1 diabetes. Clin Exp Immunol., 2005:42, 341-346. [36] D Ambrosio D., Cippitelli M., Cocciolo M.G. et al.: Inhibition of IL-12 production by 1,25-dihydroxyvitamin D3. Involvement of NF-kappaB downregulation in transcriptional repression of the p40 gene. J. Clin. Invest. 1998:101,252 262. [37] Benoist C. et al.: Cell death mediators in autoimmune diabetes No shortage of suspects. Cell, 1997:89,1-3. [38] Takeuchi A. et al.: Nuclear factor of activated T cells (NFAT) as a molecular target for 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3-mediated effects. J. Immunol., 1998: 160,209 218. [39] Cippitelli M., Santoni A.: Vitamin D3: a transcriptional modulator of the interferon-gamma gene Eur. J. Immunol., 1998: 28,3017 3030. [40] Maloy K.J., Powrie F.: Regulatory T cells in the control of immune pathology. Nat. Immunol. 2001:2,816-822. 69