Cytokiner i intern medicin - relation til insulinresistens og motion

Cytokiner er signalstoffer, der oprindelig blev opdaget i immunsystemet og følgelig primært har været tillagt immunologiske funktioner. Ny viden tyder på, at visse cytokiner har funktioner, der ligger langt ud over, hvad man forbinder med immunfunktion.

I denne artikel fokuseres der overvejende på cytokinerne tumour necrosis factorα (TNF) og interleukin (IL)-6. TNF er det første cytokin, der produceres ved infektion eller vævsskade. TNF inducerer produktion af IL-1 og derefter IL-6, der igen hæmmer produktionen af TNF. TNF er et klassisk proinflammatorisk cytokin, mens IL-6 har stærke anti-inflammatoriske effekter. IL-6 hæmmer således TNF-produktionen og inducerer derudover produktion af andre antiinflammatoriske cytokiner, primært IL-1-receptor-antagonist (IL-1ra), der hæmmer funktionen af IL-1 samt induktionen af det akutte faseprotein C reaktivt protein. TNF og IL-6 er således tæt forbundne (Fig. 1).

Ved akutte infektionstilstande er det væsentligt at etablere et stærkt proinflammatorisk respons, mens kronisk forhøjelse af TNF er uhensigtsmæssig. Denne hypotese fremsættes på tværs af verdenslitteraturen, der i disse år fokuserer på IL-6 som »det onde cytokin« (1). Høje plasmaværdier af IL-6 er relateret til rygning, fedme, insulinresistens, type 2-diabetes, høj alder og arteriosklerose (1). Både TNF og IL-6 produceres af fedtvævet, men den ide, der her føres frem, er, at fedtderiveret TNF og ikke IL-6 er det cytokin, der driver udvikling af insulinresistens (Fig. 2). I forlængelse heraf bør TNF benævnes »den onde«, mens IL-6 hæmmer produktionen af TNF og dermed fortjener betegnelsen »den gode«.

Epidemiologisk baggrund

I tre uafhængige kohortestudier har vi vist, at såvel koncentrationerne af plasma-TNF som plasma-IL-6 stiger med alderen (2). Imidlertid er det kun TNF, og ikke IL-6, der er associeret med aterosklerose (2). Vi har endvidere vist, at både høje koncentrationer af TNF og IL-6 er associeret med mængden af abdominalt fedtvæv i univariatanalyse, mens kun TNF var associeret i multivariatanalyse. Sidstnævnte afspejler, hvorfor der kan være divergerende opfattelser af, hvilket cytokin der er mekanistisk associeret med insulinresistens, fedme og aterosklerose. De to cytokiner er som anført tæt forbundne (Fig. 1), og deres niveauer korrelerer derfor indbyrdes. Imidlertid viser basale studier, at TNF inducerer insulinresistens ved at nedregulere GLUT4-receptoren og hæmme insulinreceptorens funktion. I aktuelle studier, hvor vi har indgivet IL-6 til såvel unge som gamle, finder vi, at IL-6 ikke inducerer insulinresistens.

Fysisk aktivitet og IL-6

Plasmakoncentrationen af IL-6 stiger i forbindelse med fysisk aktivitet (3-5). Stigningen kan være mere end hundredfold, afhængig af varighed og intensitet. IL-6-stigningen er markant også ved fysisk aktivitet uden nogen form for muskelskade. Plasmakoncentrationen af TNF stiger derimod som hovedregel ikke under muskelarbejde, mens samtlige kendte anti-inflammatoriske cytokiner stiger markant (Fig. 3).

• IL-6 produceres lokalt i arbejdende muskler, frigives til cirkulationen i store mængder og cleares i leveren.

I muskelbiopsier fra såvel dyr som mennesker har vi fundet, at IL-6-mRNA er meget lavt i hvile, men stiger op til mere end 100 gange ved muskelarbejde (6, 7) (Fig. 4).

Immunhistokemiske undersøgelser viser, at IL-6-proteinet er til stede i muskelbiopsier, der er udtaget efter arbejde. Muskelcellekulturer, der er etableret fra muskelbiopsier fra mennesker, producerer IL-6, når calciuminflux øges. Ved muskelkontraktion sker der umiddelbart influx af calcium til muskelcellerne. Det er således sandsynligt, at det er selve muskelcellerne, der producerer IL-6-cytokinet under arbejde.

Ved at indlægge et kateter i vena femoralis har vi endvidere kunnet beregne, at IL-6 frigives fra et arbejdende ben, men ikke fra et hvilende ben hos samme person (8). IL-6-frigivelsen er betydelig og kan mere end fuldt ud forklare den systemiske stigning (Fig. 5).

Igangværende studier, hvor forsøgspersoner udfører cykelarbejde med et kateter også i levervenen, viser, at IL-6 cleares i det splankniske gebet.

Den biologiske funktion af muskelderiveret IL-6

Lokal funktion

IL-6 udøver signaltransduktion lokalt i musklerne (3-5) (Fig. 6).

Klassiske target-gener for IL-6 aktiveres således i arbejdende muskler (C/EBP-β; C/EBP-γ og STAT3). Under muskelarbejde opreguleres TNF-genet, men nedreguleres hurtigt igen, samtidig med at IL-6-mRNA stiger. Det er således muligt, at det lokalt producerede IL-6 har til funktion at hæmme aktiveringen af TNF-genet.

Sidstnævnte er af umiddelbar biologisk betydning, idet patienter med insulinresistens har høje TNF-mRNA-koncentrationer i musklerne. Da TNF inducerer insulinresistens, er det muligt, at IL-6-produktionen er endnu en mekanisme, hvorved muskelarbejde forebygger/behandler insulinresistens.

• IL-6 inducerer siganaltransduktion i arbejdende muskler

Hormonal funktion

Da IL-6 frigives i store mængder til cirkulationen, er det nærliggende at spørge, om muskelderiveret IL-6 fungerer som et hormon. Jo mere muskl erne arbejder, jo større er energiomsætningen. Musklerne kan forbruge både sukker og fedt. Ved hårdt arbejde er glykogendepoterne særlig vigtige, men ved langvarigt arbejde bliver fedt som energikilde tiltagende vigtig. Det har i mange år været et uafklaret spørgsmål, hvorledes musklerne signalerer til leveren om at frisætte glukose med henblik på, at de kan optage glukose fra blodet under arbejde, uden at væsentlig hypoglykæmi indtræder. Det er ligeledes ikke fuldt forstået, hvorledes lipolysen reguleres under arbejde. Det første spørgsmål, vi i den forbindelse søgte at belyse, var, i hvilket omfang energikrise lokalt i musklerne var en stimulus for IL-6-produktion.

Forsøgspersoner blev derfor sat til at tømme det ene ben for glykogen ved at udføre muskelarbejde med kun det ene ben dagen før selve eksperimentet, hvor de udførte muskelarbejde med begge ben (ét ben der var glykogendepleteret og ét kontrolben). De systemiske koncentrationer af bl.a. glukose og hormoner er i denne model således ens i begge ben, og modellen tillader at adskille lokale og systemiske faktorer (Fig. 7).

Forsøget viste, at IL-6-mRNA i muskelbiopsier var højest i det glykogendepleterede ben, og at også frisættelsen af IL-6 var betydelig hurtigere fra det ben med lavt glykogenniveau (9). Tilsvarende fund blev gjort i et efterfølgende forsøg, hvor vi studerede transkriptionshastigheden af IL-6-genet i muskelcellekerner isoleret i relation til muskelkontraktioner og glykogenniveau (Fig. 8).

I hvile er IL-6-genet helt tyst, men under muskelkontraktioner er transkriptionshastigheden meget hurtig og øges yderligere af glykogentomhed (10). Man kender ingen andre gener i musklerne, der aktiveres hurtigere under arbejde end IL-6-genet, og ingen andre gener, der øges tilsvarende.

• Lavt muskelglykogenniveau øger transkriptionshastigheden af IL-6-genet.

IL-6-produktionen øges således ved energikrise. Med henblik på at belyse, om IL-6 bidrager til at opretholde glukosehomøostase eller inducerer fedtvævet til lipolyse, infunderede vi rekombinant humant IL-6 til forsøgspersoner (Fig. 6). Kulhydrat- og fedtomsætningen blev vurderet ved anvendelse af stabile (ikkeradioaktive) isotoper. IL-6 i fysiologiske koncentrationer, der ikke øger adrenalin- eller glukagonniveauer, inducerer kraftig lipolyse, og vi har dermed identificeret et nyt lipolytisk hormon. Dette er i overensstemmelse med helt nye fund, der viser, at IL-6-defekte knockout-mus udvikler sent indsættende fedme og insulinresistens, men taber i vægt og udvikler normal glukosetolerance ved indgift af IL-6 (11). Vedrørende effekten på glukoseomsætningen er der i arbejdsforsøg korrelation mellem glukoseoptagelse og IL-6-frigivelse, mens IL-6-indgift til raske, hvilende personer ikke påvirker glukosestofskiftet. Betydningen af IL-6-infusion for glukoseoptagelsen hos forsøgspersoner, der udfører langvarigt muskelarbejde, er ved at blive undersøgt. Konklusivt synes det i høj grad sandsynliggjort, at en biologisk funktion af muskelderiveret IL-6 er at inducere lipolyse, mens det endnu er uafklaret, om IL-6 bidrager til opretholdelse af glukosehomøostase under arbejde.

• Fysisk aktivitet og IL-6 hæmmer endotoksininduceret TNF-produktion i mennesker.

Antiinflammatorisk effekt

I tidligere forsøg har man vist, at IL-6 hæmmer TNF-frigivelsen fra endotoksinstimulerede monocytter. Det er endvidere vist, at TNF-produktionen er øget, når IL-6-defekte mus eller anti-IL-6-behandlede dyr udsættes for endotoksin. Vi ønskede at teste den hypotese, at IL-6, der er dannet under fysisk aktivitet, hæmmer TNF-produktionen. Vi etablerede derfor først en model, der tillader at studere TNF-produktion in vivo hos mennesker. Minimale mængder af Escherichiacoli-lipopolysaccharid blev indgivet som bolus til raske forsøgspersoner. I denne model øgedes TNF-koncentrationen i blodet trefold, svarende til den variation man ser mellem unge og ældre med low grade inflammation. Forsøgspersonerne udviklede ikke feber eller andet ubehag. Samme forsøgspersoner udførte tre forsøg, hvor de i randomiseret rækkefølge skulle udføre tre timers cykelarbejde, modtage IL-6-infusion i tre timer eller hvile. I slutningen af interventionen fik de indgivet en lille mængde endotoksin. Såvel cykelarbejde som IL-6-infusion hæmmede endotoksininduceret TNF-produktion. Dette forsøg støtter i høj grad vores antagelse om, at IL-6 produceret under arbejde har antiinflammatorisk effekt (Fig. 6).

Implikationer for klinikken

Hvis vi sætter den historie, der her er fortalt om cytokinbalancen, ind i det internmedicinske perspektiv, er der mange applikationsmuligheder.

Vi bliver i stigende grad opmærksomme på livsstilens betydning for udvikling af de store internmedicinske sygdomme. Betydningen af fysisk aktivitet for sundheden har været negligeret, på trods af at man i talrige epidemiologiske undersøgelser har sandsynliggjort/vist, at 30-40% af den danske befolkning er i sundhedsrisiko alene på grund af fysisk inaktivitet.

Ifølge hypotesen er cytokinmønsteret ved fysisk aktivitet gunstigt. Baseret på sund fornuft er det da også vanskeligt at forestille sig, at den massive IL-6-stigning under fysisk aktivitet skulle være uhensigtsmæssig.

Den her fortalte cytokinhistorie (Fig. 9), er blot endnu én af flere mekanismer, hvorved selv moderat fysisk aktivitet potentielt kan bidrage til hæmning af TNF-induceret insulinresistens og dermed forebygge type 2-diabetes, hjerte-kar-sygdom og præmatur død.

• IL-6 inducerer lipolyse.

Efterspil

Det bliver i den nærmeste fremtid vigtigt at klarlægge signaltransduktionsveje - ikke blot fra IL-6-genet til aktivering/hæmning af andre gener - men i lige så høj grad signaleringsveje fra muskelkontraktionen til aktiveringen af IL-6-genet. Hvad angår cytokiner er det vanskeligt at konkludere fra dyr til mennesker, idet de enkelte cytokiner langtfra er artsspecifikke, og idet fx gnavere har stor endoksintolerance. Imidlertid har selv omfattende eksperimentelle modeller med mennesker (Fig. 9) begrænsninger, og fremtidige studier af den biologiske rolle af muskelderivet IL-6 vil involvere transgene dyr. Det er en ny opdagelse, at muskelceller producerer IL-6. Det bliver vigtigt at klarlægge, om muskelderiveret IL-6 har en isoform, der er forskellig fra den, der produceres af immunceller og fedtvæv. Med andre ord er cytokinhistorien måske mere kompleks end først antaget, og det er sandsynligt, at vi også kommer til at omtale IL-6 som »den gode, den onde og den grusomme«. Endelig er igangværende studier med bl.a. raske ældre og patienter med insulinresistens samt patienter med immuninflammatoriske sygdomme centrale for at afklare dels basale mekanismer, dels den kliniske betydning af muskelderiveret IL-6.

Reprints: Bente Klarlund Pedersen, epidemiklinikken - 7641, Finsencentret, H:S Rigshospitalet, DK-2100 København Ø.

E-mail: bkp@rh.dk

Antaget den 4. marts 2004.

H:S Rigshospitalet, Finsenscentret, epidemiklinikken.

Artiklen er skrevet på basis af forfatterens professortiltrædelsesforelæsning for at belyse aktive frontlinjeforskningsområder i Danmar k.