Sekretin - det første hormon

Sekretin blev opdaget af Starling & Bayliss i 1902. Tre år senere blev den hormonale regulering beskrevet, hvorved den tidlige regulatoriske fysiologi blev bragt et væsentligt skridt fremad. Efter en række år med mislykkede forsøg blev isolering med de nye kromatografiske teknikker og efterfølgende syntese af sekretin udført i 1960'erne. Radioimmunoassay i 1970'erne fastlagde sekretins endelige endokrine rolle. Kloning og molekylær hybridisering i 1990'erne har identificeret produktionssteder i organismen, prækursoren, den genetiske struktur og den udviklingsmæssige relation til andre gastrointestinale peptider samt sekretinreceptoren er beskrevet. Inden for de seneste år er syntetisk sekretin blevet anvendt i funktions- og strukturel diagnostik af pancreaslidelser samt til eksperimentel terapi. Skønt sekretin var den første bioaktive substans, der blev betegnet hormon, er vores viden om stoffet i dag - 100 år senere - ikke komplet.

Hormoner optræder i mange sammenhænge. Mest kendt i større kredse er måske kønshormonerne. De dybtgående effekter af kastration har være kendt siden oldtiden. Fra 1920 har debatten om kønshormoner været intens (1), og i vore dage er anvendelse af disse dagligdag for mange, eksempelvis ved antikonception og substitution i forbindelse med klimakteriet. Et andet berømt hormon er insulin, og en stor andel af den globale substitution af dette hormon fremstilles fortsat i Danmark. De fleste hormoner produceres i velafgrænsede endokrine kirtler og har karakteristiske bortfalds- og overproduktionssyndromer. Medicinsk og kirurgisk behandling af tilstande med over- og underproduktion af hormoner er i dag blandt de evidensbaserede terapier med dokumenteret og ofte stor effekt.

Det første bioaktive stof, der blev betegnet hormon, nemlig sekretin, og på hvis baggrund hormonkonceptet blev udkrystalliseret, adskiller sig imidlertid på mange punkter fra de »traditionelle«, velkendte hormoner. I denne artikel behandles de historiske aspekter af opdagelsen af sekretin, og der gives en oversigt over vor nuværende viden om det først opdagede hormon.

Historisk

Den engelske læge og fysiolog, E.H. Starling (1866-1927), opdagede sekretin i 1902 i samarbejde med fysiologen W.M. Bayliss (1860-1924), og de introducerede tre år senere konceptet om den hormonale regulering, hvorved den tidlige regulatoriske fysiologi blev bragt et væsentligt skridt fremad (2).

Baggrunden for opdagelsen af sekretin

I 1851 viste den tyske fysiolog C.F.W. Ludwig (1816-1895), at nerveimpulser regulerer sekretionen fra spytkirtlerne. Den russiske fysiolog og Nobelpristager I.P. Pavlov (1849-1936) undersøgte nogle år senere de refleksmekanismer, som regulerer fordøjelseskanalens sekreter efter fødeindgift. Pavlov fremsatte i slutningen af 1800-tallet den generelt accepterede teori om nerveregulering af spyt- og fordøjelseskana- lens kirtler (3). Han inkluderede reguleringen af pancreas i sin teori, men i 1901 observerede L. Popielskij (1868-1920), at sekretion fra pancreas tilsyneladende var uafhængig af intakt n. vagus, medulla spinalis og de sympatiske nerver i solar plexus (4). Popielskij & Pavlov kom til den konklusion, at den pankreatiske sekretion var reguleret gennem de lokale nerver i gastrointestinalkanalen. Pavlovs fundamentale koncept om nervøs regulering skulle derfor blot justeres en smule med hensyn til reguleringen af pancreassekretionen. Uafhængig af Popielskij & Pavlov nåede to franske fysiologer til samme konklusion, også i 1901 (2).

Opdagelse af sekretin

Bayliss & Starling (Fig. 1 ) anvendte en kompliceret forsøgsopstilling, som tillod en detaljeret og kvantitativ registrering af pancreassekretionen og den tidsmæssige relation til forskellige stimuli. Bayliss havde observet en betydelig stigning i denne sekretion, når surt maveindhold blev indført i duodenum (F. Leuret & J.L. Lassaigne var de første, der beskrev dette allerede i 1825). En kollega og ven fra studietiden, C.J. Martin (1866-1955), var til stede om eftermiddagen onsdag den 16. januar 1902, da Starling & Bayliss opdagede sekretinet. Professor Martin beskrev det således (5):

»I happened to be present at their discovery. In an anaesthetized dog, a loop of jejunum was tied at both ends and the nerves supplying it dissected out and divided so that it was connected with the rest of the body only by its blood vessels. On the introduction of some weak HCl into the duodenum, secretion from the pancreas occurred and continued for some minutes. After this had subsided a few cubic centimetres of acid were introduced into the denervated loop of jejunum. To our surprise a similarly marked secretion was produced. I remember Starling saying: "Then it must be a chemical reflex". Rapidly cutting off a further piece of jejunum he rubbed its mucus membrane with sand in weak HCl, filtered, and injected into the jugular vein of the animal. After a few moments the pancreas responded by a much greater secretion than had occurred before. It was a great afternoon.«

I en foreløbig rapport til The Royal Society London syv dage senere blev navnet sekretin brugt om den nye substans (6). Den næste publikation kom i et tysk tidsskrift, Zentralblatt für Physiologie, den 15. februar samme år. Starling & Bayliss ' pancreasmodel tillod opsamling af store mængder pancreassaft, og de kunne nu studere konversionen af trypsinogen til trypsin, katalyseret af enzymet enterokinase. De forudsagde også, at sekretin måtte være til stede i slimhinden i jejunum som et prohormon: prosekretin. I september 1902 blev en mere omfattende rapport om opdagelsen af sekretin publiceret i Journal of Physiology (7). Den 16. december 1902 gav Starling den første oversigtsforelæsning om sekretin i The Pathological Society, London. Her blev der også rapporteret om bl.a. inflammatoriske forandringer i tarmen med relation til ændret pancreasfunktion. Den nye viden blev hurtigt anvendt i patologien og det kliniske arbejde, og Starling inkorporerede også disse nye observationer i den femte udgave af sin lærebog Elements of Human Physiology (8). I alt udkom ikke færre end 18 videnskabelige publikationer i 1902 om det nyopdagede sekretin (9).

Hormonkoncept og intern sekret ion

Starling gav efter at have konsulteret forskellige eksperter (blandt disse lægen W.B. Hardy og den klassiske filolog W.T. Vesey i Cambridge) det nye regulatoriske princip, der blev frigjort et sted for at udøve dets regulatoriske effekt et andet sted i organismen, navnet »hormon«. Dette var afledt af græsk, hormao: et princip som irriterer, stimulerer og sætter i gang. Starling introducerede betegnelsen hormon ved en serie forelæsninger (Croonian lectures), der begyndte den 20. juni 1905 (10). Hormon (eller kemisk meddeler, kemisk refleks, kemisk korrelat) blev således navnet for alle aktive substanser, der er dannet i en del af organismen, fordelt med den cirkulerende blodstrøm, for at udøve sin funktion, regulering, stimulation og vækst i andre dele af organismen (10). Andre eksempler på hormoner, der var nævnt i Starling & Bayliss ' papirer, var adrenalin fra binyrerne, antidiuretisk faktor fra hypofysebaglappen, et thyroideaprodukt, faktorer fra ovarierne, testiklerne samt kuldioxid, sidstnævnte til kontrol af respirationen.

Starling foreslog, at organismens forskellige organer indgik i en »kemisk sympati«, fx uterus og mamma. Om den interne sekretion (Charles Edouard Brown-Séquard (1817-1894) fremsatte som den første teorien om intern sekretion. Han viste bl.a., at følgerne efter kastraktion blev mindsket eller ophævet ved injektion af et ekstrakt fra kønskirtlerne) anførte han:

»It was not till the discovery of secretin by Bayliss and myself in 1902 that we recognized that these so-called internal secretions were merely isolated examples of a great system of correlations of the activities, chemical and otherwise, of different organs, not by the central nervous system but by the intermediation of the blood by the discharge into the blood stream of drug-like substances in minute proportions which evoked an appropriate reaction in distant parts of the body« (2).

Paradigmet om den hormonale regulering af de fysiologiske processer i gastrointestinalkanalen blev udvidet til ventriklen allerede i 1905 ved J.S. Edkins ' (1863-1940) opdagelse af gastrin (11). De kromaffine celler i fordøjelseskanalens slimhinde var tidligere beskrevet af Rudolf Heidenhain (1834-1897) i 1870.

Reaktion fra den videnskabelige verden

Teorien om den hormonale regulering rystede fundamentet for den opfattelse, at gastrointestinalkanalens kirtler alene var reguleret af nervesystemet. Pavlov og den russiske skole af fysiologer nægtede at acceptere Bayliss & Starlings resultater. B.P. Babkin (1877-1950) skrev i 1949:

»Pavlov's reaction to the discovery of a humoral regulation was that which one would expect from him. He did not give up at once the idea of the exclusive nervous regulation of pancreatic secretion but rather the reverse. He tried to confirm facts obtained by himself earlier on the secretory functions of the vagus and splanchnic nerves and to disprove Bayliss ' and Starling's hormonal theory ... very soon, however, Pavlov began to change his opinion« (12).

Pavlov bad lægen I. Savich om at gentage Bayliss & Starlings eksperimenter. Han gentog selv sine hundeeksperimenter uden at finde fejl, men hans eksperimenter kunne ikke reproduceres i London. Denne gåde blev ikke løst før 1912, hvor Pavlovs elev, G.V. Anrep (1891-1955), kom til London og arbejdede sammen med Bayliss og Starling . Vagusstimulering øgede ikke pancreassekretionen, fordi forsøgsdyrene i London havde fået morfin forud for anæstesien (efterfølgende undersøgelser har vist, at morfin både griber ind i det vagusstimulerede respons og i sekretinfrigørelsen). Da denne præmedicinering blev stoppet, blev de eksperimentale resultater identiske i London og Sankt Petersborg. Anrep gentog Bayliss & Starlings eksperimenter i London og blev derved klar over grunden til, at disse ikke kunne reproduceres i Sankt Petersborg: Det sure ekstrakt fra den øverste del af tyndtarmen var blevet overneutraliseret, hvorved sekretinet var destrueret. Nu var disse komplicerede eksperimenter reproducerbare og identiske: Både sekretin og vagus var i stand til at stimulere pancreassekretionen, såvel i London som i Sankt Petersborg. På et tidspunkt i forløbet havde Pavlov godtaget effekten af sekretin, men var så alligevel kommet i tvivl. Konfronteret med det endelige bevis, at Starling & Bayliss ' eksperimenter var valide, udbrød han ifølge Babkin : »Of course they are right. It is clear that we did not take out an exclusive patent for the discovery of truth« (12).

Luften havde været tyk af anklager om artefakter, ukontrollet mekanisk tømning og manglende denervering langs karrene, og Popielskij benægtede eksistensen af sekretin til sin død i 1920. I dag må neural, autokrin, parakrin og endokrin signaltransduktion betragtes som et biologisk kontinuum.

I Starlings korte biografi af Pavlov i Nature undlod han taktfuldt at omtale detaljer i kortlægningen af pancreasstimulationen og introduktionen af det nye humorale kontrolsystem som ligeværdig regulator til den nervøse regulering. Starling påpegede dog, at på det tidspunkt, hvor Pavlov fik Nobelprisen (1904), havde han forladt neuroreguleringen som forskningsfelt (13).

Nobelkomitéen vurderede i 1914, at Starling var værdig til Nobelprisen for opdagelsen af sekretin og den hormonale regulering (14), men flere begivenheder med blandt andet relation til 1. verdenskrig og formandsskifte i den medicinske Nobelkomité medførte en række aflyste og udskudte Nobelpriser. Da Starling igen kom på tale i 1926 efter indstilling af Babkin , blev opdagelsen af sekretin og hormonkonceptet betragtet som værende for gammelt og veletableret til en Nobelpris (15).

Moderne opfattelse af sekretin

Bayliss & Starlings originale tarmekstrakt sænkede også det systemiske blodtryk. Det blev fremført, at ekstrakter af mange væv indeholder en vasodilaterende substans, vasodilatin, som muligvis også kunne stimulere pancreassekretionen. Tarmekstraktet har formentlig ud over sekretin også indeholdt vasoaktivt intestinalt polypeptid (VIP), et vasodilatator-neuropeptid af sekretinfamilien, der til en vis grad kan stimulere pancreassekretionen. Efterfølgende blev det dog godtgjort, at en væsentlig komponent af vasodilatin er histamin, som kun i beskedent omfang stimulerer pancreas (16). Senere fremkom vasodilatorfri sekretinekstrakter, som havde en betragtelig effekt på pancreassekretion. Sekretin er efterfølgende fundet i tyndtarmsslimhinden på alle hvirveldyr. Vigtigheden af sekretin som stimulator af vand- og bikarbonatsekretion fra pancreas til modregulation af ventrikelindholdets surhedsgrad blev endelig fastslået af M.I. Grossman i 1958 (17). Det ultimative bevis for sekretins rolle som hormon blev først givet, da det i 1970'erne blev muligt at måle cirkulerende koncentrationer af sekretin i blodet (18).

Tidlige forest illinger om at sekretin kunne være en simpel kemisk substans (som fx adrenalin) blev ikke indfriet. I 1928 adskilte A.C. Ivy (1893-1978) sekretin fra cholecystokinin (CCK) (19). Forhåbningerne om, at man havde isoleret sekretin i 1938, viste sig at være falske (20). Der var væsentlige problemer med instabilitet og aktivitetstab. E. Jorpes og V. Mutt påbegyndte i 1952 arbejdet med isolering af sekretin, ti år senere lykkedes det, og efterfølgende blev aminosyresekvensen bestemt (21-24) (Fig. 2 ). Denne opgaves heroiske karakter illustreres af det forhold, at for at få 1 mg renset sekretin var det nødvendigt at starte med én kilometer tyndtarm (20). Syntese af et sekretinpræparat, der i styrke var identisk med naturligt sekretin, blev fuldført af M. Bodanszky et al i 1966 (22). Sekretin endte med at blive et af de sidste gastrointestinale hormoner, der blev klonet. Dette skyldtes delvis dets meget høje indhold af lysin, arginin og serin. Sekretin-prækursoren består af et signal-peptid, et kort N-terminal-peptid, sekretin, en glysin-lysin-arginin-amidspaltende sekvens og yderligere 72 aminosyrer i den C-terminale ende (16, 20).

Sekretin og sekretingenet

Sekretin er et basisk 27-aminosyrepeptid med en molekylvægt på omkring 3.000 dalton. Det er i udpræget grad bevaret gennem udviklingen af pattedyrene. Sekretin har ligheder med glukagon, glukagonlignende peptid I og II (GLP I, GLP II), VIP, gastroinhibitorisk polypeptid (GIP), væksthormon (frigørende hormon) (GHRH) og hypofyseadenylcyklaseaktiverende peptid (PACAP).

Strukturanalyse af genet, der koder for sekretin, har vist, at den transkriberende enhed er delt i fire exons med 813 basepar (Fig. 3 ). Sekretingenet koder tilsyneladende kun for en enkelt kopi af det biologisk aktive peptid (16), og det er det eneste medlem af familien, som ikke har en intron, der adskiller de transkriptionale og translationale startsteder.

Sekretinceller (S-celler) er hovedsagelig lokaliseret i villi i den proksimale del af tyndtarmen, men i de forskellige dyrearter kan disse celler i princippet være lokaliseret overalt i tyndtarmen, men mest hyppigt forekommende i den øvre del. S-cellerne deler sig forholdvist sjældent. Størstedelen af den ekstraintestinale sekretinimmunoreaktivitet findes spredt i centralnervesystemet (16). Tilgængeligheden af et sekretin-cDNA, har for nylig gjort det muligt at anvende biologiske teknikker med høj specifitet og sensitivitet til at bestemme områder med genekspression. Således er sekretintranskription ud over i tarmen til stede i mindre udstrækning i hjernen, hjertet, lungerne, nyrerne og gonaderne (16).

Sekretinreceptor

To adskilte sekretinreceptorsubtyper: en højaffinitet- og en lavaffinitetreceptor er beskrevet, men andre subtyper af sekretinreceptorer eksisterer formentlig (25, 26). Isolering af et cDNA, der koder for en sekretinreceptor (27, 28) viser, at denne består af 427 aminosyrer (molekylvægt ca. 48.000 dalton). Sekretinreceptor-mRNA er ud over i pancreas fundet i hjertet, i den øvre del af gastrointestinalkanalen og i dele af centralnervesystemet (29, 30).

Moderne opfattelse af stimulation, virkning og funktion af sekretin

Den eksokrine del af pancreas secernerer i såvel den interdigestive som i den postprandiale periode. Sekretionen er reguleret af neural, hormonal og neurohormonal interaktion. Ved fordøjelse af et måltid aktiverer en central cefalisk stimulation og en gastrointestinal vago-vagal refleks den eksokrine sekretion gennem intrapankreatiske postganglionære, kolinerge nervetråde. Modsat vil aktivering af sympatiske nerver hæmme den eksokrine pancreassekretion (31). Ud over den klassiske neurotransmitter, acetylcholin, er neuropeptider som VIP, gastrinfrigørende peptid (GRP), cholecystokinin (CCK), neuropeptid Y (NPY), neurotensin, substans P, calcitonin-genrelateret peptid (CGRP), galanin og tilsyneladende dopamin til stede som transmittere i de autonome nerver i pancreas (16). En nærmere afklaring af dis-ses indbyrdes forhold må afvente fremtidig forskning. Den sekretinstimulerede bikarbonatsekretion potenseres ved vagal stimulation. I nogle arter hæmmer atropin denne bikarbonatsekretion, hvilket tyder på, at virkningen af sekretin er afhængig af et intrinsic kolinerg input, idet denne hæmning også blev fundet ved vagotomi og ganglionektomi. Sekretin frigøres fra den duodenale mucosa ved stimulation med intraluminale brintioner, langkædede fedtsyrer og galdesalte. Lavt pH er det kraftigste stimulus. Sekretin udøver, i henhold til nogle forskere, sin vigtigste funktion i den fastende tilstand, når pH i ventrikelsekretet er lavest. Andre mener, at den vigtigste effekt af sekretin er den kombinerede neurohormonale, postprandiale stimulation af pancreas (16).

Den eksokrine pancreassekretion kan også stimuleres af andre hormoner/peptider: CCK, VIP, neurotensin og insulin. Sekretin og CCK er langt de mest virksomme. Interaktionen mellem disse to hormoner potenserer produktionen af vand og bikarbonat, idet denne er større end summen af det sekretoriske respons af de to hormoner hver for sig (20). I modsætning hertil bliver den pankreatiske enzymsekretion ikke potenseret af de to hormoner ved samtidig indgift. Adskillige peptider er i stand til at hæmme den sekretinstimulerede pancreassekretion: pankreatisk polypeptid (PP), peptid YY, glukagon, somatostatin, pancreasstatin, galanin, og CGRP (16). Hos rotter kan frigivelse af sekretin og den efterfølgende stigning i produktionen af pancreassekret supprimeres af pankreatiske proteaser. Dette antages at skyldes degradation af releasing peptides (enterosekretagoger), der er secerneret fra den intestinale mucosa ind i lumen (16, 32, 33). Sekretin-releasing peptid er lavmolekylært med en molekylvægt mellem 1.000 og 5.000 dalton, men kendes ikke nærmere (32).

Nogle studier tyder på en trofisk virkning af sekretin på den eksokrine pancreas (34). Farmakologiske doser af sekretin stimulerer således til pankreatisk vækst. Det er også blevet foreslået, at sekretin potenserer den trofiske effekt af CCK. Der er imidlertid tvivl om denne effekt, idet sekretin tilsyneladende ikke er virksomt på pancreascellekulturer.

Sekretin virker som et enterogastron, hvilket vil sige, at det hæmmer ventriklens sekretion af syrer, frigørelse af gastrin og ventrikeltømning. I gastrointestinalkanalen virker sekretin i samspil med et stort antal andre hormoner, eksempelvis insulin, glukagon, somatostatin, parathyroidea hormon (PTH), calcitonin (CT) og PP (16). Sekretins mangeartede virkninger er resumeret i Fig. 4 .

Anvendelse af eksogent sekretin

MR-pankreatografi kan udføres under sekretininfusion og måske i fremtiden erstatte endoskopisk retrograd pankreatografi (ERP) i klinisk diagnostik (35-37). Adskillige test af pancreas' eksokrine funktion er baseret på maksimal stimulation med intravenøs injektion af sekretin (38). Der anvendes dog fortrinsvis fødestimulation ved vurdering af amylase- og lipaseproduktionen fra pancreas.

I de seneste år er der fremkommet kontroversielle meddelelser om, at sekretinindgift muligvis har en gunstig virkning på unge med autisme (39, 40). Et forhold, der illustrerer, at sekretin i centralnervesysemet måske fungerer som neurotransmitter/modulator.

Konklusion

Skønt sekretin var det hormon, som blev opdaget først, er kendskabet til sekretins mange biologiske funktioner ikke komplet i dag 100 år efter opdagelsen. Isolering med anvendelse af kromatografiske teknikker og efterfølgende syntese af sekretin i 1960'erne repræsenterede