저자최병철 요약 약학정보원학술자문위원 인슐린은췌장의베타세포에서분비되어탄수화물과지방대사를조절하는호르몬으로서표적세포 ( 간, 근육및지방세포등 ) 를자극하여혈류로부터포도당을유입하고또한저장하는역할을한다. 당뇨병은혈중포도당이세포내로의이동저하, 여러조직에서의포도당대사저하및간에서의포도당신생증가등으로인해혈중포도당의과다생성되어나타나는결과이다. 정상인에서는혈장포도당농도가 120mg/dl 이상상승하는경우가드물지만인슐린결핍당뇨병에서는이보다훨씬높은혈중포도당농도를유지한다. 현재사용되고있는혈당강하제는크게경구제과주사제로나눈다. 경구제에는인슐린분비를촉진시키는작용을하는 sulfonylureas 및 metiglitinides, 간에서의포도당생성을억제시키고말초인슐린감수성을개선시키는 metformin, 장관내에서탄수화물의흡수를억제하는 α-glucosidase 억제제, 인슐린감수성을주로개선시키는 thiazolidinediones, 인크레틴호르몬을이용한 DPP-4 억제제, 신장에서포도당재흡수를억제하는 SGLT-2 억제제등이있다. 또한주사제에는인슐린과인크레틴호르몬와유사한 GLP-1 수용체작용제가있다. SGLT-2 억제제는당뇨병에서신장의역할이주목받으면서신장에서포도당재흡수에관여하는새로운기전으로개발되었다. 최근 SGLT-2 억제제들은단일제뿐만아니라다른기전의혈당강하제와조합을이루면서새로운치료옵션으로부상하고있다. SGLT-2 억제제는다양한기전을통해발병하는제2형당뇨병환자들에게기존약제와차별화된기전을가진약제를추가적으로사용할기회를가짐으로써제2형당뇨병환자의개별화된치료에한걸음더다가갈수있을것으로기대된다. 특히인슐린에비의존적으로작용하므로당뇨병환자의베타세포기능에관계없이작용할수있고저 혈당발생의위험성이적다는장점을가지고있다. SGLT-2 억제제들간에는동일한작용기전을가지고 있으나약동학적프로파일, 혈당강하효과, 부작용및안전성등에서는약간의차이를보인다. 그러므로
2/26 어떤특정한약제가다른약제보다우월하다는임상결과를보이지는않는다. GLP-1 수용체작용체는내인성 GLP-1의효과와유사하게설계되어포도당의존성인슐린분비를자극하고, 췌장에서의글루카곤분비를억제하며위배출속도를줄이고식욕을감소시키는작용을한다. 특히국내당뇨병환자들은다른나라보다주사치료에대한거부감이높아주사횟수, 투여방법등편의성이개선된치료옵션에대한요구가높은편이다. 따라서주 1회투여하는장시간지속형약제는제2형당뇨병치료제로성인당뇨병환자의혈당조절개선을위해식이요법및운동요법보조제로투여될것으로예상한다. 이러한두약제들은다양한기전을통해발병하는제 2 형당뇨병환자들에게기존약제들과차별화하여 환자의개별화된치료에도움이될것이라판단된다. 특히인슐린에비의존적으로작용하므로당뇨병환자의 베타세포기능에관계없이작용할수있고저혈당발생의위험성이적다는장점을가지고있다. 인체의에너지이용 에너지는탄수화물, 지방, 단백질의형태로음식에함유되어있다. 음식의이러한기본구성요소는세포내에서분해되고저장된다. 인체는휴식을취할때필요로하는에너지는이들탄수화물또는지방으로부터얻어진다. 반면단백질은이들보다적은양의에너지를제공하므로에너지원보다는신체구성요소로서의역할이더크다. 따라서탄수화물은강도높은근육활동에제일먼저이용되고, 지방은장시간강도낮은운동에이용되며, 단백질은심각한에너지결핍또는기아상태일때이용된다. 음식의영양소는주로탄소, 수소, 산소로구성되어있으며단백질에는질소도포함되어있다. 이영양소 들내분자적결합력은비교적약하며결합이떨어질때에너지가방출된다. 즉영양소내에내재되어있던 에너지는세포내에서고에너지화합물의형태인 ATP 로저장되어있다. 모든에너지는결국에는열 (heat) 로전환되므로생물적반응에서방출되는에너지의양은열의양으로환산할수있다. 생물적시스템에서의에너지는 calori로측정한다. 1cal는 1g의물을 14.5 에서 15.5 로 1 상승시키는데요구되는열에너지의양과동일하다. 인체의경우에는 kcal로나타내며 1kcal는 1000cal와같다. 같은무게의탄수화물 1g과지방 1g을비교하면지방이내는 ATP 에너지양은 9kcal로탄수화물 4kcal보다더많다. 하지만지방으로부터의에너지방출속도가탄수화물보다더느리기때문에강도높은근육활동의에너지요구량을충족시키는데탄수화물보다불리하다.
3/26 1. 탄수화물 (Carbohydrate) 탄수화물은인체내에서단당인포도당 (glucose) 으로최종적으로전환되어혈액을통하여신체의모든조직으로운반된다. 휴식상태에서는인체내로흡수된탄수화물은근육과간으로운반되어당원 (glycogen) 으로전환된후저장된다. 간에저장된당원은에너지가필요한상황이되면포도당으로다시전환되어혈액을통해필요한조직으로운반된다. 간과근육의당원저장량은한정되어있어서에너지필요량이많아지면저장된당원이이용되어고갈되게된다. 따라서이용된당원의저장량을보충하기위해서는탄수화물을섭취해야한다. 당원합성 (Glycogenesis) 은포도당을당원의형태로근육과간세포의세포질에저장하는과정이다. 이러한과정에필요한포도당은음식으로섭취한포도당과포도당신생에의해합성된포도당을사용된다. 당원분해 (Glycogenolysis) 는근육이나간에서주로일어나는반응으로에너지가필요한상황에서근육, 간에저장된당원 (glycogen) 을 glucose-6 phosphate로전환하는반응이다. 해당과정 (Glycolysis) 은포도당이에너지를생성하기위한 10가지의단계의반응을거쳐피루브산 (pyruvate) 으로전환시키는과정이다. 해당과정은세포질에서일어나는반응으로혐기 (anaerobic) 또는호기 (aerobic) 상황모두에서에너지를생성할수있는과정이다. 포도당신생 (Gluconeogenesis) 은해당과정과는반대되는대사이다. 즉 pyurvate, lactate, alanine, glycerol과같은기질을가지고다시포도당을새로합성하는과정이다. 해당과정은이화작용이고포도당신생은동화작용이다. 또한해당과정은세포질에서일어나고포도당신생은주로간, 신장에서일어난다. 또한운동시, 식후, 금식시등의상태에서활발히일어난다. 2. 지방 (Fat, lipid) 지방은장시간지속되거나강도가낮은운동을할때상당한양의에너지를제공한다. 지방은중성지방 (triglyceride, TG) 으로존재하는데 TG가에너지원으로이용하려면 glycerol과유리지방산 (free fatty acid, FFA) 으로분해되어야하고분해된유리지방산은 ATP를생성하는데이용된다지방의형태로저장된잠재적인에너지는탄수화물의저장량보다훨씬크다. 지방합성 (Lipogenesis) 은단백질을지방산으로전환되는과정이다인슐린은지방합성을증가시키고, 간과지방조직에서지방의가수분해를억제하여지방축적을일으킨다. 이런현상은인슐린이이들조직세포내 camp를감소시켜일어나는현상이다. 지방산은해당작용을일으키는여러반응을억제하고포도당신생을증가시키기때문에혈중유리지방산저하는탄수화물대사에도영향을미치게된다. 반면지방분해 (Lipolysis) 는지방이분해하는과정이다. 즉 TG가 lipoprotein lipase로인해 1개의 glycerol과 3개의지방산
4/26 (free fatty acid, FFA) 으로분해가되는과정이다. 3. 단백질 (Protein) 단백질도탄수화물또는지방과마찬가지로에너지원으로사용될수있지만단백질이에너지원으로이용되는과정은이들보다복잡하며일단단백질은먼저포도당으로전환되어야한다. 단백질의가장기본적구성단위인아미노산만이에너지로사용될수있고장시간동안의신체활동에요구되는경우전체에너지의 5 10% 까지공급할수있다. 단백질 1g의경우탄수화물과마찬가지로 4kcal의에너지를생성한다. 그림 1. Metabolic Summary( 출처 : www.chemistry.elmhurst.edu) 췌장 (Pancreas) 과인슐린 (Insulin) 췌장 랑게르한스소도 (Langerhans islet) 췌장은소화효소를분비하는외분비기관과내분비기관인랑게르한스소도로이루어져있다. 랑게르한스 소도에는여러호르몬을분비하는세포군들로이루어져있는데인슐린을분비하는베타세포이외글루카곤을
5/26 분비하는알파세포, 소마토스타틴을분비하는델타세포가있다. 또한췌장폴리펩타이드 (pancreatic polypeptide, PP) 를합성하는 PP 세포도있다. 소도내에있는알파, 베타및델타세포들은하나의결합세포처럼반응하며이들호르몬들은상호간의세포 기능에영향을준다. 또한자율신경세포들이소도에분지하여아드레날린성자극, 콜린성자극등은소도 세포기능을조절하고있다. 베타세포 (β cell) 베타세포는세포막전기활성도와 Ca 2+ 유입등세포내변화에따라인슐린을분비하며이는말초조직의 대사에관여하는여러혈액내물질과호르몬, 신경전달물질등외부인자의영향을받는다. 이와같이베타 세포는매우복잡한세포내과정과외부인자들의영향을받아체내영양상태와대사과정에필요한인슐린을 합성하고분비하는중요한기능을한다. 인슐린분비는기저분비와자극분비로나눌수있으며기저분비는인슐린분비를자극하는외부적요인 없이생리적으로공복에도지속적으로분비되는경우이고자극분비는인슐린분비를자극하는내부적과 외부적요인이있는경우이다. 보통성인의췌장속에저장되어있는인슐린의양은보통 250~300unit이고하루에분비되는양은 40~50unit 정도이고, 인슐린에의한혈당치는 80~100mg/dL로유지되고대략 5~10μU/mL 정도이다. 포도당은인슐린분비에가장중요한요인으로작용하며혈중농도 300~500mg/dl일때가장왕성하다. 인슐린의분비에는포도당외에도여러요인들이관여한다. 알파세포 (ɑ cell) 알파세포는글루카곤을분비하는데이는포도당수요에맞춰혈중포도당의균형을유지하며기저상태에서 포도당생성의 75% 가글루카곤에의해이루어진다. 즉단기간금식시포도당의생성은주로당원분해에의한 것이고, 장기간금식시는글리코겐저장량이감소되어포도당신생에의한다. 글루카곤은혈당조절이안되는당뇨병환자에서인슐린에비해상대적으로과다분비되어포도당신생및케톤체생성을증가시키며, 인슐린이부족하지않은당뇨병환자에서도글루카곤농도는상대적으로증가되어있다. 아울러현성당뇨병 (overt diabetes) 에서내인성인슐린분비는글루카곤의분비와글루카곤에의한간의포도당신생을억제하기에는부족하다. 따라서당뇨병은인슐린의절대적또는상대적결핍과동시에글루카곤의상대적증가에의한대사장애라할수있다.
6/26 인슐린 인슐린의생합성 (biosynthesis) 처음생합성되는전구인슐린은 preproinsulin 으로 N-terminal 부위에위치한소수성아미노산 23 개로 구성된 leader peptide 에의해소포체 (endoplasmic reticulum) 으로유도되어 disulfide bond 가형성되면서 3 차 구조의 proinsulin 이된다. Proinsulin은 A와 B 사슬사이를연결하는펩타이드 (connecting peptide) 구조를가지고있으며 Golgi body로운반되어단백분해 (proteolysis) 과정에의해절단되어 insulin을합성한다. 단백분해과정에서 trypsin-like protease와 carboxypeptidase-b like protease이작용하는데췌장소도에서합성되는다른호르몬들도이와유사한단백분해과정을거친다. 인슐린의분비 (secretion) 합성된인슐린은세포질내과립에저장되고, 저장된인슐린은포도당이유입되면서여러과정을거쳐분비된다. 포도당은당수송체인 GLUT 2를통해유입된후 glucokinase(hk) 에의해 glucose-6-phosphate(g6pd) 가되고최종산물 pyruvate(pyr) 로된다. Pyruvate는미토콘드리아에서 TCA 과정에서 ATP를생성한다. 이때 ATP/ADP ratio에서 ATP가증가하는상황은혈중포도당을비롯한에너지원이유입된다는의미이다. 생성된 ATP 는세포막에존재하는 ATP 민감성 K + 통로 (ATP-sensitive K + channel, KATP) 를폐쇄시키면 세포내 K + 을세포밖으로유출을차단되고그전위차에의해막전위의탈분극 (depolarization) 을유도한다. 탈분극이유도됨에따라 L- 형전압의존성 Ca 2+ 통로 (L-type voltage dependent calcium channel, VDCC) 가 개방되고세포밖 Ca 2+ 이급격히세포내로유입된다. 이러한 Ca 2+ 의유입은세포내 ATP 농도와관련된다. 즉 포도당수치가높아세포내로유입된포도당이증가하고포도당대사가활발히일어나면 ATP 의합성또한 증가한다. 세포내부로유입된 Ca 2+ 은단순히인슐린의분비에만작용하지않는다. 세포내 Ca 2+ 농도의증가는 세포막에존재하는칼슘펌프 (Ca 2+ ATPase) 를활성화시켜세포내의 Ca 2+ 이외부로빠져나가게하는음성 되먹임작용 (negative feed back action) 을일으킨다. 하지만그전에세포내 Ca 2+ 농도의증가는세포가자체적 으로소포체내부에저장하고있는 Ca 2+ 이세포질로유출되도록만든다. 이과정은근세포에서일어나는그 과정과다소유사하다. 결과적으로 Ca 2+ 농도가증가하면인슐린이저장되어있는분비성과립 (secretory granule) 을세포밖으로 분비시킨다 (exocytosis). 만약분비가너무많이증가하면세포자멸사 (apoptosis) 를통해조절된다.
7/26 인슐린의분비는포도당에의해서만이루어지지않는다. 즉 ATP/ADP ratio 를증가시키는다른상황에 서도인슐린분비를증가시키게되며, 지방산또는아미노산들도 α-ketoglutarate 로들어가서 ATP 를생성 하여인슐린분비를자극한다. 부교감신경자극에의한 acetylcholine 이나 CCK(cholecystokinin) 등은세포막에있는 G- 단백연결수용체 (G-protein-coupled receptor, GPCR) 의 Gq 수용체와결합한후세포내 Ca 2+ 농도를증가시켜인슐린분비 를증가시킨다. Incretin(GLP-1, GIP), VIP(vasoactive intestinal peptide), PYY(peptide-YY) 등은 G- 단백 연결수용체의 Gs 수용체와결합하여 camp 를증가시켜서인슐린분비를증가시킨다. 반면 adrenaline 과 somatostatin 등은은인슐린분비를억제한다. 이중 adrenaline 은 α2 수용체를통해 K + channel 을닫히지않게하여과분극 (hyperpolariztion) 이되기때문이다. 또한 thiazide 이뇨제는혈중 K + 을낮추고세포안과밖의 K + 농도차를줄여서세포막의탈분극이일어나지않아인슐린분비가감소되는 것으로추측하고있다. 그림 2. Insulin Secretion( 출처 : www.biochemj.org) 인슐린의신호전달계 (signaling system) 인슐린은췌장의베타세포에서분비되어탄수화물과지방대사를조절하는호르몬으로서표적세포 ( 간, 근육
8/26 및지방세포등 ) 를자극하여혈류로부터포도당을유입하고또한저장하는역할을한다. 이러한인슐린표적 세포에는세포당 200,000 300,000 개의풍부한인슐린수용체가존재하는반면적혈구나뇌세포에는단지 40 여개의인슐린수용체가존재한다. 인슐린은이들표적세포의세포막에존재하는인슐린수용체의알파아단위와결합하면베타아단위에 내재되어있는타이로신카이네이즈 (tyrosine kinase) 를활성화시킨다. 활성화된인슐린수용체타이로신카이 네이즈 (receptor tyrosine kinase) 는각종단백을인산화시키고이어신호전달경로 (signaling pathway) 를 통해다양한생리작용을발휘한다. 이러한신호전달경로에는대사성신호를전달하는 PI3K(IP-3 kinase) 경로 와증식성신호를전달하는 MAPK(MAP kinase) 경로가있다. 대사성신호는인슐린수용체의활성에의해인슐린수용체기질 (insulin receptor substance, IRS) 특히 IRS-1을인산화하고 PI3K 경로를활성화시킨다. 활성화된 IP3K는다시세린트레오닌인산화효소인 Akt를활성화시킨다. 활성화된 Akt는세포내신호전달에관여하는다양한단백을활성화하여근육과간세포에서당원합성, 지방세포에서지질합성, 근육세포에서단백질합성등을촉진하고포도당당신생및간내중성지방합성억제, 세포주기 (cell cycle) 및세포자멸사 (apoptosis) 를억제한다. 또한 PI3K에의해활성화된 Akt와 apkcs 는근육에서 당수송체인 GLUT-4(glucose transporter-4) 를세포질내저장소에서세포막으로이동 시켜포도당을유입한다. 증식성신호는인슐린수용체의활성에의해 Shc 를인산화하고 Ras-MAPK 경로를활성화시켜영양소 흡수, 에너지생성, 세포의성장및생존등에관여한다. 그림 3. Signal Transduction In Insulin Action( 출처 : www.clinsci.org)
9/26 인슐린의생리작용 인슐린의생리적작용은다양하며크게에너지대사성효과와비대사성효과로나눌수있다. 대사성효과에는동화작용 ( 합성대사, anabolism) 과이화작용 ( 분해대사, catabolism) 으로구분할수있는데, 간세포에서동화작용 ( 당원합성및저장, 해당작용, 단백합성, 지방및 VLDL 합성 ) 을촉진하고이화작용 ( 당원분해, 포도당신생, 케톤체생성 ) 을억제하며, 지방세포에서동화작용 ( 지방합성, 지방산흡수, 지방산합성과에스테르화 ) 을촉진하고이화작용 ( 지방분해 ) 를억제하며, 골격근세포에서동화작용 ( 아미노산흡수, 단백및당원합성 ) 을촉진하고이화작용 ( 단백분해, 아미노산방출 ) 을억제한다. 그림 4. Physiologic Action of Insulin( 출처 : www.youtube.com) 이러한인슐린작용은작용시간에따라즉시나타나는작용과서서히나타나는작용으로도구분할수 있다. 즉시나타나는작용에는간이나근육에서의포도당유입증가, 포도당대사에관여하는효소들의활성화 등이있으며서서히나타나는작용에는당원합성과지방합성효소의발현등이있다. 비대사성효과는아직명확하지는않지만세포증식에대한작용으로세포성장및유사분열생식 (mitogenesis) 과정에관여하여세포의증식및비후를촉진하며유전자수준에서다양한유전자의발현을직접조절하는것으로알려져있다. 또한저농도로장기간인슐린양성장인자 (insulin-like growth factor, IGF) 수용체에작용하여세포의성장을촉진하기도한다.
10/26 1. 포도당이동 근육과지방세포에서포도당농도는세포내가세포밖보다훨씬낮다. 따라서포도당은세포막을통과하는속도에비례하여포도당인산화와대사가일어나며이는포도당의 C1-C3와동일한원자배치를가지고있는 D-glucose, D-galactose, D-xylose 및 L-arabinose에서도운반체-매개촉진확산 (carrier-mediated facilitated diffusion) 에의해세포내로이동된다. 이러한포도당의세포막이동증가는 Km 효과 ( 결합친화력증가 ) 보다 Vmax 효과 ( 수송체수의증가 ) 에의한현상이다. 간세포에서는근육과지방세포에서와달리인슐린에의해증가된 glucokinase가세포내에서포도당을 glucose-6-phosphate 로전환시킴으로써간접적으로세포내로포도당을이동시킨다. 즉간세포내에서포도당이인산화되면포도당농도가저하되어세포밖포도당과의농도차에의한단순확산 (simple diffusion) 현상에의해간세포로포도당이동이증가된다. 2. 포도당대사 인슐린은세포내에서포도당대사를증가시켜포도당총섭취량을기준으로 50% 미만을해당과정 (glycolysis) 에의해에너지로사용하고 30~50% 을지방산으로저장 ( 지방산합성 ) 하며 10% 미만을당원으로 저장 ( 당원합성 ) 하도록한다. 1) 해당과정 해당과정은간에서 glucokinase, phosphofructokinase 와 pyuvate kinase 의양과활성이증가되면서이루어 진다. 해당과정이증가하면포도당이용이증가되어간접적으로세포내포도당이혈중으로의이동이감소된다. 또한간내 glucose-6-phosphatase 활성을저하시켜세포밖으로의포도당유출을억제한다. 2) 지방산합성 인슐린은지방조직에서해당작용과 phosphogluconate oxidative pathway 증가로지방산합성에필요한 acetyl CoA와 NADPH를공급한다. 이는 acetyl CoA로부터 malonyl CoA를합성하는 acetyl CoA carboxylase를정상또는그이상의활성치로유지시키며지방합성에필요한포도당중간대사물인 L-glycerophosphate를공급하여지방합성이증가되도록한다. 하지만인슐린결핍시에는지방이분해되면서유리가증가된지방산은 acetyl CoA carboxylase를억제시켜지방산합성을억제한다.
11/26 3) 당원합성 인슐린은간과근육에서포도당이 glucose-6-phosphate로되는반응을촉진시키고 glycogen synthase 활성을증가시켜당원합성을증가시킨다. 또한 phosphodiesterase를활성화시켜세포내 camp를감소시키며, camp가감소되면 glycogen synthase가활성형이되어당원합성이증가된다. 아울러 phosphoprotein phosphatase(pp-1) 를활성화시켜당원합성을증가시키며당원으로부터포도당생성을감소시킨다. 3. 포도당신생 (Gluconeogenesis) 억제 정상적으로공복상태에서체내포도당이용의약 50% 는뇌세포에서사용되며이는주로간에서의포도당생성에의해유지된다. 포도당생성은당원분해또는포도당신생에의해유지된다. 6~12시간의공복까지는당원분해와포도당신생이포도당생성에각각 50% 정도관여되지만공복시간이길어지면포도당신생이포도당생성에더욱중요한역할을한다. 하지만식사후에는소화관에서음식물로부터흡수된포도당에의해혈당이증가하면베타세포에서인슐린이분비되고분비된인슐린은근육으로포도당의유입을촉진하면포도당신생은억제된다. 인슐린의효과중오래지속되는것은포도당신생을억제하는작용이다. 이작용은함수탄소아닌다른전구체및이들중간대사물로부터포도당이합성되는과정으로여러효소반응을통하여이루어진다. 이들반응에관여하는많은효소들은 camp를통해서활성화되거나또는 glucocorticoid 호르몬에의해활성화된다. 그정도는약하지만 α-와 β-adrenergic 제재, angiotensin II와 vasopressin에의해활성화되기도하며인슐린은이들호르몬에의해활성화되는효소들을억제한다. 간에서포도당신생을일으키는핵심효소는 phosphoenol-pyruvate carboxykinase(pepck) 로인슐린은 PEPCK를합성하는 mrna의전사를선택적으로억제하여이효소의양을감소시킨다. 4. 지방합성 (Lipogenesis) 인슐린이결핍되면 lipoprotein lipase 활성이증가되어지방분해가증가하므로혈액과간세포내지방산이증가하게된다. 또한인슐린결핍환자에서증가되어있는글루카곤은지방의가수분해를증가시켜혈중지방산유리를증가시킨다. 증가된지방산의일부는 β-oxidation에의해 acetyl CoA를형성하여 citric acid cycle을통하여 H 2 O와 CO 2 로대사되는데 citric acid cycle을통한대사능력보다 β-oxidation이증가되므로 acetyl CoA가증가되어 acetoacetyl CoA가형성되고케톤체인 acetoacetic acid와 β-hydroxybutyric acid 및 acetone 형성이증가된다. 또한인슐린은 VLDL과 LDL 형성및제거에영향을미치므로당뇨병환자는혈중
12/26 VLDL 과 LDL 및 cholesterol 이증가되어있고, 오래지속되면동맥경화증을유발할수있다. 5. 단백합성 (Protein synthesis) 인슐린은단백질합성을증가시키고단백분해 (proteolysis) 를억제시키는작용이있다. 근육에서포도당유입이나단백합성과관계없이아미노산 db입을증가시킨다. 인슐린에의한단백합성증가는보통전사가아닌단백합성단계에서작용하여나타나지만인슐린이해당단백질을합성하는 mrna의양을변화시켜이단백합성에영향을미치는경우도있다. 그림 5. Metabolic Pathway( 출처 : www.diapedia.org) 6. 세포증식에대한작용 인슐린은세포배양에서세포증식을유도하고생체내에서성장조절에관여한다. 배양섬유아세포 (fibroblast) 에서 fibroblast growth factor(fgf), platelet-derived growth factor(pdgf), tumor-promoting phorbol ester, prostaglandin F2a(PGF2a), vasopressin 및 camp 유도체들이혈청이첨가되지않은배양조건에서 cell cycle의 G1 phase에서정지된 fibroblast의 cell cycle 진행을자극하는데, 인슐린이이들의작용을더욱증대시킨다.
13/26 인슐린은상피에서유래된여러세포들의성장과증식에관여한다. 대단히낮은농도에서인슐린수용체를통해세포증식을자극하는데경우에따라서는다른 peptide growth factor 없이도세포증식을자극한다. 인슐린은단백질인산화과정또는효소합성조절에의해기능을변화시켜세포증식에영향을미치는것으로보고되어있다. 인슐린수용체는다른 growth-promoting peptide인 PDGF와 EGF 수용체와같이 tyrosine kinase 활성을가지고있다. 지금까지알려져있는종양유전자 (oncogene) 중 tyrosine kinase 활성을통해발암과정에관여하는것이 10가지이상밝혀져있으므로종양유전자의발암과정의어느부분에서인슐린이관련될가능성에대한연구가진행되고있다. 인슐린저항성 (Insulin resistance) 1. 정의 인슐린저항성은정확히정의하기는쉽지않지만생리적인슐린농도에서인슐린감수성 (insulin sensitivity) 이정상보다저하된대사상태로정의할수있다. 하지만인슐린저항성이라도인슐린의모든작용이동시에같이감소되는것은아니고신장에서염분저류및간에서지질신합성 (de novo lipogenesis) 의기능에는영향이없다. 인슐린저항성은인슐린작용의감소와고인슐린혈증이함께관여한다. 인슐린감수성은표적세포마다다르지만근육세포에서가장영향을받는다. 이는인슐린요구량이근육세포 ( 특히골격근 ) 에서포도당유입시가장많고지질분해의억제시가장적기때문이며포도당이용의대부분은 근육세포에서당원합성에의해좌우된다. 또한간과지방세포의인슐린저항성도중요하다. 특히지방세포 로부터유리되는유리지방산의증가및간세포의과도한중성지방 합성은 이상지질혈증과 동맥경화를 일으키는원인이된다. 따라서인슐린저항성은근육세포에서포도당유입의감소, 간세포에서포도당합성억제의감소와이에 따른포도당의과도한증가로인해혈당이증가되고지질분해억제의감소에따른유리지방산의과도한혈액 내유입을일으킨다. 2. 기전 인슐린저항성은인슐린수용체자체의결함보다는수용체이후의신호전달체계의이상에의해발생한다. 특히 PI3K 경로가포도당의유입과세포내포도당대사를비롯한에너지대사의결함을매개하는가장중요한 단계이다. PI3K 경로가저하되면인슐린의존성 GLUT-4 의이동이저하되어포도당의유입이감소되며이를
14/26 보상하기위해인슐린분비가증가되어고인슐린혈증이된다. 그림 6. Insulin Resistance( 출처 : www.science.kln.ac.lk) 또한 MAPK 경로는세포증식과 유전자발현의이상을초래하여인슐린저항성과흔히동반되는혈관 염증성반응특히동맥경화증의발생과밀접한연관이있을것으로알려져있다. 아울러염증성싸이토카인인 TNF-α 도인슐린수용체의신호전달을저해하여인슐린저항성을증가시켜인슐린혈중농도를증가시킨다. 3. 동맥경화증발생 인슐린저항성은그자체가병은아니지만다양한질병을유발하거나여러병적상태에수반하며대사증후군의중요한요인으로작용한다. 인슐린저항성과고인슐린혈증에의한동맥경화증은 PI3K 경로가저하되어포도당수송이저하될뿐아니라혈관확장물질인 nitric oxide의생성을감소시킨다. 한편 MAPK 경로는고인슐린혈증에의해상대적으로활성화되므로혈관평활근세포의증식을초래한다. 결과적으로포도당이용과혈관확장능력이감소하고혈관세포의증식, 염증성싸토카인의증가는동맥경화의유발에필수적인환경을형성한다.
15/26 혈당관련생체물질 인크레틴 (Incretin) 인크레틴은췌장의내분비선을자극하는호르몬으로췌장베타세포의인슐린분비능력을향상시키는역할을한다. 인크레틴에는포도당의존성인슐린분비자극폴리펩타이드 (GIP glucose-dependent insulinotropic polypeptide) 와글루카곤유사펩티드 (GLP-1, glucagon-like peptide 1, GLP-1) 가있다. 그중 GLP-1은다양한영양적, 신경적및내분비적요인에의해분비되는인크레틴호르몬으로주로음식물을섭취하였을때수분내에혈중으로빠르게분비되어인슐린의합성과분비를증가시키고베타세포의증식을촉진시키고세포자멸사를억제한다. 종류 1. GIP(Glucose-dependent insulinotropic polypeptide) 1970 년소장점막에서위산분비억제효과가있는펩타이드를분리하여위장억제성폴리펩타이드 (GIP, gastric inhibitory polypeptide) 라하였다. 이후이호르몬이인슐린분비를자극하는것을확인되면서 glucose dependent insulinotropic polypeptide(gip) 로변경되었다. 이호르몬은 42개의아미노산으로구성되어있으며상부소장인십이지장과공장에존재하는 enteroendocrine K cell에서분비되며혈장반감기가 5 7분으로식사직후분비되어혈중농도가식전에비해 10 20배에달하며식후초기인슐린분비를자극한다. GIP 수용체는췌장베타세포, 지방조직, 장, 뇌, 심장, 뇌하수체, 부신등에존재하며 GIP 유사물질은제2형당뇨병환자에서저항성을보이므로치료제로사용할수없다. 2. GLP-1(Glucagon-like peptide 1) GLP-1은 30개의아미노산으로구성되어있으며원위부회장과대장에존재하는 enteroendocrine L cell 에서분비되며혈장반감기가 1 2분으로식사직후분비되어식후초기의인슐린분비를자극한다. 이호르몬은 GIP와마찬가지로포도당, 지방산혹은펩톤에의해자극되어분비된다. GLP-1 수용체는췌도, 신장, 폐, 심장, 근육, 뇌등많은조직에존재하며 GLP-1은인크레틴반응의 90% 를담당한다. GLP-1 은활성화되기위하여아미노산구조중 N 말단의일부가절단되어 GLP-1(7-37) 또는
16/26 GLP-1(7-36) 아미드 (amide) 형태가된다. 생성된 GLP-1 은체내에서 DPP-4 효소에의해말단의 2 개의 아미노산이절단되면서 GLP-1(9-36) 아미드가되면서활성도가사라진다. GLP-1 은베타세포표면에서발현되는 GLP-1 수용체와결합하면전사인자인 pancreatic duodenal homeobox-1(pdx-1) 의상향조절 (upregulation) 을통하여인슐린유전자의전사와증식이증가된다. GLP-1 은인슐린분비촉진, 글루카곤분비억제및소화기관등에작용한다. GLP-1 작용 1. 인슐린분비의촉진 인슐린분비는 G- 단백연결수용체 (G-protein coupled receptor, GPCR) 인 GLP-1 수용체를통해일어난다. 즉 GLP-1 과 GLP-1 수용체와의결합에의해 G- 단백연결수용체가활성화되면연결된 Gsɑ 아단위에의해 adenyl cyclase 가세포내 camp 의농도를증가시킨다. 이어 protein kinas(pka) 와 Epac(exchange nucleotide protein directly activated by camp) 의활성화를통해 KATP 통로와전압의존성 K + 통로 (voltagedependent K + channel) 를억제한다. 결과으로베타세포의막전위의탈분극과재분극에각각관여한다. GLP-1 은 G- 단백질연결수용체의활성화을통한 KATP) 통로를억제하여베타세포에서포도당 - 유도인슐린 분비를촉진시킨다. GLP-1 은포도당농도의존적으로 PKA) 와 Epac 에의해 K + 통로는닫아인슐린분비를 촉진시킨다. 그림 7. Mechanism of Action of GLP-1( 출처 : www.dmsjournal.biomedcentral.com)
17/26 Sulfonylureas 와 GLP-1 은모두인슐린분비를촉진한다는점에서는유사하지만작용방식에서는큰차이를 보인다. 즉 sulfonylurea 는 K + channel 의수용체에결합함으로써혈당에관계없이지속적으로세포막의탈 분극을유발하여인슐린분비를촉진하기때문에저혈당이발생한다. 하지만 GLP-1 이나 GIP 는아직확실한 경로가밝혀지지않았지만인슐린의분비를촉진시키는경로에서혈당의존적으로작동한다는점이다. 따라서 GLP-1 은강력한인슐린분비증가물질중하나로포도당농도에비례하여인슐린분비를촉진 시키지만혈당이 80mg/dl 이하로떨어지면인슐린분비가정지되므로저혈당을일으키지않는다. 2. 베타세포의증식 GLP-1의베타세포에대한증식효과가있다는것이밝혀졌다. 베타세포의증식뿐아니라췌관상피세포의원시세포로부터새로운베타세포의분화도자극한다. 나이가든당불내성쥐에게 GLP-1을투여한결과베타세포의증식이유도되었을뿐아니라당불내성도개선되는효과를보였다. 최근에 GLP-1은싸이토카인과유리지방산에의해유도된베타세포의세포자멸사를억제시킨다는보고가있다. 3. 글루카곤분비억제 GLP-1 은포도당농도에비례하여글루카곤분비를억제시킨다. 높은혈당에서는글루카곤분비를억제 하고낮은혈당에서는글루카곤분비를억제하지않아저혈당이발생한상황에서도심각한문제를유발하지 않는다. 4. 소화기관에대한효과 GLP-1 은원위부소장에영양소가전부흡수되지않고존재할경우내분비적기전에의하여상부위장관 운동과분비를억제시킨다. 이는위장을비우는속도 (gastric emptying time) 가늦어져결과적으로인슐린분 비를자극할영양소의흡수를지연시키게된다. Incretin effect( 인크레틴효과 ) Incretin effect 는포도당을정맥내투여한경우보다경구로투여했을때인슐린분비능이훨씬높게 나타나는현상이다. 이러한효과는제 2 형당뇨병환자에서는감소되는데, 이는분비된 GLP-1 이 DPP-4 효소 에의해쉽게파괴되기때문이라고추정한다. 따라서 GLP-1 이 DPP-4 효소에의해분해되지않게하거나
18/26 DPP-4 효소를억제시키면 incretin effect 를증강시킬수있다. 그림 8. Diabetes and Incretin effect( 참조 : Nauck et al. Diabetologia 29:46-52, 1986) Exendin-4 정상적으로소장에서분비된인크레틴은 DPP-4 효소에의해 1-2분사이에급속히분해되어그중 80% 가비활성화된다. 결국식후에분비된인크레틴의 15~20% 만이췌장과간에도달해혈당조절기능을한다. 인크레틴분비량이현저하게감소되어있는당뇨병환자의경우활성화한인크레틴의양이더욱적어진다. 그러므로 DPP-4 효소에가역적이고경쟁적으로부착하여 DPP-4 억제효과를나타내고 GLP-1의급속한분해를지연시켜야치료약제로서가능하다. GLP-1의혈중반감기가너무짧기때문에약제로개발에문제가되었다. DPP-4 효소에대해저항성을가지고있는믈질을찾다가힐러몬스터도마뱀 (Gila monster lizard) 의타액에서 Exendin-4 을우연히발견하였다. 이도마뱀은미국남서부와멕시코의사막지대에서식하는데, 1년에서너번만먹이를먹고한번에자기체중의 3분의 1에달하는먹이를섭취한다. 이도마뱀은먹지않는기간에는에너지를보전하기위해인슐린을만드는췌장기능이쇠퇴했다가먹을때가되면췌장기능이되살아나는것으로알려져있다. Exendin-4 은 39 개의아미노산으로구성된팸타이드로 GLP-1 과 53% 의염기서열동질성을보이며 2-4
19/26 시간정도의생물학적반감기를갖고있다. 이물질을재합성과정을거쳐최초의 GLP-1 수용체작용제인 exenatide( 바이에타 ) 가개발되었다. 인크레틴기반치료제 (Incretin-based therapy) 인크레틴기반치료제에는합성인크레틴주사용 GLP-1 수용체작용제와 DPP-4 효소를억제하는경구용 DPP-4 억제제가있다. 이약제들은인크레틴작용을유지하기위해개발되었으며두약제들은인슐린을증가시켜말초조직에서당섭취를촉진시키며, 글루카곤을저하시켜간에서과잉의당생성을억제시킨다. 결국공복및식후상태에서혈당을떨어뜨리는작용을한다. 이약제들은기존의인슐린또는경구혈당강하제들의잠재적부작용인저혈당쇼크, 심장발작, 고인슐린혈증, 비만등이거의나타나지않고췌장베타세포의기능을되살리는등좀더근본적인치료가가능해질것으로예상하고있다. 이중 GLP-1 수용체작용제는 DPP-4 억제제와달리인체에인크레틴과같은성분의약제를직접주사함으로써인크레틴에의한혈당조절과간에서의포도당과잉생성억제작용을돕는다. 그림 9. GLP-1R Agonists and DPP-4 Inhibitors( 출처 : www. heart.bmj.com)
20/26 당수송체 당수송체는세포막에존재하며세포밖의포도당을세포내로유입하는데중요한역할을담당한다. 당수송체 에는촉진확산 (facilitated diffusion) 에의존하는포도당수송체인 glucose transporter(glut) 와나트륨 - 포도당 공수송체 (sodium-glucose cotransporter, SGLT) 가있다. GLUT-4(Glucose transporter-4) GLUT에는몇가지종류가있으며조직마다다른수송체가사용된다. GLUT-1는다양한암세포에존재하며포도당은인슐린의유무에관계없이유입된다. 그러므로암세포에서 GLUT-1의발현이증가하면암세포의증식이빠르고예후가나쁘다는연구결과가있다. GLUT-2는간세포에존재하며포도당은인슐린의유무에관계없이유입된다. GLUT-4는근육세포 ( 골격근, 심근 ) 와지방세포에주로존재하며인슐린저항성과밀접하게연관되어있다. 이들표적세포에서인슐린과인슐린수용체가결합하면 PI3K가활성화되어 GLUT-4를세포막위로이동시키고포도당의유입을촉진시킨다. 세포내로유입된포도당은 hexokinase에의해 glucose-6-phosphate(g-6-pd) 으로되어당원합성, 당원분해및지방합성에이용된다. GLUT-4는인슐린이외에도 AMP 활성화단백질키나제 (AMPK) 의영향을받는다. AMPK는 GLUT-4 유전자의전사및번역을촉진하고 GLUT-4의양을증가시키는작용을한다. AMPK는운동, adiponectin, metformin 등에의해활성화되며 metformin는근육내로포도당의유입을를촉진하여혈당을저하시키는작용을한다. 한편 statin계약제들은 GLUT- 2/4를억제하여당뇨병을일으킨다는보고도있다. 그림 10. GLUT4 Glucose Transporter( 출처 : www.pdb101.rcsb.org)
21/26 SGLT-2(Sodium-glucose cotransporter-2) 신장은혈중포도당농도를일정하게유지하기위해포도당신생과정에서만들어진포도당을혈액으로 보내어에너지이용 (glucose utilization) 에사용하며사구체에서는여과된포도당을재흡수 (glucose reabsorption) 한다. 정상적으로신장에서는하루에약 180g 정도의포도당이신사구체를통해여과된다. 신사구체를통해여과되는포도당은혈중포도당농도에비례하여증가한다. 여과된포도당의재흡수는정상인의경우혈중포도당농도가약 200mg/dL가될때까지증가하다가그이상이되면재흡수는감소하고소변에서포도당이검출되기시작한다. 따라서정상인에서는여과된포도당이거의모두재흡수되어소변에서는포도당이검출되지않는다. 포도당의재흡수는근위세뇨관에있는 SGLT가주로담당하며재흡수된포도당은기저측세포막 (basolateral membrane) 에있는당수송체를통해혈액내로이동된다. SGLT는포도당수송을담당하는막단백질 (membrane protein) 로 6종류의아형이있으며신체의여러부위에서발현된다. 신장에서발현되는 SGLT는근위신세뇨관의앞쪽에 SGLT-2가발현되어 90% 의포도당을재흡수하며나머지 10% 는근위신세뇨관의뒷부분에발현되는 SGLT-1에의해재흡수가일어난다. 당뇨병이아닌정상인의신사구체에서투과되는포도당은 1일약 180g 정도이며거의 100% 가인슐린의도움없이 SGLT-2와 SGLT-1에의해재흡수된다. 그림 11. Sodium-Glucose Transport( 출처 : www.researchgate.net)
22/26 제2형당뇨병환자는정상인에비해신세뇨관의포도당재흡수가증가되는데이는 SGLT-2와 GLUT-2 발현에의해포도당흡수가증가된다는점이알려졌다. 이에따라 1835년사과나무의뿌리껍질에서비특이적 SGLT 억제제인플로리진 (phlorizin) 이처음으로분리되었고이는당뇨를야기하여혈당을감소시키고인슐린감수성을정상화시킨다고알려졌다. 플로리진은동물모델에서저혈당없이공복및식후혈당을감소시키는효과를보였고인체에서도유사한효과를나타내었지만 lactase-phlorizin hydrolase에의해신속히분해되고경구복용시장관내에서의흡수율이낮고 SGLT-2에대한선택성이낮은반면강력한 GLUT-1 억제에따른부작용등으로약제로개발되지못했다. 특히경구로투여시위장관에있는 SGLT-1도같이억제하기때문에 glucose-galactose malabsorption과설사를일으킨다. 따라서 SGLT-2에만선택적으로작용하는약제가개발되었다. AMPK(AMP-activated protein kinase) 세포의대사과정은 ATP와 ADP를에너지원으로사용하여 AMP를생성한다. AMPK는 serine/threonine kinase로서지질과포도당대사의조절인자로알려져있으며당뇨및비만에서중요한조절작용을한다. AMPK는세포내에서에너지소모시증가하는 AMP에의해활성화되어 ATP의사용을억제하고이화작용 (catabolism) 을유도하며에너지항상성을유지하는데핵심적인역할을한다. 즉 AMPK 는세포내에너지항상성유지에위한감지기 (sensor) 역할을하는효소로생체내에서에너지 의인식및항상성을조절하고당과지질대사에관여한다. 이러한에너지감지기의이상은대사성질환을 비롯한심혈관계질환, 암발생과도연관성이높은것으로알려져있다. AMPK의구조는 α, β, γ 3개의소단위로구성된 heterotrimeric complex로각각소단위들은 α1, α2, β1, β2, γ1, γ2, γ3 아형으로분류되어 12개의조합이있는것으로알려져있다. AMPK의생리작용은대부분 α 소단위의촉매부위에의해나타나는데 α1 소단위는인체의대부분세포에서발현되며 α2 소단위는주로간, 심근, 골격근, 평활근등에서발현된다. AMPK는정상적인상태에서는일반적으로활성화되어있지않지만대사성스트레스나운동에의해세포내의에너지가감소하는경우즉 ATP가고갈되어 AMP/ATP 비율이증가하는경우에서활성화된다. 이는 ATP를소비하는과정 ( 지방산합성과콜레스테롤합성등 ) 을억제하고 ATP를생성하는과정 ( 지방산산화와해당과정등 ) 을촉진한다. 따라서 AMPK가활성화되면이화반응을유도하여 ATP 생성을증가시키며 ATP 소모를유도하는반응인생합성, 세포성장, 세포증식등을억제하기때문에생체의에너지감지기라불리운다.
23/26 AMPK 의대사학적인작용 AMPK의대사학적인작용은간, 골격근, 지방세포, 시상하부등에서비교적많이알려지고있지만혈관을포함한몇가지조직에서는많은부분이알려지지않고있다. 따라서 AMPK의활성화에대한효과는에너지대사조절과밀접하게연관되어있는표적장기 ( 간, 근육, 지방세포 ) 에주로관여된다. 간에서지방산과콜레스테롤의합성과포도당신생을억제하고, 골격근에서지방산의유입과산화및포도당유입을촉진하며, 지방세포에서는지방산합성과지방분해를억제한다. 대사조절이외에 AMPK 는암세포를포함한여러종류의세포에서증식을억제하고세포증식에서중요한 작용을하는 mammalian target of rapamycin(mtor) 를억제하는작용을동시에가지고있다고보고되었다. 그림 12. AMPK in the Energy Homeostasis( 출처 : Kahn et al., 2005) AMPK 의활성과 metformin 과 GLP-1 시상하부에서 metformin 과 GLP-1 는 AMPK 의활성을억제하고, 또한 leptin 에의해서도억제되어전달 물질 NPY(neuropeptide Y) 의 RNA 발현이감소되면서음식섭취가저하되고체중이감소한다.
24/26 말초조직에서활성화된 AMPK는 fatty acid synthease(fas) 와 HMG CoA을억제하여지방산합성과콜레스테롤합성을감소시키고 phosphoenolpyruvate carboxykinase(pepck) 와 glucose-6-phosphatase(g6pase) 를억제하여간의포도당신생을조절한다. 아울러 metformin은근육에서 AMPK를촉진시켜포도당유입을증가시키고 GLP-1은췌장에서포도당-자극성인슐린분비 (glucose-stimulated insulin secretion) 를증가시킨다. 그림 13. Metformin and GLP-1R Agonists and DPP-4 Inhibitors( 출처 : www.ijem.in) PPARs(Peroxisome proliferator activated receptors) PPARs 는핵호르몬수용체로서스테로이드호르몬수용체와구조가유사하며포도당대사, 지방산산화 및지질대사에관여하는여러유전자들의발현을조절한다. 또한염증반응과동맥경화증의진행에관여하는 것으로알려져있다. PPARs 는현재 α, γ, β/δ 세가지아형이있다. PPAR-α 는근육과간세포에서발현되며, PPAR-α 의활성화는중성지방을감소시키고에너지항상성을조절한다. 또한혈관평활근, 내피세포, 단핵구및대식 세포와 T 세포에도존재하여염증과동맥경화반응을감소시킨다. PPAR α 활성화물질인 fibrate 는중성 지방을낮추고고밀도지단백콜레스테롤을상승시키는효과가있다. PPAR γ 는지방조직과골격근에서포도당 섭취와산화를촉진시키고간, 골격근에서인슐린작용을증강시켜혈당을낮춘다. PPAR-δ 의활성화는지방 산의대사를촉진시킨다.
25/26 그림 14. Peroxisome Proliferator Activated Receptors( 출처 : www.ahajournals.org) 실제임상에서는 PPAR γ 수용체작용제인 thiazolidinediones 는인슐린저항성을개선시키고혈당을조절 하는약제로임상에서사용되고있다. 그러므로 PPAR α 와 γ 모두를활성화시키는약제는제 2 형당뇨병 환자에서나타나는고혈당과지질대사이상을동시에개선시킬수있다.
26/26 참고자료 식약처허가사항미 FDA 허가사항대한내분비학회지 : 제21권제6호 2006 대한내과학회지 : 제72권제5호 2007 대한내과학회지 : 제 77 권제2호 2009 대한내분비학회지 : 제25 권제1호 2010 한국임상약학회지제21권제2호, 2011 J Korean Diabetes 2012;13:167-171 J Korean Med Assoc 2012 March 55(3): 271-278 Endocrinol Metab 27(2):109-115, June 2012 J Korean Diabetes. 2013 Sep;14(3):125-127. 대한내과학회지 : 제87권제1호 2014 J Korean Diabetes. 2015 Dec;16(4):242-251. 당뇨병진료지침 2015 제2형당뇨병약제치료지침 2017 기타인터넷자료