Effect of Acutely Increased Glucose Uptake on Insulin Sensitivity in Rats

단기간의 당섭취 증가가 인슐린 감수성에 미치는 영향

Insulin resistance is a prominent feature of diabetic state and has heterogeneous nature. However, the pathogenetic sequence of events leading to the emergence of the defect in insulin action remains controversial. It is well-known that prolonged hyperglycemia and hyperinsulinemia are one of the causes of development of insulin resistance, but both hyperglycemia and hyperinsulinemia stimulate glucose uptake in peripheral tissue. Therefore, it is hypothesized that insulin resistance may be generated by a kind of protective mechanism preventing cellular hypertrophy. In this study, to evaluate whether the acutely increased glucose uptake inhibits further glucose transport stimulated by insulin, insulin sensitivity was measured after preloaded glucose infusion for 2 hours at various conditions in rats. And also, to evaluate the mechanism of decreased insulin sensitivity, insulin receptor binding affinity and glucose transporter 4 (GLUT4) protein of plasma membrane of gastrocnemius muscle were assayed after hyperinsulinemic euglycemic clamp studies. Experimental animals were divided into five groups according to conditions of preloaded glucose infusion: group I, basal insulin ($14{\pm}1.9{\mu}U/ml$) and basal glucose ($75{\pm}0.7mg/dl$), by normal saline infusion; group II, normal insulin ($33{\pm}3.8{\mu}U/ml$) and hyperglycemia ($207{\pm}6.3mg/dl$), by somatostatin and glucose infusion; group III, hyperinsulinemia ($134{\pm}34.8{\mu}U/ml$) and hyperglycemia ($204{\pm}4.6mg/dl$), by glucose infusion; group IV, supramaximal insulin ($5006{\pm}396.1{\mu}U/ml$) and euglycemia ($l00{\pm}2.2mg/dl$), by insulin and glucose infusion; group V, supramaximal insulin ($4813{\pm}687.9{\mu}U/ml$) and hyperglycemia ($233{\pm}3.1mg/dl$), by insulin and glucose infusion. Insulin sensitivity was assessed with hyperinsulinemic euglycemic clamp technique. The amounts of preloaded glucose infusion(gm/kg) were $1.88{\pm}0.151$ in group II, $2.69{\pm}0.239$ in group III, $3.54{\pm}0.198$ in group IV, and $4.32{\pm}0.621$ in group V. Disappearance rates of glucose (Rd, mg/kg/min) at steady state of hyperinsulinemic euglycemic clamp studies were $16.9{\pm}3.88$ in group I, $13.5{\pm}1.05$ in group II, $11.2{\pm}1.17$ in group III, $13.2{\pm}2.05$ in group IV, and $10.4{\pm}1.01$ in group V. A negative correlation was observed between amount of preloaded glucose and Rd (r=-0.701, p<0.001) when all studies were combined. Insulin receptor binding affinity and content of GLUT4 were not significantly different in all experimental groups. These results suggest that increased glucose uptake may inhibit further glucose transport and lead to decreased insulin sensitivity.

인슐린 저항성이란 인슐린의 생물학적 효과가 감소하는 상태를 말하며 당뇨병의 중요한 병리기전이다. 인슐린 저항성은 매우 다양한 특성을 가지고 있으며 유전적인 요인이나 후천적인 요인에 의하여 발생한다. 이제까지 가장 잘 알려진 인슐린 저항성의 유발인자로는 고혈당과 고인슐린증이 있다. 장기간의 고혈당이나 고인슐린증은 가장 중요한 인슐린의 작용조직인 골격근에서 인슐린 수용체의 결합능을 감소시키고 당섭취에 필요한 제 4형 당수송체의 발현을 억제하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 인자는 모두 골격근에서 당섭취를 증가시키는 것으로서 인슐린 저항성은 말초조직이 세포내로의 과도한 영양소 섭취를 방지하기 위하여 작동시키는 조절기전일 가능성을 생각할 수 있다. 본 연구에서는 단기간의 당섭취 증가가 더 이상의 당섭취를 억제할 수 있는지를 평가하고 그 기전을 규명하고자 흰쥐에서 2시간 동안 다양한 조건으로 당섭취를 유도하고 1 시간의 휴식기간을 가진 후 인슐린 예민도를 측정하고 골격근을 분리하여 인슐린 수용체와 제 4 형 당수송체를 분석하여 당섭취량과 인슐린 감수성과의 상관관계를 규명하고 인슐린 수용체 결합능과 제 4형 당수송체량을 비교하였다. 실험군은 hyperinsulinemic glucose clamp 전에 시행한 당섭취의 조건으로써 5개 군으로 구분하였다. 제 I 군은 대조군으로 생리식염수만 주입하여 기초상태의 인슐린 농도와 혈당을 유지하였으며, 제 II 군은 somatostatin과 포도당을 주입하여 정상 인슐린농도와 고혈당을 유지하였으며, 제 III 군은 포도당을 주입하여 고인슐린증과 고혈당을 유지하였고, 제 IV 군은 인슐린(100 mU/kg/min)과 포도당을 주입하여 초고인슐린증(${\sim}4000{\mu}U/ml$)과 정상혈당(~100 mg/dl)으로 유지하였으며, 그리고 제 V 군은 인슐린과 포도당을 주입하여 초고인슐린증과 고혈당(~200 mg/dl)을 유지하였다. 체중, 공복시 혈당 및 인슐린 농도는 각 군 간에 유의한 차이가 없었다. Hyperinsulinemic euglycemic clamp 전에 주입한 포도당의 총량(gm/kg)은 제 II 군이 $1.88{\pm}0.151$, 제 III 군이 $2.69{\pm}0.239$, 제 IV 군이 $3.54{\pm}0.198$, 그리고 제 V 군이 $4.32{\pm}0.621$이었다. Hyperinsulinemic euglycemic clamp의 평형상태 당제거율(mg/kg min)은 제 I 군이 $16.9{\pm}1.74$, 제 II 군이 $13.5{\pm}0.53$, 제 III 군이 $11.2{\pm}0.52$, 제 IV 군이 $13.2{\pm}0.92$, 그리고 제 V 군이 $10.4{\pm}0.41$로 전체 군 간에 유의한 차이가 있었으며(p<0.001) 각 군간의 비교에서 제 II, III, IV, V 군의 값이 제 I 군에 비하여 유의하게 낮았다 (p<0.05). 전체 실험동물에서 포도당 주입량과 당제거율 사이에 역상관관계 (r=-0.701, p<0.001)를 보였다. 인슐린 수용체 결합과 Western blot으로 분석한 제 4형 당수송체량은 각 군 간에 유의한 차이가 없었다. 이상의 결과로 미루어 단기간의 당섭취 증가가 더이상의 당섭취를 억제할 수 있으나 인슐린 수용체 결합과 제 4형 당수송체의 숫적 감소없이 발생하였다.