Neue Ansätze zur Diabetesbekämpfung

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1 Innovation für die Gesundheit Neue Ansätze zur Diabetesbekämpfung Roche Mannheim September 2002 Media Roundtable

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3 Neue Ansätze zur Diabetesbekämpfung

4 Zum Titelbild Die doppelimmunfluoreszenzmikroskopische Aufnahme zeigt eine Langerhans sche Insel aus dem Pankreas einer Ratte. Paul Langerhans ( ) beschrieb 1869 in seiner Dissertation «Beiträge zur mikroskopischen Anatomie der Bauchspeicheldrüse» erstmals diese nach ihm benannten Inseln im Pankreas, allerdings ohne ihre Bedeutung zu erkennen. Die These, dass sie ein Sekret produzieren, welches wichtige Funktionen im Kohlenhydratstoffwechsel hat, wurde erst nach seinem Tod um 1893 von Gustave Edouard Laguesse ( ) aufgestellt. Heute wissen wir, dass in den Langerhans schen Inseln die Hormone Insulin und Glukagon (ein Insulinantagonist) produziert werden. Die insulinproduzierenden -Zellen befinden sich im Zentrum der Insel. Sie wurden mit einem speziellen Antikörper grün markiert. Die glukagonproduzierenden -Zellen formen einen «Ring» um die -Zellen. Sie wurden mit einem Antikörper selektiv rot gefärbt. Die Abbildung erstellte Olaf Mundigl, Abteilung Zellbiologie, Roche Penzberg. Herausgeber: F. Hoffmann-La Roche AG Corporate Communications CH-4070 Basel, Schweiz 2002 Wiedergabe der Texte und Bilder unter Angabe der Quelle gestattet. Alle erwähnten Markennamen sind gesetzlich geschützt. Diese Broschüre ist in Deutsch und Englisch erhältlich. Berichtet von: Dr. Sabine Päuser Gestaltung: Druck: Atelier Urs & Thomas Dillier, Basel Gissler Druck, Allschwil

5 Diabetes im Wandel Diabetes-mellitus-Erkrankungen nehmen weltweit in alarmierendem Ausmaß zu. Für das Jahr 2025 rechnen die Experten der Weltgesundheitsorganisation mit 300 Millionen Diabetikern. Zum Vergleich: Soviele Menschen leben derzeit in den Vereinigten Staaten. Diabetes mellitus, was bedeutet das? Bereits 1939 führte Harold Percival Himsworth ( ) in den Goulstonian lectures aus: «Diabetes mellitus ist eine Erkrankung, bei der die wesentliche krankhafte Veränderung in einer verminderten Fähigkeit der Gewebe zur Glukosenutzung besteht... zurückzuführen, entweder auf einen Insulinmangel oder eine Insulinunempfindlichkeit, obwohl es möglich ist, dass beide Faktoren gleichzeitig zum Tragen kommen». Eine laut Paul Zimmet für die damalige Zeit recht scharfsinnige Erkenntnis. Drei Jahre zuvor hatte Himsworth vorgeschlagen, dass es «den insulinabhängigen und den insulinunabhängigen Typ von Diabetes mellitus gäbe, wobei ersterer wohl auf einen Insulinmangel zurückzuführen sei». Dass es zwei unterschiedliche Typen von Diabetes mellitus gibt, einen, auf eine Diät leicht ansprechenden Typ, und einen, der sich trotz aller diätischen Therapiebemühungen zu einem damals unheilvollen Ende entwickelte, hatte allerdings schon Etienne Lancereaux ( ) Ende des 19. Jahrhunderts erkannt. Heute wissen wir, dass es sich bei der einen Form, bei Typ-1-Diabetes, um eine Autoimmunerkrankung handelt. Bei dieser Diabetesform gehen die insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse zugrunde. Insulinmangel entsteht. Das Hormon muss zugeführt werden, damit der «Brennstoff» Glukose in den Zellen ankommt. Typ-2-Diabetes ist primär eine Stoffwechselerkrankung. Insulin verliert zunehmend seine Wirksamkeit. Auch hier gelangt einerseits zu wenig Glukose in die Zielzellen und andererseits ziehen die erhöhten Blutglukosewerte stark beeinträchtigende Folgeschäden nach sich. Derzeit unterscheiden die Mediziner allerdings nicht mehr nur zwischen zwei Typen von Diabetes. Und auch die heute noch als Typ-2-Diabetes zusammengefassten Erkrankungen wird man eines Tages wahrscheinlich in viele unterschiedliche Erkrankungen aufsplitten können, je nachdem, welcher Stoffwechselmechanismus gestört ist. Die Erforschung der vielen unterschiedlichen genetischen Faktoren, die bei der Entwicklung eines Typ-2-Diabetes eine Rolle spielen, führt(e) die Forscher zur Entdeckung bisher unbekannter, weiter verzweigter Stoffwechselregulationsmecha-

6 nismen und auch zu neuen Angriffsmöglichkeiten für neue orale Antidiabetika. Auch die Suche nach den genetischen Ursachen von Typ-1-Diabetes-Erkrankungen ist spannend. Sie eröffnet neue Wege, den Ausbruch der Erkrankung möglicherweise präventiv zu verhindern. Internationale Studien, wie die United Kingdom Prospective Diabetes Study und der Diabetes Control and Complications Trial, haben zudem gezeigt, dass sich die gefürchteten Folgekomplikationen von Diabetes-Erkrankungen hinauszögern bzw. vermindern lassen, wenn eine möglichst normnahe Einstellung der Blutglukosewerte bei Diabetikern gelingt. Eine Voraussetzung dafür ist eine engmaschige Kontrolle der Blutglukosewerte. Seit Jahren ist die Entwicklung von Sensoren für eine schmerzarme und kontinuierliche Blutzuckermessung unter alltäglichen Bedingungen daher Ziel vielfältiger Forschungsaktivitäten. Die Referenten des Roche Media Roundtable «New Approaches in Diabetes Care», der am am Roche-Forschungsstandort Mannheim stattfand, sind auf all diese unterschiedlichen Aspekte im Kampf gegen die Geißel Diabetes mellitus eingegangen. Die folgenden Artikel sind als Zusammenfassung und Ergänzung ihrer Ausführungen gedacht.

7 Inhalt Diabetes mellitus: Eine Lawine rollt auf uns zu 7 Typ-1-Diabetes: Von der Ursachensuche zu Präventionsstudien 17 Können Vitamin-D 3 - Verbindungen den Ausbruch von Typ-1-Diabetes stoppen? 29 Unser Stoffwechsel entwickelte sich in Notzeiten 39 Beeinflussung körpereigener Regulationsmechanismen zur Therapie von Typ-2-Diabetes 47 Auf dem Weg zur künstlichen Bauchspeicheldrüse 61

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9 Diabetes mellitus: Eine Lawine rollt auf uns zu Als herausforderndstes Gesundheitsproblem des 21. Jahhundert bezeichnen die International Diabetes Foundation und die WHO den dramatischen Anstieg der Zuckerkrankheit, Diabetes mellitus, weltweit. Bei dieser Erkrankung liegen erhöhte Blutzuckerwerte vor, die zur «Verzuckerung» von Körpereiweißen und damit zu deren Funktionseinschränkungen führen. Man unterscheidet nach Ursachen und Verlauf hauptsächlich zwei Formen: den autoimmunen Typ-1-Diabetes und den durch eine Stoffwechselentgleisung verursachten Typ-2-Diabetes. Besonders tückisch: Oft beginnt ein Typ-2- Diabetes schleichend und wird erst anhand von drastischen Folgeschäden erkannt.

10 Honigsüßer Durchfluss Diabetes war schon in der Antike bekannt. Der Name Diabetes für die durch Harnflut und unersättlichen Durst gekennzeichnete Zuckerkrankheit wurde von dem griechisch-römischen Arzt Aretaios von Kappadokien (ca n. Chr.) geprägt, abgeleitet von dem griechischen Wort für hindurchfließen: Diabainein. Das Adjektiv mellitus stammt aus dem Lateinischen und bedeutet honigsüß. Es wurde vom deutschen Internisten Johann Peter Frank ( ) in die Bezeichnung der Zuckerkrankheit zur Abgrenzung von der Wasserharnruhr, Diabetes insipidus, eingeführt. Er war es auch, der den Ärzten die zu seiner Zeit übliche «Urinverkostung» ersparte, indem er 1790 den Hefegärungstest zur quantitativen Harnzuckerbestimmung einführte. Bei Diabetes insipidus wird sehr viel Harn aufgrund einer Störung der homonellen Steuerung der Wasserrückresorption durch die Nieren ausgeschieden. Bei unbehandeltem Diabetes mellitus hingegen liegen erhöhte Blutzuckerwerte aufgrund einer verringerten oder fehlenden Insulinproduktion oder einer verringerten Insulinwirkung vor. Man unterscheidet entsprechend den Ursachen und dem Verlauf mehrere Formen von Diabetes mellitus. Eine Klassifizierung der verschiedenen Typen, wie sie 1997 von der American Diabetes Association vorgenommen wurde, ist in Tab. 1 aufgeführt, da sie auch einen Überblick über die verschiedenen möglichen Ursachen von Diabetes mellitus gewährt [1-3]. Hauptsächlich unterscheidet man zwischen Typ-1-Diabetes (T1D), früher auch als IDDM bezeichnet (von engl.: insulin-dependent diabetes mellitus), und Typ-2-Diabetes (T2D), früher auch als NIDDM (von engl.: non-insulin-dependent diabetes mellitus) bezeichnet. Typ-1- und Typ-2-Diabetes sind die am häufigsten auftretenden Formen von Diabetes. Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten beider Erkrankungen sind zur schnellen Orientierung in Tab. 2 zusammengefasst. Über 90 % aller Diabetiker sind Typ-2-Diabetiker [4]. Erschreckende Zahlen Diabetes-Erkrankungen nehmen weltweit lawinenartig zu. Allein in Deutschland gibt es derzeit schon 5 10 Millionen Menschen mit Typ-2-Diabetes. Abbildung 1 zeigt die Gesamtzahl der Diabetiker in den einzelnen Teilen der Erde im Jahr 2000 und die für das Jahr 2010 prognostizierten Zahlen. Während derzeit ca. 151 Millionen Menschen an Diabetes leiden, wird sich diese Zahl bis zum Jahr 2010 auf 221 8

11 TABELLE 1: Einteilung der verschiedenen Diabetesformen nach Ursachen und Verlauf, entwickelt von der American Diabetes Association [1 3]. Bezeichnung Typ-1-Diabetes Typ-1 A Typ-1 B Typ-2-Diabetes andere Formen des Diabetes mellitus verursacht durch Ursachen, Charakteristika Zerstörung der insulinproduzierenden -Zellen mit absolutem Insulinmangel Zerstörung der -Zellen durch Autoimmunprozess, meist in jugendlichem Alter, (juveniler Diabetes), entsprechende Antikörper (siehe Tab. 2) nachweisbar (Dazu zählen auch Betroffene mit einem Erkrankungsalter über 30 Jahren, früher als LADA (von engl.: latent autoimmune diabetes mellitus of the adult) bezeichnet.) sich spontan ohne erkennbare Ursache entwickelnder T1D mit wahrscheinlich genetisch-ethischer Komponente, relativ selten, Insulinbedürftigkeit wechselnd Stoffwechselerkrankung mit Insulinresistenz der Zellen und Insulinmangel A) genetische Mutationen, frühere Bezeichnung MODY (von engl.: maturity-onset diabetes of the young), die zu Defekten der insulin- Unterscheidung zwischen MODY 1 MODY 6, MODY 2: Defekte auf produzierenden -Zellen führen Chromosom 20, betrifft Glukokinase B) genetische Defekte verursachen Insulinresistenz, z. B. Insulinrezeptordefekte der Insulinwirkung C) Erkrankungen des Entzündungen (Pankreatitis), zystische Fibrose, Pankreatektomie, Pankreas Hämochromatose D) Endokrinopathien Akromegalie, Cushing-Syndrom, Hyperthyreose, Conn-Syndrom E) Medikamente oder Chemikalien hervorgerufen z.b. durch Nikotinsäure, Glukokortikoide, -Interferon, Schilddrüsenhormone F) Infektionen z.b. Röteln während der Schwangerschaft im Mutterleib auf den Fötus übertragen, Zytomegalieviren G) Immunvermittlung Anti-Insulinrezeptorantikörper H) Erbkrankheiten, die mit Diabetes z. B. Down-Syndrom, Porphyrie mellitus assoziiert sein können Gestationsdiabetes durch die Stoffwechselveränderungen (erhöhte Glukose- und Insulinspiegel aufgrund der Mobilisierung von Energiereserven) während der Schwangerschaft erstmals auftretende gestörte Glukosetoleranz unterschiedlicher Ursache. Nach der Schwangerschaft erfolgt bei weiterhin erhöhten Blutzuckerwerten Unterteilung in T1D, T2D, IGT (von engl.: impaired glucose intolerance) und PAGT (von engl.: previous abnormality of glucose tolerance). Allerdings bleiben nur ca. 4 % aller Gestationsdiabetikerinnen auch nach der Schwangerschaft manifeste Diabetikerinnen [2]. Diabetes mellitus: Einführung und Epidemiologie 9

12 ABBILDUNG 1: Anzahl der Diabetesfälle in Millionen in den verschiedenen Regionen der Erde im Jahre 2000 (obere Zahl) und prognostiziert für das Jahr 2010 (untere Zahl). Mit Modifikationen nach [4]. Millionen steigern. Nach Schätzungen von Experten der Weltgesundheitsorganisation wird sie sich bis zum Jahr 2025 nahezu verdoppeln und auf 300 Millionen ansteigen! Zum Vergleich: In den Vereinigten Staaten leben derzeit ca. 281 Millionen Menschen [5]. Die genauen Ursachen für diesen dramatischen Anstieg sind unklar. Da die Menschen heute bei adäquater Behandlung nicht mehr aufgrund eines T1D sterben, bevor sie das Fortpflanzungsalter erreicht haben, kommt es u. a. zur Anhäufung jener Gene im Genpool der Menschen, die für die Ausbildung eines T1D empfindlich machen. Die Ursachen für die drastische Zunahme von T2D werden hauptsächlich in unseren veränderten Ess- und Lebensgewohnheiten vermutet (siehe Tab. 2). Was macht eine Diabeteserkrankung so gefährlich? Auch hier sprechen die Zahlen für sich: 12 % aller Erblindungen gehen auf das Konto von Diabetes [6], 40 % aller Diabetiker sterben an kardiovaskulären Komplikationen [7], 10

13 TABELLE 2: Unterschiedliche Ursachen für die Ausbildung einer Hyperglykämie bei Diabetikern. Ereignis Typ-1-Diabetes Typ-2-Diabetes genetische Prädisposition Hoch-Risiko-HLA-Allele Gene für Veranlagung, DR3 und DR4 auf Chromosom 6 einen Typ-2-Diabetes zu entwickeln auf Chromosom 2 Umweltfaktoren als Autoimmunerkrankung gefördert durch Übergewicht mögliche Auslösefaktoren -Casein der Kuhmilch in früher Jugend verminderte Muskelarbeit Vitamin-D-Mangel in früher Kindheit (?) Fehlernährung: Coxsacki-Viren - zu fett, Chemikalien - zu süss, - zu viel, Stress Veränderungen charakte- ristischer Marker im peripheren Blut Vorliegen von Autoantikörpern gegen -Zellbestandteile (Glutamatdecarboxylase (GAD), Tyrosinphosphatase IA-2, Insulinautoantikörper (IAA) bereits bis zu 10 Jahren vor klinischer Manifestation bei klinischer Manifestation bei T1D und T2D ohne bzw. mit ungenügender Therapie: erhöhte Blutglukosewerte, nüchtern: über 120 mg/dl (6,7 mmol/l), nach Mahlzeiten: über 180 mg/dl (10 mmol/l), erhöhte HbA 1c - Werte [9] Ursache für Ausprägung voranschreitende Zerstörung der periphere Insulinresistenz, der Hyperglykämie insulinproduzierenden -Zellen d. h. geringere Empfindlichkeit durch fehlgeleitete zytotoxische der Körperzellen gegenüber CD8 + -T-Lymphozyten und Makro- Insulin, zunehmend gestörte phagen, beide Immunzellen Insulinausschüttung, Erwerden durch IL-12-abhängige schöpfung der -Zellen durch Th1-Lymphozyten reguliert Überstimulierung, Zunahme der Glukoneogenese in der Leber 50 % aller Amputationen werden an Menschen mit T2D vorgenommen [7], 80 % aller Typ-2-Diabetiker haben Bluthochdruck [7] und die Hälfte aller Dialysepatienten sind Typ-2-Diabetiker! Wieso und wie kommt es zu diesen diabetischen Folgeschäden? Diabetische Spätfolgen Ein über längere Zeit erhöhter Blutzuckergehalt führt zur «Verzuckerung» von Eiweißen. Die Glukose reagiert in einer spontanen und reversiblen Reaktion (siehe Abb. 2) mit freien Aminogruppen von extrazellulären Proteinen aber auch intrazellulären Proteinen von insulinunab- Diabetes mellitus: Einführung und Epidemiologie 11

14 GLUKOSE PROTEIN SCHIFF SCHE AMADORI "ADVANCED BASE PRODUKT GLYCATION HbA 1c END PRODUCT" (AGE) H C O H C + HO H H H C C C C H H H H H N H H H HO H N C C C C H H H H HO H O N H N + C C C H N O C C O C C H C H H C C H H C H C C O C H H C H H C H H C H C H H mittlere mittlere mittlere Lebensdauer: Lebensdauer: Lebensdauer: Sekunden bis Wochen oder Jahre oder Stunden Monate für immer ABBILDUNG 2: Die Glykierung (Verzuckerung) von Proteinen (z. B. auch Hämoglobin). hängigen Zellen 1, da hier die Glukoseaufnahme schneller als der Glukoseverbrauch ist. Gelingt es nicht, durch geeignete therapeutische Maßnahmen den Blutzuckergehalt im normalen physiologischen Bereich von mg/dl zu halten, drohen in diesen Geweben (z. B. Retina, Augenlinsen, Nieren, Nervensystem und Gefäßendothel) eine Reihe von schweren Folgeerkrankungen. Wieso? Zunächst bilden sich Aldiminverbindungen, auch Schiff sche Basen genannt, die sich in einer langsameren mehrstündigen Reaktion in stabilere Ketoamin-Verbindungen umwandeln. Diese Verzuckerung (Glykierung) bestimmter Aminogruppen von Proteinen führt nicht nur zu Veränderungen der physikochemischen Eigenschaften der Proteine, sondern auch zu Funktionsänderungen. Damit nicht genug, reagieren diese zunächst gebildeten «frühen» Glykierungsprodukte oft unter 1 Insulin ist ein Hormon, welches den Membrantransport von Zuckern, Aminosäuren und Ionen in Muskel-, Leber- und Fettgewebe stimuliert. 12

15 Mitwirkung von Sauerstoffradikalen mit reaktionsfähigen Gruppen anderer Peptidketten zu komplexen Molekülaggregaten, zu sog. AGE-Verbindungen (von engl.: advanced glycation end products). Die Akkumulation von solchen AGE-Verbindungen führen zu den gefürchteten diabetischen Folgeschäden (siehe Abb. 3). So verursachen AGE-Kollagen-Verbindungen z. B. die Verdickung von Membranen und damit vor allem Veränderungen der kleinen Kapillargefäße (Mikroangiopathien), Erkrankungen der großen arteriellen Blutgefäße (Makroangiopathien), die Versteifung von Sehnen, Gelenkkapseln, Gefäßwänden sowie eine Minderung der Lungenelastizität. Bei Versuchen im Reagenzglas (in vitro) und an Mikroorganismen wurden auch Verzuckerungen der Desoxyribonukleinsäure (DNS),des Trägers der Erbinformation, nachgewiesen.sollten sich diese DNS-AGE-Verbindungen oder Protein-AGE-DNS- Quervernetzungen auch in menschlichen Zellen nachweisen lassen, hätte man eine Erklärung für die erhöhte Missbildungsrate der Feten von Diabetikerinnen mit schlecht eingestelltem Blutzucker gefunden. Bei schwangeren Diabetikerinnen mit gut eingestellten Blutzuckerwerten ist die Missbildungsrate dagegen nicht erhöht [8]. Körpereigenes Blutzuckergedächtnis das Hämoglobin, unterliegt bei erhöhten Blut- Auch der rote Blutfarbstoff in den Erythrozyten, zuckerwerten dieser Verzuckerung. Es gibt beim Menschen drei Hämoglobinvarianten, HbA, HbA 2 und HbF, die alle glykiert werden. Das Ausmaß der Glykierung hängt vom Ausmaß der Blutglukoseerhöhung und deren Dauer ab. Sie ist irreversibel und Enzymsysteme, die diese Verbindungen abbauen würden, sind nicht bekannt. Die Glykierung führt nur zu geringen, klinisch nicht signifikanten Funktionsstörungen des Hämoglobins. Aufgrund der mittleren Lebensdauer der roten Blutkörperchen von Tagen bzw. ihrer mittleren Halbwertszeit von 60 Tagen erlaubt die Bestimmung von glykierten Hämoglobinen eine retrospektive Langzeitkontrolle des Kohlenhydratstoffwechsels bei Diabetikern [9]. Bei gesunden Erwachsenen liegt das Hämoglobin zu 97 % als HbA vor [8]. Die Bezeichnungen der glykierten Hämoglobinverbindungen (z. B. HbA 1a, HbA 1b, HbA 1c oder HbA 0 ) leiten sich von den Ergebnissen einer analytischen Methode ab, der Ionenaustauschchroma- Diabetes mellitus: Einführung und Epidemiologie 13

16 Diabetische Retinopathie Veränderungen der Gefäße des Augenhintergrundes und Einsprossung von Netzhautgefäßen in den Glaskörper verursachen Schrumpfung des Glaskörpers, Zug an den Gefäßen und dadurch Netzhautabrisse, -einblutungen und Erblindung. Koronare Herzkrankheit Arteriosklerotische Ablagerungen und verminderter Blutfluss aufgrund eingeschränkter Vasodilatation in den Herzgefäßen verursachen Angina pectoris, Herzinfarkt, Herzinsuffizienz und plötzlichen Herztod. Diabetische Nephropathie Schädigungen des Kapillarnetzes führen zu Durchblutungseinschränkungen und Funktionsausfall. Bluthochdruck und Nierenversagen drohen. Diabetische Neuropathie Durchblutungsstörungen führen zu Sensibilitätsstörungen, Taubheitsgefühlen, Nervenschmerzen, Darmerkrankungen und Impotenz. Durchblutungsstörungen der unteren Exremitäten verursachen schlecht heilende, leicht infizierbare Geschwüre, die zu Amputationen bei 15 % aller Diabetiker führen. ABBILDUNG 3: Übersicht über diabetische Folgeschäden. tographie. Zur Einschätzung der Stoffwechsellage 6 8 Wochen vor Blutentnahme wird meist der HbA 1c -Wert genutzt (Blutzuckergedächtnis). Interessanterweise scheint die Glykierung von Hämoglobin bei Diabetikern und Nicht-Diabetikern bei gleichen Blutglukosekonzentrationen unterschiedlich stark ausgeprägt zu sein [10]. Daher sollte man sich eher am Verlauf der individuellen Werte eines Menschen und weniger an Referenzwerten für größere Populationen orientieren [11]. Welche Methode für die Feststellung Diabetes mellitus am besten geeignet ist: der HbA 1c -Wert, die Bestimmung des Plasmaglukosegehaltes aus dem venösen Blut 12 h nach Nahrungskarenz oder 14

17 die Bestimmung des Plasmaglukosegehaltes aus dem venösen Blut 2 h nach Nahrungsaufnahme, darüber streiten die Experten noch heute [9]. Wer sollte seinen Blutzuckergehalt regelmäßig Blutzuckergehalt hervorgerufen werden, recht- Um den Folgeschäden, die durch einen erhöhten testen? zeitig durch geeignete therapeutische Maßnahmen vorbeugen zu können, sollten folgende Personengruppen ihren Blutzuckergehalt regelmäßig überprüfen lassen: alle über 45-Jährigen, ohne besondere Risiken wie Übergewicht oder Diabeteserkrankungen in der Familie alle 3 Jahre, übergewichtige jüngere Menschen mit einem Body Mass Index (BMI) über 27, Verwandte ersten Grades von Menschen mit Diabetes, Angehörige von ethnischen Gruppen mit einem hohen T2D- Risiko wie Indianer und Afroamerikaner, Personen, deren Geburtsgewicht über 4500 g lag, Frauen, die während einer Schwangerschaft einen Diabetes entwickelt hatten, jüngere Personen mit Bluthochdruck (über 140/90 mm Hg), Personen mit erhöhten Blutfettwerten (HDL-Cholesterin unter 35 mg/dl und /oder Triglyzeride über 250 mg/dl) sowie Menschen mit gestörter Glukosetoleranz [1]. Quellen 1. Fiedler, H.: Neue Empfehlungen zum Diabetes mellitus. mta 14 (2): 83 85, Briese, V.: Diabetes in der Schwangerschaft (Gestationsdiabetes). mta 13 (2): 90 92, Mehnert, H., Standl, E., Usadel, K.-H.: Diabetologie in Klinik und Praxis. Thieme Verlag Stuttgart, Zimmet, P.: Alberti, K.G.M., Shaw, J.: Global and societal implications of the diabetes epidemic. Nature 414: , Diabetes 2001, Vital Statistics, American Diabetes Association Lindner, T.H.: Roche Media Roundtable: New Approaches in Diabetes Care Fiedler, H.: Ursache und Indikator von diabetischen Spätschäden. Die Glykierung von Proteinen. mta5: , Thomas, L.: Labor und Diagnose. 5. Aufl. TH-Books, Frankfurt am Main, Hudson P.R., Child, D.F., Jones, H. et al: Differences in rates of glycation (glycation index) may significantly affect individual HbA 1c results in type 1 diabetes. Ann Clin Biochem 36: , Fiedler, H., Zawta, B.: Basiswissen Labordiagnostik Diabetes mellitus und Metabolisches Syndrom. Informationsbroschüre der Firma Roche Diagnostics GmbH Diabetes mellitus: Einführung und Epidemiologie 15

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19 Typ-1-Diabetes: Von der Ursachensuche zu Präventionsstudien Bei Menschen mit Typ-1-Diabetes werden die insulinproduzierenden -Zellen der Bauchspeicheldrüse durch körpereigene Immunzellen zerstört. Was setzt diesen Autoimmunprozess in Gang? Diskutiert werden sowohl genetische als auch umweltbedingte Faktoren. Wie könnte man den Prozess aufhalten oder den Ausbruch des Typ-1-Diabetes präventiv verhindern? Zur Klärung dieser Fragen wurden mehrere Studien initiiert. Erste Ergebnisse liegen nun vor.

20 Auf der Suche nach den Typ-1-Diabetes oder insulinabhängiger Diabetes Ursachen von (IDDM, von engl: insulin-dependent diabetes Typ-1-Diabetes mellitus) ist eine Autoimmunerkrankung, bei der die insulinproduzierenden -Zellen in den Langerhans schen Inseln (siehe Abb. 1) der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) durch bestimmte fehlgeleitete körpereigene Immunzellen, sog. autoreaktive T-Lymphozyten, zerstört werden. Gefunden wurden in zerstörten Langerhans schen Inseln des Pankreas allerdings nicht nur eingewanderte CD4 + -T-Helferlymphozyten 1 und zytotoxische CD8 + -T-Killerlymphozyten [1], sondern auch wahre «Cocktails» unterschiedlicher Autoantikörper gegen Bestandteile der insulinproduzierenden - Zellen oder auch gegen Insulin. Die wichtigsten dieser Autoantikörper sind in Tab. 1 genannt. Wie kommt es zur Entwicklung ABBILDUNG 1: Langerhans sche Insel mit insulinproduzierenden -Zellen im Pankreas. (Histologisches Präparat, Färbung: Hämatoxylin-Eosin.) Beim erwachsenen Menschen gibt es ca. 1-2 Millionen solcher Inseln im Pankreasgewebe. Jede Insel enthält etwa 3000 Zellen. Sind über 80 % der insulinproduzierenden -Zellen zerstört, entwickelt sich ein Typ-1-Diabetes. Die Abbildung wurde uns freundlicherweise von Erika Novotny zu Verfügung gestellt. 1 CD steht für cluster of differentiation. Zusammen mit nachfolgenden Ziffern und Zeichen dient dies zur Charakterisierung immunkompetenter Zellen hinsichtlich Zelltyp (Differenzierungsantigene, Oberflächenrezeptoren) und Funktionszustand (z. B. Aktivierung). 18

21 TABELLE 1: Wichtige Autoantikörper, die bei der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes eine Rolle spielen. Bezeichnung Abkürzung Antigen zytoplasmatische reagieren mit Antigenen im Inselzell-Antikörper ICA Zytoplasma von Inselzellen im Pankreas Autoantikörper gegen Antikörper gegen die 65kDa GAD GADA Isoform des Enzyms Glutaminsäure-Decarboxylase (GAD von engl.: glutamic acid decarboxylase) Insulin-Autoantikörper IAA gegen körpereigenes Insulin Tyrosinphosphatase IA-2 gegen die intrazytoplasmatische Region der Tyrosinphosphatase einer solchen Autoimmunerkrankung? Sowohl vererbbare als auch umweltbedingte Faktoren spielen eine Rolle. Für einen großen Einfluss umweltbedingter Faktoren sprechen z. B. die beträchtlichen Unterschiede des Auftretens von Typ-1-Diabetes von Land zu Land. Sehr geringe Erkrankungsraten wurden in der asiatischen Bevölkerung gefunden. In Finnland dagegen rechnet man mit 35 Erkrankungsfällen auf Einwohner im Alter unter 15 Jahren pro Jahr bei einer Prävalenz 2 der Erkrankung von 0,4 %. Diese Situation ist schon in den baltischen Nachbarstaaten ganz anders. Obwohl die Bevölkerung Estlands derjenigen Finnlands ethnisch sehr ähnlich ist, beträgt die Wahrscheinlichkeit des Ausbruchs der Erkrankung hier nur ein Drittel von der in Finnland [2]. Als Umweltfaktoren werden z. B. die Ernährung im Säuglings- und Kleinkindalter sowie Infektionen mit Viren diskutiert. Molekulares Mimikry mit fatalen Folgen So enthält das virale Protein P2C von Coxsacki- B4-Viren (CVB4) Bereiche, die dem Enzym Glutaminsäure-Decarboxylase (GAD von engl.: glutamic acid decarboxylase) ähneln, welches in den Langerhans schen Inseln vorkommt [3, 4]. Dieses Enzym ist für die Synthese des biogenen Amins Gammaaminobuttersäure (GABA) verantwortlich. Coxsacki-Viren, so benannt nach der US-amerikanischen Stadt, in der sie 1948 erstmals isoliert wurden, sind weltweit verbrei- 2 Häufigkeit des Vorkommens einer bestehenden Krankheit in einer Population zu einer bestimmten Zeit. Typ-1-Diabetes: Ursachen und Vorbeugung 19

22 tet. Sie verursachen gehäuft im Sommer und Herbst so unterschiedliche Krankheitsbilder wie Hirnhautentzündung, Herzmuskelentzündung, grippale Infekte, Atemwegsinfektionen, Durchfälle oder Ekzeme. Das molekulare Mimikry des oben genannten Proteins mit Bestandteilen spezieller Coxsacki-Viren hat fatale Folgen: Die natürliche Selbsttoleranz, die normalerweise die körpereigenen Immunzellen, die T-Lymphozyten, davon abhält, sich gegen körpereigenes Gewebe zu richten, wird gebrochen. Dies führt zur Zerstörung der -Zellen im Pankreas. Autoantikörper gegen die 65 kda-isoform des Enzyms GAD können schon Jahre vor dem Auftreten eines Typ-1-Diabetes nachgewiesen werden. Sie wurden bei % der Typ-1-Diabetes-Patienten gefunden [5]. Forscher der Guy s, King s and St Thomas Hospital School of Medicine haben erst kürzlich publiziert, dass T-Lymphozyten von Patienten mit Typ-1-Diabetes sehr viel stärker auf die Hüllproteine VP1, VP2, VP3 sowie auf das P2C-Protein von CVB4 reagierten als gesunde Kontrollpersonen. Die Reaktion fiel umso heftiger aus, je kürzer die Diagnosestellung Typ-1-Diabetes zurücklag [6]. Unendlich wertvoll: Untersuchungen an Zwillingen zweieiigen, sind von unschätzbarem Wert, wenn Untersuchungen an Zwillingen, eineiigen und es darum geht, den Beitrag vererbbarer und umweltbedingter Faktoren zu ergründen, die zum Ausbruch einer Autoimmunerkrankung führen. Bei der Mehrzahl eineiiger Zwillinge mit einer Autoimmunerkrankung ist nur ein Zwilling betroffen. Manchmal tritt eine Autoimmunerkrankung beim zweiten Zwilling erst nach Jahren auf; sehr oft aber auch nicht. So zeigte eine Studie mit eineiigen Zwillingen, bei denen einer an Typ-1-Diabetes erkrankt war, dass nach 40 Jahren die Mehrheit der jeweils anderen Zwillinge nicht daran erkrankt war [8]. Bedeutet dies nun: Es gibt keine genetischen Ursachen für die Entwicklung eines Typ-1-Diabetes? Nein, denn eineiige Zwillinge sind genetisch nicht identisch, zumindest nicht ihre Baupläne für die Rezeptoren auf T-Lymphozyten sowie für die von den B-Lymphozyten gebildeten Antikörper betreffend. Auch wenn die Zwillinge gemeinsam aufwachsen, werden sie bezüglich ihrer zellulären und humoralen Antwort des Immunsystems nicht identisch sein können. 20

23 Vielfalt der Antikörper Im Blut eines Menschen zirkulieren viele verschiedene B-Lymphozyten, mit jeweils unterschiedlichen Anweisungen für den Bau von Millionen verschiedener spezialisierter Antikörper. Die immense Vielfalt der möglichen unterschiedlichen Antikörper, die ein Mensch bilden kann, resultiert aus einer Neukombination (Rearrangement) von wenigen Genen, welche die Bauplananweisungen für verschiedene Antikörperregionen aufweisen. B-Lymphozyten, die durch Kontakt mit einem Antigen dazu stimuliert werden, sich zu einer antikörperproduzierenden Plasmazelle umzuwandeln, können außerdem durch so genannte somatische Mutationen verändert sein. Daher sind selbst bei eineiigen Zwillingen Antikörper mit gleicher Spezifität, aber unterschiedlicher Primärstruktur zu erwarten [7]. Eine ähnliche genetische Steuerung der Antikörperproduktion weisen eineiige Zwillinge auch dann auf, wenn sie getrennt aufwachsen. So fand man beim gesunden Zwillingspartner eines eineiigen Zwillingspaares sehr viel öfter Kombinationen von Autoantikörpern, die mit dem Auftreten eines Typ-1-Diabetes assoziiert sind, als beim gesunden Zwillingspartner eines zweieiigen Zwillingspaares, von denen einer an Typ-1-Diabetes erkrankt war [8]. Unterschiede der T-Lymphozyten Auch das Repertoire möglicher Rezeptoren auf der Oberfläche von T-Lymphozyten, die eine Art Angelhaken für Eindringlinge darstellen, hängt nicht nur von der genetischen Ausstattung ab, die einem Menschen bei der Zeugung mitgegeben wurde, sondern u.a.: von der Prägung der T-Lymphozyten im Thymus und vom Kontakt mit stimulierenden Faktoren, z. B. mit Antigenen. Dies bedeutet, dass ständig neue Baupläne für diese Rezeptoren durch Wechselwirkungen von T-Lymphozyten mit Eindringlingen erstellt werden. Auch die enorme Vielfalt der T-Zell-Rezeptoren wird durch eine Neuordnung von Genabschnitten erreicht. Diese Neuordnung erfolgt vor der Synthese der betreffenden Peptidketten des Rezeptors. Möglicherweise besteht der Unterschied der Autoimmunantwort von eineiigen Zwillingen, bei denen nur einer erkrankte, auch nicht hinsichtlich T-Zell-Rezeptor-Erkennung von (vermeintlich körperfremden) Antigenstrukturen, sondern in funktionellen Unterschieden der T-Lymphozyten. So wurden beispielsweise die Häufigkeit des Auftretens und die Wirkungs- Typ-1-Diabetes: Ursachen und Vorbeugung 21

24 Empfindliches Gleichgewicht der T-Helferzellen T-Helfer-Lymphozyten, auch kurz als T-Helferzellen bezeichnet, setzen nach Kontakt mit einem Antigen zahlreiche Botenstoffe, sog. Lymphokine, frei. Mittels dieser Lymphokine regen sie beispielsweise B-Lymphozyten, die verschiedene Antikörper produzieren, zur Vermehrung an. Diese Lymphokine sind aber auch für die Immunantwort vom verzögerten Typ verantwortlich. Je nachdem, welche Botenstoffe freigesetzt werden, unterscheidet man verschiedene Subtypen von T-Helferzellen, die sich wiederum auch gegenseitig durch die freigesetzen Botenstoffe beeinflussen (siehe Abb. 2). Die zwei wichtigsten großen Untergruppen sind die Th1-Zellen, auch inflammatorische CD4 + -T-Zellen genannt, und die Th2-Zellen. Th1-Zellen produzieren: Interleukin (IL)-2, Interferon (IFN)- sowie Tumornekrosefaktor (TNF). Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Immunantwort vom verzögerten Typ, der Aktivierung von Makrophagen und der Reifung von zytotoxischen CD8-Vorläuferzellen (Aktivierung der zellulären Immunantwort). Th2-Zellen produzieren die Interleukine (IL)- 4, 5, 6, 10, 13 [11]. Sie beeinflussen damit die Reifung der B-Lymphozyten zu antikörperbildenden Plasmazellen. Die zelluläre Immunantwort wird herunter- und die Antikörperproduktion hinaufreguliert. Die beiden Zellsubklassen üben durch ihre jeweilige Zytokinproduktion eine hemmende Wirkung aufeinander aus, so dass zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils einer der beiden erwähnten Mechanismen der Immunabwehr bei einem (auto-)immunen Prozess zum Tragen kommt. Einige der Zytokine wirken auch als autokrine Wachstumsfaktoren. So regt IFN-, produziert von Th1-Zellen, z. B. die Vermehrung der Th1-Zellen an, während es die Vermehrung von Th2-Zellen hemmt. Das von den Th2-Zellen produzierte IL-10 blockiert wiederum die Aktivierung von Th1-Lymphozyten. Bei zahlreichen Autoimmunerkrankungen wird ein gestörtes Gleichgwicht zwischen diesen beiden Subklassen an T- Helferzellen diskutiert. Therapeutische Ansätze zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen, mittels Eingreifen IFN-γ Antigene Antigene Antigenpräsentierende Zellen Antigenpräsentierende Zellen Botenstoffe IFN-γ IL-2 TNF IFN-γ IL-4, IL-10 B-Zellen IgE Eosinophile Mastzellen IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-13 IL-4 IL-10 Botenstoffe Makrophagen- Aktivierung Immunantwort vom verspäteten Typ zytotoxische CD8-Zellen ABBILDUNG 2: Das Verhältnis der Th1- zu Th2- Lymphozyten wird nicht nur durch die Antigenkontakte, sondern auch durch die von ihnen produzierten Botenstoffe wechselseitig gesteuert. Die grauen Pfeile kennzeichnen stimulierende Wechselwirkungen. Die grünen Pfeile markieren hemmende Interaktionen. in die Regelung dieses Verhältnisses, befinden sich in der Untersuchung [11]. So sollte die selektive Erhöhung der Th2-Lymphozyten die durch Th1-Lymphozyten hervorgerufenen Gewebeschädigungen bei chronischen Autoimmunerkankungen wie z.b. Rheumatoide Arthritis, Typ-1-Diabetes, Multiple Sklerose oder Autoimmun-Thyreoditis zurückdrängen können. 22

25 weise von so genannten CD4 - CD8 - V 24J -T-Lymphozyten bei Geschwistern und eineiigen Zwillingen mit Typ-1-Diabetes untersucht. Diese speziellen T-Lymphozyten spielen wahrscheinlich eine bedeutende Rolle bei der Steuerung der Th1-Lymphozyten (siehe Kasten). Die CD4 - CD8 - V 24J -T-Lymphozyten der von Typ-1-Diabetes betroffenen Personen gaben nach Stimulierung nur Interferon- (IFN- ) ab, während diese speziellen T-Zellen von Nichtdiabetikern und auch die von nicht erkrankten eineiigen Zwillingspartnern von Patienten mit Typ- 1-Diabetes die Botenstoffe Interleukin-4 und IFN- absonderten. Der Verlust dieser Zellen, den Botenstoff IL-4 abzugeben, war also mit dem Auftreten eines insulinabhängigen Diabetes assoziiert. Da eineiige Zwillinge so unterschiedlich reagierten, ist unwahrscheinlich, dass es sich um eine vererbbare Veränderung der Zellen handelt. Nun muss untersucht werden, ob die Beeinflussung der Th1-Lymphozyten durch diese CD4 - CD8 - V 24J -T-Lymphozyten eine Voraussetzung oder eine Folge dieser Erkrankung ist [8, 9]. Zudem wurde beobachtet, dass Pankreastransplantate von einem eineiigen nichtdiabetischen Zwillingsspender in einen diabetischen Zwillingsempfänger durch einen Autoimmunprozess zerstört werden [10]. Weitere intensive Untersuchungen des Zwillingspartners von Patienten mit Typ-1-Diabetes haben eine Reihe von immunologischen Veränderungen ergeben, die im Zusammenhang mit der Erkrankung stehen und die, in unterschiedlichem Ausmaß, auch einen Vorhersagewert haben. Dazu zählen beispielsweise: Autoantikörper gegen Bestandteile (Antigene) im Zytoplasma der Zellen in den Langerhans schen Inseln (siehe Abb. 3), Aktivierung von T-Lymphozyten (besonders von zytotoxischen CD8 + -T-Zellen), vermehrte Bildung von CD45RA (einem Marker für das Vorhandensein unreifer T-Lymphozyten), erhöhte Serumspiegel von Zytokinen, die von Makrophagen freigesetzt werden, eine beeinträchtigte Glukosetoleranz sowie eine verminderte Insulinantwort auf eine intravenöse Glukosegabe [8]. Die Untersuchung der HLA 3 -Antigene DR3 und DR4 auf der Oberfläche von Immunzellen bei Geschwistern von Patienten 3 HLA = Humane Leukozyten-Antigene. Vererbbare Oberflächenmerkmale auf weißen Blutzellen. Typ-1-Diabetes: Ursachen und Vorbeugung 23

26 GADA IA-2 GADA IA ICA ICA a ABBILDUNG 3: Zahl der Patienten, bei denen einer oder mehrere Autoantikörper nachgewiesen wurden. (Bedeutung der Abkürzungen siehe Tab. 1.) a) Bei einer Gesamtzahl von 60 untersuchten Patienten mit erst kurz zuvor bestätigtem Typ-1-Diabetes waren bei vier Patienten keine dieser Autoantikörper nachzuweisen, während über die Hälfte der Patienten alle drei b Autoantikörper aufwiesen. b) Dies traf auch für die untersuchten Zwillingspartner von 30 eineiigen Zwillingspaaren zu, bei denen einer der Geschwister an Typ-1-Diabetes erkrankt war. Nur ein Zwilling, dessen Zwillingspartner an Typ-1-Diabetes erkrankt war, wies in dieser Untersuchung keine Autoantikörper auf. Abbildung mit Modifikationen entnommen aus [12]. mit Typ-1-Diabetes ist laut [6] sinnvoll. Das Risiko der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes beträgt 30 % bei Vorhandensein beider Merkmale DR3 und DR4 und 20 % bei Auftreten von nur DR3 oder DR4 [6]. Ist die Dauer des Stillens bedeutsam für die Entwicklung eines Typ-1-Diabetes? Auch andere Studien über Krankheitsrisikofaktoren bei Verwandten ersten Grades von Menschen mit Typ-1-Diabetes konnten wichtige Einblicke in die Pathogenese dieser Erkrankung gewähren. So geschieht die autoimmune Prägung der T- Lymphozyten gegen die insulinproduzierenden -Zellen offenbar sehr frühzeitig im Leben. Daher wurde große Aufmerksamkeit auf die Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs zwischen der Dauer des Stillens und dem Risiko der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes gelegt. 13 Fall-Kontroll-Studien ergaben einen Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Typ-1-Diabetes und einer Stilldauer vor weniger als drei Monaten. Auf der Suche nach den spezifischen 24

27 Bestandteilen der Kuhmilch, die für den Zusammenhang zwischen der Exposition gegenüber Kuhmilch und dem Auftreten eines Typ-1-Diabetes verantwortlich sein könnten, konzentrierte man sich zunächst auf das Protein BSA, von engl.: bovine serum albumin, da bei den meisten Menschen mit Typ-1-Diabetes Antikörper gegen dieses Protein gefunden wurden. Ein weiteres näher untersuchtes Kuhmilchprotein war Casein. In der Kuhmilch macht es mit 80 % den Hauptanteil der Proteine aus. In der Milch des Menschen stellt Casein nur 20 % des gesamten Proteingehaltes dar. 35 % des Caseins der Kuhmilch ist - Casein 4. Das -Casein der humanen Milch und der Kuhmilch ist nicht völlig identisch. Forscher haben herausgefunden, dass Patienten mit Typ-1-Diabetes im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen oder Patienten mit autoimmunen Schilddrüsenerkrankungen auf die Exposition gegenüber -Casein der Kuhmilch mit einer verstärkten Bildung von T-Lymphozyten reagierten. Weiterhin konnte bei Patienten mit erst kürzlich festgestelltem Typ-1-Diabetes ein signifikant höherer Antikörpertiter gegen -Casein als bei Gesunden festgestellt werden. Dies lässt stark vermuten, dass -Casein am Entwicklungsprozess eines Typ-1-Diabetes beteiligt sein könnte. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass der für -Zellen spezifische Glukosetransporter GLUT-2 Aminosäuresequenzhomologien mit dem -Casein der Kuhmilch, nicht aber mit dem der humanen Milch aufweist. Bei Patienten mit Typ-1-Diabetes wurden T-Lymphozyten gefunden, die sich gegen GLUT-2 richten. Sequenzhomologien existieren auch zwischen dem -Casein der Kuhmilch und verschiedenen Molekülen, die in den -Zellen vorkommen, wie p69 und Carboxypeptidase, beides mögliche Autoantigene bei der Entwicklung eines Typ-1-Diabetes [13]. Lässt sich die Ausprägung In Italien wurde im Zeitraum 1999 bis Frühjahr eines Typ-1-Diabetes 2002 eine nationales Präventionsprogramm, das verhindern? Diabfin 5 -Projekt durchgeführt. Dabei wurden Neugeborene mittels eines einfachen Bluttestes (siehe Kasten) auf genetische Hoch-Risiko-Marker für die Entwicklung eines Typ-1-Diabetes getestet. Neugeborene mit einem erhöhten Risiko wurden innerhalb der PREVEFIN-Präven- 4 Es gibt vier unterschiedliche Caseinformen: -, -, - und -Casein. 5 von engl.: Diabetes Finalised Italian Network. Typ-1-Diabetes: Ursachen und Vorbeugung 25

28 tionsstudie weiter betreut, d. h. wenn sie nicht gestillt wurden, erhielten sie bis zu einem Jahr nach der Geburt entweder Kuhmilchhydrolysat ohne Casein, oder eine Vitamin-D-Ergänzung (siehe Artikel zur protektiven Wirkung von Vitamin-D-Präparaten). Im Alter von zwei Jahren wurden die Kleinen dann auf Autoantikörper gegen Inselzellbestandteile als Marker einer Autoimmunität getestet. Dies wurde mit dem Antikörperstatus von entsprechenden Probanden ohne die Hoch-Risiko-Allele verglichen. In die Auswertung der Untersuchungen wurden auch die in Tab. 2 gezeigten Umweltfaktoren einbezogen [14]. Es zeigte sich dabei beispielsweise, dass die Länge der Schwangerschaft bei den Probanden mit einem aufgrund der HLA-Ausstattung hohen Typ-1-Diabetes-Risiko kürzer gewesen war als bei den Individuen mit einem geringen Risiko, und dies bei vergleichbarem Geburtsgewicht. Wurden die Kinder in den ersten vier Monaten gestillt, bildeten sie keine Antikörper gegen das Casein der Kuhmilch. Die Verknüpfung eines primären Screenings auf genetische Risikofaktoren und klinische Präventionsstudien zur Bekämpfung der Krankheitsausprägung stellt einen so viel versprechenden Ansatz zur Bekämpfung des Typ-1-Diabetes dar, dass weitere Studien geplant wurden. So haben das NIH (National Institutes of Health), die EASD (European Association for the Study of Diabetes) und die JDRFI (Juvenile Diabetes Research Foundation International) 2002 die weltweite Typ-1-Diabetes-Präventionsstudie TRIGR initiiert, die sie mit 30 Millionen US-Dollar unterstützen. Innerhalb dieser Studie werden 3000 Neugeborene mit mindenstens einem an Typ-1-Diabetes erkrankten Elternteil in zwei Gruppen aufgeteilt. Sobald die Mutter mit Stillen aufhört bzw. sobald mit der zusätzlichen Gabe von einem Kuhmilchprodukt begonnen wird, erhalten die Kleinen TABELLE 2: Umweltfaktoren, die innerhalb des Diabfin-Programms in die Auswertung miteinbezogen wurden. Ereignisse während der Ereignisse während der Ereignisse während der Schwangerschaft Neugeborenenperiode frühen Kindheit Arzneimitteleinnahmen Art der Entbindung Infektionen Erkrankungen der Mutter Behandlungen nach der Geburt Krankheiten Gewohnheiten der Mutter (z. B. Rauchen) Infektionen Stilldauer Länge der Schwangerschaft Krankheiten Abstillen Einführung anderer Nahrungsmittel als Muttermilch 26

29 Genetische Untersuchung innerhalb des Diabfin- Projektes an Neugeborenen bezüglich des Risikos, einen Typ-1-Diabetes zu entwickeln Das Erbgut der neuen Erdenbürger wurde mittels eines einfachen Bluttestes untersucht. Hierbei gelangten die PCR-Technologie (von engl.: polymerase chain reaction) zur Vervielfältigung bestimmter in der Probe enthaltenden Genabschnitte sowie gebundene SSO (von engl.: sequence-specific oligonucleotide)-sonden in linearer Anordnung zum Nachweis bestimmter Gensequenzen zur Anwendung. Der Test wurde von Roche Diagnostics, Alameda, Kalifornien, entwickelt. Mit diesem Test wurde nach dem Vorhandensein der mit einem sehr hohen Risiko behafteten Genotyp-Merkmale DR3-DQB1*0201/DR4- DQB1* zur Entwicklung eines Typ-1-Diabetes gefahndet. Diese Diabetes-Risiko-Untersuchung erforderte nur 25 l Nabelschnurblut. Es wurde mit den Primern für die HLA- DRB1- und die DQB1-Loci und anderen Reagenzien zum Start einer PCR-Reaktion gemischt und die Reaktion in Gang gesetzt. Das Amplifikat, d.h. die durch die PCR vervielfältigten einsträngigen DNS-Abschnitte, wurden dann mit den an einen Nylonstreifen gebundenen SSO-Sonden in Kontakt gebracht. Waren die aus der Probe stammenden DNS- Abschnitte und die Sonden komplementär, so konnten sie sich aneinander anheften, sie hybridisierten. Diese Hybridisierung wurde durch eine Farbreaktion angezeigt (siehe Abb. 4). Der Genotyp des Individuums bezüglich interessierender Merkmale konnte so anhand des Musters der hybridisierten Sonden ermittelt werden. In diesem Fall zeigten blaue Linien auf dem Teststreifen positive Signale an. ABBILDUNG 4: Blaue Linien auf dem Teststreifen zeigen eine Hybridisierung, d. h. die Anheftung einer einsträngigen DNS-Sonde an einen einsträngigen DNS-Abschnitt aus der zu untersuchenden Probe, an. der einen Gruppe ein weniger antigenes Kuhmilchhydrolysat. Die Mitglieder der Kontrollgrupppe dagegen erhalten ein herkömmliches Kuhmilchprodukt. Nach zwei Jahren werden die Probanden auf Inselzellantikörper und im Alter von 10 Jahren auf das Auftreten einer Typ-1-Diabetes-Erkrankung untersucht. 6 Dieser Genotyp führt zur Ausbildung der bereits erwähnten Antigene DR3 und DR4 auf der Oberfläche von Immunzellen. Typ-1-Diabetes: Ursachen und Vorbeugung 27

30 Quellen 1. Mathis, D., Vence, L., Benoist, C.: -Cell death during progression to diabetes. Nature 414: , Zimmet, P., Alberti, K.G.M.M., Shaw, J.: Global and societal implications of the diabetes epidemic. Nature 414: , Zimmet, P.: The challenge of diabetes; in: The Medical Challenge Herausgeber E. P. Fischer und G. Möller, Piper Verlag GmbH, München, Varela-Calvino, R., Sgarbi, G., Arif, S., Peakman, M.: T-Cell reactivity to the P2C nonstructural protein of a diabetogenic strain of coxsackievirus B4. Virology 274(1): 56 64, Varela-Calvino, R., Ellis, R., Sgarbi, G., Dayan, CM., Peakman M.: Characterization of the T-cell response to coxsackievirus B4: evidence that effector memory cells predominate in patients with type 1 diabetes. Diabetes 51(6): , Thomas, L.: Labor und Diagnose, 5.Aufl., TH-Books, Frankfurt am Main, van den Tweel, J.: Immunologie: das menschliche Abwehrsystem, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbh, Heidelberg, Salvetti, M., Ristori, G., Bomprezzi, R. et al: Twins: mirrors of the immune system. Immunology today 21(7): , Wilson, S.B., Kent, S.C., Patton, K.T. et al: Extreme Th1 bias of invariant V 24J Q T cells in type 1 diabetes. Nature 391: , Sibley, R.K., Sutherland, D.E., Goet, F., Michael, A.F.: Recurrent diabetes mellitus in the pancreas iso- and allograft. A light and electron microscopic and immunohistochemical analysis of four cases. Lab Invest 53: , Abbas, A.K.,Murphy,K.M.,Sher, A.: Functional diversity of helper T-lymphocytes. Nature 383: , Hawa, M., Rowe, R., Lan, M. S., Notkins, A., L., Pozzilli, P., Christie, M. R, Leslie, R.D.: Value of antibodies to islet protein tyrosine phosphatase-like molecule in predicting type 1 diabetes. Diabetes 46(8): , Pozzilli, P.: Prevention of insulin-dependent diabetes mellitus Diabetes Metab Res Rev 14: 69 84, Pozzilli, P.: Präsentation Roche Media Roundtable,

31 Können Vitamin-D 3 -Verbindungen den Ausbruch von Typ-1-Diabetes stoppen? Die im menschlichen Organismus aktive Form von Vitamin D 3 beeinflusst verschiedene Mechanismen des Immunsystems wie die Produktion von Botenstoffen oder die Ausbildung bestimmter signalgebender oder -empfangender Moleküle auf der Oberfläche von Zellen, die für zelluläre Wechselwirkungen bedeutsam sind. Daher wird die Substanz auch schon erfolgreich zur Behandlung der Schuppenflechte, einer Autoimmunerkrankung der Haut, eingesetzt. Könnten Vitamin-D 3 -Verbindungen auch zur Behandlung der Autoimmunerkrankung Typ-1-Diabetes eingesetzt werden? Die tierexperimentellen Daten sind viel versprechend.

32 Eher ein Hormon als ein Es gibt mehrere Formen von Vitamin D: D 1,D 2, Vitamin: Vitamin D 3 D 3 und D 4.Wichtig für den Menschen ist Vitamin D 3.Bei gesunden weißen Erwachsenen reicht in unseren Breitengraden im Sommer schon eine 10- bis 15- minütige Einwirkung von Sonnenlicht auf Gesicht, Hände und Arme zwei- bis dreimal mal pro Woche an einem klaren Tag, damit der Körper genügend Vitamin D 3 bilden kann [1]. Die UVB- Strahlung der Wellenlänge von nm 1 ermöglicht in der Haut die photochemische Bildung von Prävitamin D 3 aus der Provitamin-Vorstufe 7-Dehydrocholesterin. Dehydrocholesterin wiederum entsteht in der Leber durch Dehydrierung aus Cholesterin. Aus dem Prävitamin D 3 wird dann im Verlaufe von zwei bis drei Tagen durch eine thermisch induzierte Isomerisierung Vitamin D 3 (Cholecalciferol), wofür keine Einwirkung von Sonnenlicht mehr erforderlich ist. In der Leber bzw. der Niere wird Vitamin D 3 dann enzymatisch zum hochwirksamen 1,25-Dihydroxycholecalciferol, auch als 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 (1,25(OH) 2 D 3, siehe Abb. 1) bezeichnet, umgewandelt. 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 ist die eigentliche Wirkform im menschlichen Organismus [1, 2]. Ein Vitamin im eigentliche Sinne, also eine lebensnotwendige Verbindung, die vom Körper nicht selbst erzeugt, sondern mit der Nahrung zugeführt werden muss, ist Vitamin D 3 daher nicht, da alle Reaktionen zur Bildung von D 3 bei ausreichender UVB-Einstrahlung im Körper des Menschen ablaufen können. D 3 kann aber durchaus die Bedeutung eines Vitamins für Menschen haben, die nicht genug Sonnenlicht bekommen. Dazu zählen Personen, die sich viel im Haus aufhalten, bei denen der normale Prozess der Vitamin-D 3 -Bildung gestört ist, die eine höhere Hautpigmentierung aufweisen (dunkle Hautfarbe), die in Gegenden höherer Breitengrade mit geringer Sonneneinstrahlung leben, aber auch die über 70 Jahre alt sind und bei denen die Fähigkeit zur Bildung von D 3 in der Hautepidermis bis um das Zweifache herabgesetzt sein kann [3]. 1 Strahlung dieser Wellenlänge verursacht auch die gefährlichen Sonnenbrände und im Übermaß Hautkrebs. 30

33 ABBILDUNG 1: Struktur von 1,25-Dihydroxy-Vitamin D 3 (1,25(OH) 2 D 3 ). Die hochwirksame Verbindung wird vom Körper in Leber und Niere enzymatisch aus dem in der Haut durch eine photochemische Reaktion gebildeten Vitamin D 3 hergestellt. Vitamin-D 3 -Kristalle sind in der polarisationsmikroskopischen Aufnahme von Beat Ernst auf Seite 29 zu sehen. OH HO OH Vitamin-D-Verbindungen sind fettlösliche Verbindungen. D 3 findet man daher hauptsächlich in Fetten und Ölen tierischen Ursprungs, wie in Butter, Eigelb, Käse, Milch, Schweineleber, Speisepilzen, oder in Ölen von Seefischen, wie im berühmt berüchtigten Lebertran. Die chemische Struktur der Vitamin- D-Verbindungen ähnelt den Steroiden. Und wie die meisten Steroidverbindungen haben auch sie im Säugetierorganismus Hormonwirkung. 1,25(OH) 2 D 3 hat folgende Wirkungen mit Hormoncharakter: Es fördert die Resorption von Ca 2+ -Ionen im Darm. Es sorgt für die Rückresorption von Ca 2+ -Ionen in der Niere. Es mobilisiert Kalzium aus den Knochen und setzt dadurch Knochenumbauprozesse in Gang. Es sorgt aber auch für Kalzium- und Phosphataufnahme in Knochen, die von Rachitis und Osteoporose betroffen sind [2]. Es beeinflusst die Regulierung des Immunsystems. Diese Wirkungen entfaltet die Substanz über Bindung an einen Rezeptor an der Oberfläche der Membran der Zellkerne, dem sog. Vitamin-D-Rezeptor. Vitamin-D 3 -Mangel führt zu Rachitis. Überdosierung führt zu Störungen des Kalzium- und Phosphatstoffwechsels mit Verkalkung verschiedener Gewebe wie Nieren, Lungen, Arterien, Lymphknoten oder der Muskelschicht des Herzens und Entzug von Kalzium aus den Knochen. Der tägliche Bedarf an Vitamin D 3 liegt bei 0,02 mg für Erwachsene und bei 0,1 mg während des Wachstums [4, 5]. Typ-1-Diabetes: Therapie mit Vitamin-D 3 -Analoga 31