Open Access

Sabine Berg

• Mehr als 20 Jahre Forschung zu Inkretinen führten zu neuen Klassen von Antidiabetika, den Inkretin Analoga und den DPP-4-Hemmern, die die biologische Halbwertzeit von GIP (Glucose dependent insulinotropic polypeptide) und GLP-1 (Glucagon-like-peptide-1) verlängert. Noch sind zahlreiche Fragen bezüglich der Effekte der beiden Inkretin Hormone GIP und GLP-1 bei gesunden Personen und diabetischen Patienten offen. Derzeit vorliegende Studien erlauben bisher nur einen sehr begrenzten direkten Vergleich zur insulinogenen Wirkung der beiden Inkretine. Die insulinogenen Wirkungen von GIP und GLP-1 wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit im direkten Vergleich in normoglykämischen und hyperglykämischen Ratten Modellen untersucht. Es wurde ein experimentelles Testmodell entwickelt, um die Dosis-abhängige Insulin-Antwort nach GIP und GLP-1 Injektion unter vergleichbaren Bedingungen messen zu können. Für GIP und GLP-1 konnte eine dosisabhängige Stimulation der Insulinsekretion unter Normoglykämie dokumentiert werden. GIP erwies sich als stärker insulinogen als das GLP-1. Bei ihrer Applikation vor dem standardisierten IVGTT (Intravasaler Glukose Toleranz Test) wirkten die Inkretine dosisabhängig insulinogen. Als äquipotente Dosen im IVGTT wurden 2 nmol/kg GIP und 4 nmol/kg GLP-1 identifiziert, belegt durch vergleichbare Glukose- und Insulinüberschreitungsflächen und einen vergleichbaren insulinogenen Index. Der durch die Inkretingabe erhöhte Glukoseabstrom war nach 2 nmol/kg GIP doppelt so hoch als nach 4 nmol/kg GLP-1 Gabe. Die kombinierte Gabe von GIP und GLP-1 induzierte eine im Vergleich zur Einzelapplikation stärkere biphasische Insulinfreisetzung. In einem nächsten Schritt wurde die insulinogene Wirkung der equipotenten Dosen GIP und GLP-1 unter systemischer DPP-4-Hemmung in Wistar Ratten untersucht. Dazu wurden 20 min vor dem Test 30 µmol/kg des DPP-4-Hemmers P32/98 oral verabreicht. Die Unterbindung der Inkretininaktivierung induzierte differente insulinogene Wirkungen von 2 nmol/kg GIP und 4 nmol/kg GLP-1. Während die DPP-4-Hemmung die durch das das GIP induzierte Insulinausschüttung, den insulinogenen Index und den Glukoseabstrom weiter verstärkte und die Glukosetoleranz verbesserte, führte sie nahezu zum Verlust der insulinogenen Potenz von GLP-1. Der Wirkungsverlust des GLP-1 unter systemischer DPP-4-Hemmung gab Anlass, den GLP-1 Metaboliten hinsichtlich eigener Wirkungen zu untersuchen. Die Gabe des GLP-1 Metaboliten vor dem IVGTT wies auf eine schwache eigene insulinogene Wirkung hin. Die durch die DPP-4-Hemmergabe induzierte Reduktion des Inkretineffektes von 4 nmol/kg intaktem GLP-1 (GLP-1 (7-36) amid) konnte durch die Kombination mit dem GLP-1 Metaboliten (GLP-1 (9-36)) nur gemindert werden. Bei hyperglykämischen ZDF Ratten induzierten 2 nmol/kg GIP und 4 nmol/kg GLP-1 einen vergleichbar großen Anstieg der Insulinkonzentrationen im Plasma. Dieser Anstieg fiel aber bei den hyperglykämischen Tieren geringer (3-fach) als bei den Wistar Ratten (5-fach) aus. Die Anstiege der Insulinkonzentrationen im Plasma hatten in den ZDF Ratten keine Blutglukose senkende Wirkung. Insgesamt wurde im Vergleich mit den Daten aus der Literatur noch einmal unterstrichen, dass die Form der Applikation von GIP und GLP-1 für deren insulinogene Wirkung von entscheidender Bedeutung ist. Bolusgaben, d.h. ein kurz anhaltender Stimulus und Infusionen von GIP und GLP-1 induzieren jeweils spezifische Wirkungen, die beim therapeutischen Einsatz von Bedeutung sein können. Die intravasalen Applikationen von GIP und GLP-1 als Boli über 10 Tage ergaben für das GLP-1 erwartete und bereits bekannte Effekte, für das GIP aber neue Erkenntnisse. Die Behandlung mit GLP-1 über 10 Tage reduzierte das Körpergewicht und senkte die Nüchternglykämie. Über diese für eine Diabetestherapie günstigen Effekte verfügt das GIP nicht. Die histologische Untersuchung des Pankreas nach der 10-tägigen Behandlung mit GIP zeigte im Vergleich zu Kontrolltieren eine höhere Zahl Insulin produzierender Zellen im Pankreas. Die GIP Injektionen übten damit einen messbaren Effekt auf die Erhaltung bzw. Neubildung Insulin produzierender Zellen aus. Die Bolus Applikation von GIP und GLP-1 vor dem IVGTT induzierte bei den hyperglykämischen Tieren einen kurzen Insulinanstieg, der aber durch die anschließende Glukosegabe nicht mehr induzierbar war, die ß-Zellen waren scheinbar erschöpft. Die systemische DPP-4-Hemmung verstärkte in den diabetischen Tieren die durch GIP induzierte Insulinausschüttung und senkte die Blutglukose. Im Gegensatz dazu wurde der insulinogene Effekt von GLP-1 durch die DPP-4-Hemmung nicht verändert. Damit wurden die bei den gesunden Ratten erhobenen Befunde in den ZDF Ratten Versuchen reproduziert. Die vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass das GIP eine Reihe wertvoller, die ß-Zellfunktion betreffenden Wirkungen besitzt. Die Arbeiten an GIP Analoga sollten weiter geführt werden, um das Potential des GIP bei der Therapie des Diabetes besser nutzen zu können.
• More than 20 years of incretin research resulted in the development of two classes of antidiabetic drugs, the injectable incretin analogues and the orally bioavailable dipeptidyl-peptidase-4 (DPP-4) inhibitors, which prolong the biological half-life of glucose-dependent insulin-releasing peptide (GIP) and glucagon-like peptide-1 (GLP-1). Currently, many questions concerning the actions of the incretin hormones GIP and GLP-1 in healthy persons and diabetic patients are still open. At present, available studies allow only a limited direct comparison of the insulin-releasing effects of both incretins. In the present work the insulin-releasing effects of GIP und GLP-1 were directly compared in normoglycemic and hyperglycemic rat models. An experimental test system was developed in rats to compare the insulin release in response to intravascular GIP and GLP-1 (GLP-1 (7-36) amid) injections. GIP and GLP-1 dose-dependently stimulated insulin release under normoglycaemia. GIP was identified as being a more potent stimulator of insulin release than GLP-1. Also the administration of these incertins prior to a standardized intravascular glucose tolerance test (IVGTT) induced a dose dependent increase of insulin secretion. GIP and GLP-1 equipotently stimulated insulin release at doses of 2 nmol/kg and 4 nmol/kg, respectively. These incretin doses resulted in similar glucose- and insulin- areas under the curve as well as similar insulinogenic indices during IVGTTs. The glucose assimilation was two times higher in response to 2 nmol/kg GIP compared to 4 nmol/kg GLP-1. The combined administration of GIP and GLP-1 induced a stronger biphasic insulin release than the application of each incretin alone. In a next step, the insulin-releasing effect of equipotent GIP (2 nmol/kg) and GLP-1 (4 nmol/kg) doses during systemic DPP-4 inhibition was investigated in healthy Wistar rats. For this purpose, 30 µmol/kg DPP-4-inhibitor P32/98 was given orally 20 min prior to the IVGTTs. DPP-4 inhibition differentially affected the insulin-releasing effects of GIP and GLP-1, respectively. During DPP-4 inhibition, the insulin-releasing action of GIP was potentiated as evidenced by increases in insulin release, insulinogenic index and glucose assimilation as well as by improved glucose tolerance. In contrast, systemic DPP-4 inhibition almost completely abolished the insulin-releasing effect of GLP-1. In order to investigate potential mechanisms that led to the loss of the insulin-releasing action of GLP-1 during systemic DPP-4 inhibition, the effects of the GLP-1 metabolite GLP-1 (9-36) on insulin release and glucose disposition were investigated. When given prior to the IVGTT, GLP-1 (9-36) had a weak insulin-releasing effect. Accordingly, co-administration of GLP-1 (9-36) and GLP-1 under systemic DPP-4 inhibition induced only a minor higher insulin-releasing effect compared to the administration of GLP-1 after pre-treatement with the DPP-4 inhibitor. In hyperglycemic Zucker diabetic fatty (ZDF) rats 2 nmol/kg GIP and 4 nmol/kg GLP-1 induced similar increases in plasma insulin concentrations. In ZDF rats the GIP and GLP-1-induced increases in plasma insulin concentrations were smaller than in normal Wistar rats and showed no blood glucose regulating effects. The present data show that the insulin-releasing effects of GIP and GLP-1 depend on the respective dosing regimens. This is in agreement with available data in the literature. Intravascular bolus GIP and GLP-1 administrations have specific effects which may be of importance for their therapeutic use. Different insulinogenic effects of bolus administrations and infusions of GIP and GLP-1 can be assumed. While the repeated 10-day intra-vascular GLP-1 administration induced expected effects such as body weight and blood glucose reduction in diabetic rats, the repeated 10-day GIP administration had no such effects. The histological examination of pancreatic tissue from ZDF rats treated with GIP for 10 days revealed an increased number and replication rate of insulin producing cells compared to respective control animals. In hyperglycemic animals, the bolus administration of GIP and GLP-1 prior to the IVGTT induced a brief insulin release but the consequent glucose administration in the IVGTT did not increase plasma insulin concentrations further. Perhaps the ß-cells of the hyperglycemic rats were exhausted. In diabetic animals the systemic DPP-4 inhibition increased the GIP-induced insulin secretion and decreased the blood glucose concentration. In contrast, the insulin-releasing effect of GLP-1 was not influenced by the DPP-4 inhibition. Thus, the findings on differential action of DPP-4 inhibition obtained in the healthy rats were nearly reproduced in the ZDF rats. The present data show that GIP has several favorable actions that support ß-cell function. Future investigations of GIP analogues are required to better characterize their therapeutic use for the treatment of diabetes mellitus.