Diyabet, Oksidatif Stres ve Endotel Disfonksiyonu

Diyabet sık görülen kronik seyirli bir metabolik hastalık olup karbonhidrat, yağ, protein ve elektrolit metabolizmasında bozukluklara yol açar. Kronik hiperglisemiyle seyreden, pankreastan insülin salgılanmasının eksikliği veya insülin etkisinin yetersizliği sonucu oluşan bir sendrom olarak da tanımlanabilir (1).

Diyabette insülinin kana salınımında azalma, kan glikozunun kullanımında azalma ve glikoz yapımında artma gibi faktörler kan glikoz düzeyinin yüksek kalmasına neden olabilir. Diyabette dolaşımdaki kanın glikoz seviyesinin yüksek olduğu düşünülürse, kalp ve damarlar başta olmak üzere, aslında tüm organ ve sistemleri ilgilendiren bir patoloji söz konusudur. Böbrek yetmezliğinin, erişkin körlüklerin ve travma dışı alt ekstremite ampütasyonlarının başta gelen nedeni, gelişmiş ülkelerde yapılan çalışmalara göre diyabettir (2).

Diyabetin tüm tiplerinde ana bulgu hiperglisemi olmakla birlikte, hiperglisemiye neden olan mekanizma farklıdır. Diyabet genel olarak tip 1 ve tip 2 olmak üzere iki alt gruba ayrılabilir (3). Tip 1 diyabet insülin salgılanmasında eksiklikle karakterize olup pankreas B hücrelerinin viral bir hasar, toksik veya otoimmün yıkımı nedeniyle gelişmektedir. Diyabet olgularının %10 kadarını oluşturan bu tip, juvenil diyabeti olarak da bilinir ve gelişme olasılığı ikinci dekadda artar (4). Tip 2 diyabet, glikoz seviyelerine oranla yetersiz insülin sekresyonu ve periferal hedef dokuların insüline olan direnci ile karakterize edilmekte ve genellikle beta hücre fonksiyonunun kaybı ile gerçekleşmektedir. Hedef hücrelerdeki mevcut insülin reseptörlerinin sayısındaki bir azalma, insüline yanıtın olmamasına neden olabilir (5,6).

Diyabetin sınıflaması, etiyolojisi ve patogenezinin giderek daha iyi anlaşılmasıyla sürekli yenilenmektedir. İki ana diyabet tipinin dışında Dünya Sağlık Örgütü sınıflandırmasında malnütrisyonla ilişkili diyabet, bazı koşullar ve sendromlarla beraber olan diyabet, bozulmuş glikoz toleransı ile beraber olan tip, gebelik diyabeti (gestasyonel diyabet) gibi özel diyabet tipleri de yer almaya başlamıştır (7). Bu özel tipler içerisinde en sık görülen gebelik diyabeti olup tip 2 diyabete benzerdir ve insülin direnciyle ilişkilidir. Gebelerde insülin direnci gebelik hormonları nedeniyle gelişmektedir.

Diyabetli hastalarda doku ve organlarda yapısal, biyokimyasal ve işlevsel birçok değişiklik oluşur. Akut komplikasyonlar hayati tehlike oluşturabilir. Uzun dönemde oluşan damar patolojileri ise organlarda işlev kaybına neden olur. Erken evrede kan glikozunun kontrol altına alınması ile vasküler komplikasyonların ilerlemesi engellenebilir; koroner arter hastalığı, diyabetik nefropatinin önüne geçilebilir (8).

Experimental Models of Diabetes Mellitus

Experimental animal models are the methods used to examine the mechanisms of the formation of diseases, to investigate the prevention and treatment possibilities of diseases. Some of the in vivo experiments in drug research are carried out in representative animal models, if possible. Some models are made by changing the animal’s diet or by making a lesion with toxic substances in specific target organs.  Experimental DM can be made by pancreotectomy or the destruction of pancreatic beta cells. Experimental animals such as mice, rats, rabbits, guinea pigs, hamsters, monkeys, pigs, dogs and cats can be used to create experimental DM (Figures 1 and 2). Experimental DM can be done with chemical agents (9,10), spontaneously (11,12) or through the virus (13). Although there are many experimental animal models defined today, none of these models can be fully equivalent to human DM.

There has been a significant increase in frequency of DM as frequency of obesity has increased throughout the world and type 2 DM constitutes 95% of DM worlwide. Therefore, there is a need to develop new approaches and to find better methods for the treatment of type 2 DM. In this way, the pathogenesis of vascular and neuronal lesions, and the mechanisms of action of therapeutic agents are tried to be clarified to prevent complications and risks associated with type 2 DM. Although there are various animal models on this subject, they generally do not match the course of type 2 DM and its clinical presentation in humans. For this reason, researchers are trying to create new animal models or combined models for type 2 DM. A successful model should include cheap, easy-to-apply and practically testable parameters aimed at the treatment of type 2 DM.

Diet with high fat content [high fat diet (HFD)] is thought to be quite a good way to produce insulin resistance, which is an important feature of type 2 DM. Although various studies on rats has reported that HFD does not cause hyperglisemia or DM, it causes insuline resistance (14-17). Streptozotocin (STZ) is the most widely used agent in animals to form experimental DM. STZ causes death in pancreatic b cells. High-dose STZ severely impairs insulin secretion and creates a pathology similiar to type 1 DM. It is known that low doses of STZ cause a moderate deterioration in insulin secretion, which is similar to the late phase of type 2 DM (18-20).

A new rat model with low dose STZ administration following HFD, which is in line with the metabolic characteristics and the natural course of type 2 DM has been tried to be established. Studies on DM with this model are quite high in recent years (14,18-21).

In addition to this combination, there are studies that indicate that repeated low-dose STZ administration can be performed. It is reported that repeated low-dose STZ administration, instead of one single high-dose STZ administration, may lead to gradual and autoimmune destruction of beta cells in rats (21-23).

Deneysel Diyabet Modelleri

Deneysel hayvan modelleri, hastalıkların oluşum mekanizmalarının incelenmesi, hastalıktan korunma ve tedavi olanaklarının araştırılması için kullanılan yöntemlerdir. İlaç araştırmalarında in vivo deneylerin bir kısmı, mümkünse temsili hayvan modellerinde yapılır. Bazı modeller hayvanın diyetini değiştirmek veya toksik maddelerle belirli hedef organlarda lezyon yapmak suretiyle yapılır. Deneysel diyabet de pankreotektomi ya da pankreasın beta hücrelerinin tahrip edilmesiyle yapılabilmektedir. Hayvanlarda deneysel diyabet oluşturmak için fare, sıçan, tavşan, kobay, hamster, maymun, domuz, köpek ve kedi gibi deney hayvanları kullanılabilmektedir (Resim 1 ve 2). Deneysel diyabet, kimyasal ajanlarla (9,10), spontane olarak (11,12) veya virüs aracılığıyla (13) yapılabilmektedir. Günümüzde tanımlanmış pek çok deneysel hayvan modeli olmakla beraber bu modellerin hiçbiri insan diyabetine tam olarak eş değer tutulamaz.

Obezitenin hızla artmasıyla dünya genelinde diyabet hastalığında da önemli bir artış olmuştur ve tip 2 diyabet bunların %95’ini oluşturmaktadır. Bu nedenle tip 2 diyabet tedavisine yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmek ve daha iyi yöntemler bulmak gerekmektedir. Tip 2 diyabete bağlı komplikasyonların, risklerin önüne geçmek için deneysel çalışmalar yapılmakta ve bu yolla vasküler ve nöronal lezyonların patogenezi, terapötik ajanların etki mekanizmaları aydınlatılmaya çalışılmaktadır. Bu konuda çeşitli hayvan çalışma modelleri de bulunmasına rağmen, genellikle bunlar tip 2 diyabetin seyri ve insandaki kliniğiyle pek uyum sağlamamaktadır. Bu nedenle araştırmacılar tip 2 diyabet için yeni hayvan modelleri ya da kombine modeller oluşturma gayreti içerisindedirler. Başarılı bir model ucuz, kolay uygulanabilir ve tip 2 diyabet tedavisine yönelik, pratik olarak kolay test edilebilir parametreleri içermelidir.

Tip 2 diyabetin önemli bir özelliği olan insülin direnci oluşturulmasında yüksek yağ içerikli diyetin [high fat diet (HFD)] oldukça iyi bir yol olduğu düşünülmektedir. Çeşitli çalışmalar sıçanlarda HFD ile beslenmenin net olarak hiperglisemi ya da diyabet oluşturmasa da insülin direnci oluşturduğunu bildirmektedir (14-17). Streptozotosin (STZ), deneysel diyabet oluşturmak üzere hayvanlarda en çok kullanılan ajandır. STZ, pankreas b hücrelerinde ölüme neden olur. STZ yüksek dozlarda insülin salınımını şiddetli olarak bozar ve tip 1 diyabete benzer bir tablo oluşturur. STZ’nin düşük dozlarının ise insülin salınımında ılımlı bir bozulmaya neden olduğu bilinmektedir ve bu da tip 2 diyabetin geç dönemiyle benzerlik göstermektedir (18-20).

Tüm bunlardan yola çıkılarak, HFD ve bunu izleyen düşük doz STZ uygulamasına yönelik, tip 2 diyabetin metabolik karakteristikleri ile hastalığın doğal seyrine uygun yeni bir sıçan modeli oluşturulmaya çalışılmıştır. Son yıllarda bu model ile yapılan diyabet çalışmaları oldukça fazladır (14,18-21).

Bu kombinasyonun dışında tekrarlı düşük doz STZ uygulamasının yapılabileceğini bildiren çalışmalar da vardır. Diyabet oluşturulmak üzere çalışılan sıçanlarda, tek yüksek doz STZ uygulaması yerine tekrarlı düşük doz STZ uygulamasının beta hücrelerinde kademeli ve otoimmün bir yıkıma yol açıyor olabileceği bildirilmiştir (21-23).

Diabetes Mellitus and Oxidative Stress

Although oxygen is very important and necessary for human life, some exogenous and endogenous reactive oxygen species have the potential to harm the organism (24). Many of them are free radicals and they are reactive oxygen species with high chemical reactivity. Free oxygen radicals (FOR) are formed by adding one or more unpaired electrons to the outer orbit of oxygen. Because these compounds contain unpaired electron in their final orbits, they form compounds that can easily react with other molecules and destroy them and cause very effective damage to the organism (25). They can damage many biological materials, including proteins, lipids, DNA, and nucleotide coenzymes. This damage accelerates aging and also may cause many diseases such as cardiovascular diseases, various types of cancer, cataract, attenuation of immune system and degenerative diseases of the nervous system (26).

Oxygen metabolism in living cells and many factors such as environmental pollutants, radiation and pesticides inevitably lead to the formation of oxygen free radicals. The main ones of these radicals are single oxygen, superoxide anion, hydroxy, peroxy and alkoxy radicals. In response to the damage of reactive oxygen species, different natural defense systems in the body control free radicals (Table 1).

Substances that prevents oxidation events due to free radicals and that have the ability to stabilize free radicals are referred as antioxidants (27). Antioxidants are divided into two types according to the mechanisms: primary and secondary antioxidants. Primary antioxidants are compounds that react with radicals to prevent them from becoming more harmful and forming new free radicals. Enzyme systems such as superoxide dismutase, glutathione peroxidase and catalase are primary antioxidants and are capable of destroying free radicals. In general, these enzymes can prevent the passage of free radicals from one cell to another by limiting the damage to cellular components such as DNA, proteins and lipids (24). Secondary antioxidants are compounds such as vitamin E, vitamin C, bilirubin, uric acid, and polyphenols that capture oxygen radicals and break radical chain reactions.

Oxidative stress is described as an important mechanism in the emergence of diabetic complications (28). The rate at which free radicals are formed and the rate at which they are eliminated are in a balance and this balance is called oxidative stability. In cases where oxidative stability is impaired, the organism is affected by free radicals. A decrease in the rate of elimination or increase in the rate of formation of free radicals can cause this. Oxidative stress reflects an important imbalance between antioxidant defense mechanism and free radical formation, resulting in tissue damage.

Mechanisms that increase oxidative stress in DM include; non-enzymatic glycosylation, autooxidative glycosylation, activity of sorbitol path, metabolic stress resulting from changes in energy metabolism, levels of inflammatory mediators, tissue damage that occurs as a result of changes in antioxidant defense system (29).

In hyperglycemia, free radicals are produced inside the cell. Pancreatic beta cells are one of the most sensitive structures to oxidative stress and the damage to them is thought to be due to a toxic effect of hyperglycemia. The expression rate of antioxidant enzymes such as glutathione peroxidase, superoxide dismutase and catalase in pancreatic islet cells is the lowest compared to other tissues (30). It has been reported that the levels of malondialdehyde (MDA) and glutathione pexidase, commonly used as an oxidative damage index, increase in liver, kidney and mitochondria in rats with DM produced by STZ. Diabetic rats have been shown to have increased MDA levels in their kidneys.

Hydrogen peroxide converts into hydroxyl radicals, a product of reactive oxygen species with high reactivity. It is believed that hydroxyl radicals have an important effect on insulin receptor signal pathway and signal transduction (31).

In various cell culture studies, free radical formation was observed when endothelial and smooth muscle cells were incubated in an environment containing high concentration of glucose (30). There is evidence that STZ, which is used to create experimental model of DM, also causes oxidative stress when damaging the pancreas and disrupts the responses of nitric oxide (NO) and leads to DM (31).

It is believed that not only increased level of blood sugar but also increased level of triglycerides in blood is a risk factor for development of diabetic complications (32). There is a consensus that lipid peroxidation is important in this relationship. There is evidence that lipid peroxidation increases in various tissues in DM. Lipid peroxidation may emerge enzymatically via lipooxygenase pathway from prostaglandins or nonenzymatically via effect of free radicals from lipids found in membranes of endothelial and phagocytic cells.

In addition, increase in low-density lipoprotein cholesterol (LDL) oxidation due to hyperglicemia has been shown in patients with DM with vascular complications. In addition, protein oxidation has been shown, especially in myelin, elastin and collagen which may result in diabetic complications such as atherosclerosis, cataract, angiopathy and nephropathy (33).

Diyabet ve Oksidatif Stres

İnsan hayatı için oksijen çok önemli ve gerekli olmasına karşın, ekzojen ve endojen bazı reaktif oksijen türleri organizmaya zarar verme potansiyeline sahiptir (24). Pek çoğu serbest radikal olan reaktif oksijen türleri kimyasal reaktivitesi yüksek oksijen formlarıdır. Oksijenin dış yörüngesine bir veya daha fazla eşleşmemiş elektron eklenmesiyle oksijen, serbest oksijen radikaline (SOR) dönüşür. Bu bileşikler de son yörüngelerinde ortaklanmamış elektron içerdikleri için kolayca diğer moleküllerle reaksiyona girerek onları tahrip edebilen bileşikler oluşturur ve organizmada çok etkili bir hasar meydana getirir (25). Protein, lipid, DNA ve nükleotid koenzimler gibi birçok biyolojik materyale zarar verebilir. Bu zararın yaşlanmayı teşvik ettiği ve ayrıca kalp damar hastalıkları, çeşitli kanser tür­leri, katarakt, bağışıklık sisteminde zayıflama, sinir sistemi dejeneratif hastalıkları gibi birçok hastalığa sebep olduğuna dair bilgiler bulunmaktadır (26).

Canlı hücrelerdeki oksijen metabolizması, çevre kirleticileri, radyasyon, pestisitler gibi birçok etmen kaçınılmaz bir şekilde oksijen türevi serbest radikallerin oluşumuna yol açmaktadır. Bu radikallerin başlıcaları; tekli oksijen, süperoksit anyonu, hidroksi, peroksi ve alkoksi radikalleridir. Reaktif oksijen türlerinin zararlarına karşılık vücuttaki farklı doğal savunma sistemleri serbest radikalleri kontrol altında tutmaktadır (Tablo 1).

Serbest radikallere bağlı oluşan oksidasyon olaylarını engelleyen, serbest radikalleri stabilize etme yeteneğindeki maddeler antioksidan olarak adlandırılmaktadır (27). Antioksidanlar mekanizmalarına göre, primer ve sekonder antioksidanlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Primer antioksidanlar; radikallerle reaksiyona girerek bun­ların daha zararlı formlara dönüşmelerini ve yeni serbest radikal oluşumunu önleyen bileşiklerdir. Bu kategoride yer alan süperoksit dismutaz, gluta­tyon peroksidaz ve katalaz gibi enzim sistemleri serbest radikalleri yok etme yeteneğindedir. Bu enzimler genel olarak serbest radikallerin DNA, proteinler ve lipid­ler gibi hücresel bileşenlere zarar vermesini sınırlandırmak suretiyle bir hücresel bölgeden diğerine geçişini de önle­yebilmektedir (24). Sekonder antioksidanlar ise; oksijen radikalini yakalayan ve radikal zincir reaksiyonlarını kıran E vitamini, C vitamini, bilirubin, ürik asit ve polifenoller gibi bileşiklerdir.

Diyabetik komplikasyonların gelişiminde oksidatif stres önemli bir mekanizma olarak tarif edilmektedir (28). Serbest radikallerin oluşum hızı ile bunların ortadan kaldırılma hızı bir denge içerisindedir ve bu dengeye oksidatif stabilite denir. Oksidatif stabilitenin bozulduğu durumlarda organizma, serbest radikallerden etkilenmektedir. Serbest radikallerin ortadan kaldırılma hızında bir düşme ya da oluşum hızında artma buna neden olabilir. Oksidatif stres denilen bu durum antioksidan savunma mekanizması ile serbest radikal oluşumu arasındaki önemli dengesizliği göstermekte olup doku hasarıyla sonuçlanmaktadır.

Diyabette oksidatif stresi artıran mekanizmalar, non-enzimatik glikozilasyon, otooksidatif glikozilasyon, sorbitol yolu aktivitesi, enerji metabolizmasındaki değişikliklerden kaynaklanan metabolik stres, enflamatuvar mediatörlerin düzeyleri, antioksidan savunma sistemindeki değişiklikler sonucu oluşan doku hasarıdır (29).

Hiperglisemide hücre içerisinde serbest radikaller üretilmektedir. Pankreas beta hücreleri, oksidatif strese en duyarlı yapılardan biridir ve burada oluşan hasarın hipergliseminin toksik bir etkisi olduğu düşünülmektedir. Pankreas adacık hücrelerinde glutatyon peroksidaz, süperoksit dismutaz, katalaz gibi antioksidan enzimlerin ekspresyonları, diğer dokularla karşılaştırıldığında en düşük düzeydedir (30). STZ ile diyabet oluşturulmuş ratlarda, bir  oksidatif  hasar  endeksi  olarak yaygın  kullanılmakta  olan  malondialdehid (MDA) ile glutatyon peoksidaz seviyelerinin karaciğer, böbrek ve mitokondrilerde arttığı bildirilmiştir. Diyabetik ratların böbreklerinde de MDA seviyelerinin arttığı gösterilmiştir.

Hidrojen peroksit, yüksek reaktiviteye sahip bir reaktif oksijen türü ürünü olan hidroksil radikaline dönüşmektedir. Diyabette insülin reseptör sinyal yolağında ve sinyal transdüksiyonu üzerinde hidroksil radikalinin önemli bir etkisi olduğu düşünülmektedir (31).

Yapılan çeşitli hücre kültürü çalışmalarında, endotel ve düz kas hücreleri yüksek konsantrasyonda glikoz içeren bir ortamda inkübe edildiğinde serbest radikal oluşumu gözlenmiştir (30). Deneysel diyabet modeli oluşturmak üzere kullanılan STZ’nin de pankreası harap ederken oksidatif stres oluşturduğuna ve nitrik oksit (NO) yanıtlarını bozarak diyabete yol açtığına dair kanıtlar vardır (31).

Yalnızca kan şekeri yüksekliği değil, kanda trigliserid düzeylerinin de yüksek olmasının diyabetik komplikasyonlar açısından önemli bir risk olduğu düşünülmektedir (32). Lipid peroksidasyonunun bu ilişkide önemli olduğu husunda görüş birliği vardır. Diyabette çeşitli dokularda lipid peroksidasyonunun arttığına dair kanıtlar vardır. Lipid peroksidasyonu, enzimatik olarak lipooksijenaz yolu ile prostoglandinlerden ya da serbest radikaller etkisi ile endotelyal ve fagositik hücrelerin membranlarında bulunan lipidlerden non-enzimatik yolla oluşabilir.

Bunun yanı sıra vasküler komplikasyonları gelişmiş diyabetik olgularda, düşük yoğunluklu lipoprotein (LDL) oksidasyonunda da hiperglisemiye bağlı bir artış gösterilmiştir. Bunlara ek olarak protein oksidasyonu da gösterilmiş olup özellikle miyelin, elastin ve kolajende gerçekleşen oksidasyon olayları sonucunda ateroskleroz, katarakt, anjiyopati ve nefropati gibi diyabetik komplikasyonların oluştuğu düşünülmektedir (33).

Diabetes Mellitus and Endothelial Dysfunction

Cardiovascular disease is the most important cause of morbidity and mortality in diabetic patients. These changes in the vessels due to DM are called micro or macrojaniopathy, according to the size of the vessel involved. The involvement of kidney vessels is called renal microangiopathy and it plays an important role in diabetic nephropathy. In the same way retinal microangiopathy causes diabetic retinopathy and microangiopathy of vaso nervorum causes diabetic neuropathy. Macroangiopathy is a severe form of atherosclerosis in diabetic patients which affects coronary, carotid and peripheral arteries and increases the risk of myocardial infarction and leads to the development of stroke and diabetic foot (34).

The most important factor in the development of microvascular angiopathies in DM is high blood sugar (35). In addition, factors such as obesity, high blood pressure, smoking, hypercholesterolemia and dyslipidemia can cause microangiopathy. In macroangiopathy, other risk factors that may cause microangiopathy come to the fore rather than high blood sugar. These risk factors lead to inflammation and endothelial dysfunction and, as a result, progressive damage to the vessel wall. Studies after the determination of the importance of endothelial dysfunction in micro and macroangiopathy formation have focused on this subject (36).

Endothelium is simply the inner layer of the vessel. Endothelial function is a key factor in regulation of vascular functions. Dysfunction of endothelium due to any damage is called endothelial dysfunction (37). Factors such as hypercholesterolemia, dyslipidemia, smoking and DM are among the risk factors that may lead to endothelial dysfunction. The development of retinopathy, nephropathy and atherosclerosis in diabetic patients is associated with endothelial dysfunction.

HFD can cause hypercholesterolemia and storage of cholesterol on artery walls. Atherosclerosis occurs as a result of the association of fatty degeneration (atherosis) and narrowing of the arteries (sclerosis). Atherosclerosis has been shown to impair endothelial vasodilation in experimental animal models (38) and in humans (39), and may lead to vasoconstriction and vascular spasm. Many studies have shown that the vascular relaxation response is caused by the relaxation factor (EDRF) originating from the endothelium (40). Later, EDRF was reported to be the same substance with NO (41).

Pathophysiology of endothelial dysfunction is complex and it can develop through various mechanisms. The most important of these mechanisms is reduction in the release of NO from endothelium. NO is the most important vasodilator substance released from endothelium. Besides vasodilatation, it inhibits the growth of smooth muscle cells and inflammation and also has antiaggregant effects. Many studies have reported that reduction in NO levels is associated with endothelial dysfunction. This may be due to a decrease in the activity of endothelial NO synthetase (eNOS) or a decrease in the biological activity of NO. It is known that FORs react with NO and cause formation of peroxynitrite and this cytotoxic oxidant disrupts the function of cellular proteins via the nitration of proteins and leads to endothelial dysfunction. Peroxynitrite plays a proatherogenic role leading to oxidation of LDL. It also reduces eNOS activity by interacting with tetrahydrobiopterin, a cofactor of eNOS. Increase in oxidative stress causes more production of FORs by activating the reductase function of eNOS enzyme. FORs also initiate proinflammatory events on the vessel wall. FORs increase adhesion (vascular cell adhesion molecule and intersellular adhesion molecule) and production of chemotactic molecules (macrophage chemotactic peptide) increase. The onset of inflammation decreases the activity of NO. C-reactive protein has been shown to reduce eNOS activity (42).

Oxidative stress reduces NO levels and leads to deterioration of endothelium-dependent vasodilation. In patients with chronic renal failure, oxidative stress markers have been shown to increase with deterioration of endothelial functions. FORs are also thought to induce endothelial damage by causing apoptosis (42).

Another mechanism leading to NO reduction is increase in asymmetric dimethyl arginine (ADMA) level which is endogenous compensatory inhibitory of eNOS enzyme. ADMA is a product that is produced during protein catabolism and is eliminated via kidneys or via metabolizing to citrulline. It has been shown that eNOS inhibition is associated with increased plasma ADMA levels in patients with chronic renal failure. A negative correlation was found between the increase in ADMA levels and endothelium-associated vasodilation in hypercholesterolemic individuals, and the infusion of L-arginine, which is the substrat of eNOS enzyme and competative inhibitor of ADMA, has been shown to improve endothelial functions (42).

Endothelial dysfunction in DM manifests itself with imbalance between vasoconstriction and vasodilation. In large arteries, NO plays a major role in endothelium-dependent relaxation. The abnormal production or response of NO contributes to vascular and endothelial dysfunction seen in DM.

NO is produced as a result of oxidation of guanido nitrogen of L-arginine amino acid by NO synthase (NOS). It is an unstable substance and is reduced to nitrite and nitrate. Synthesis of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, calmodulin, oxygen and as cofactors; hem, flavin, mononucleotide, flavin adenine dinucleotide and tetrahydrobiopterin are required. The NOS enzyme, which is a tool for NO synthesis, has three different isoforms: neuronal, endothelial and immunological. Neuronal and endothelial isoforms are named as structural NOS (43).

Hyperglycemia affects NO formation and function; it also increases the formation of superoxide. It is thought that the imbalance between the production of superoxide and NO leads to endothelial dysfunction in DM (44). The superoxide inactivates NO by converting it into peroxynitrite, thereby reducing NO formation and bioavailability. In the treatment of vascular complications of DM, the goal should be to increase NO formation and bioactivity and reduce the formation of reactive oxygen radicals.

In coronary arteries of diabetic rats, the decrease in acetylcoline-induced vascular relaxation was associated with a decrease in plasma NO levels and expression of eNOS protein (45). A similar result was obtained in thoracic aorta of rats which were made diabetic with STZ (20). Endothelial NOS synthesizes NO in endothelium. Endothelial NO synthesis and vasodilation were significantly impaired in diabetic rats with insulin resistance. Expression of eNOS in diabetic rats was shown to decrease.

Diyabet ve Endotel Disfonksiyonu

Kardiyovasküler hastalıklar, diyabetik hastalarda en önemli morbidite ve mortalite nedenidir. Diyabete bağlı damarlarda meydana gelen bu değişimler, tutulan damarın büyüklüğüne göre, mikro veya makroanjiyopati olarak adlandırılır. Böbrek damarlarının tutulumuna renal mikroanjiyopati denir ve diyabetik nefropatide önemli rol oynar. Aynı şekilde retinal mikroanjiyopati de diyabetik retinopatiye, vaso nervorumların mikroanjiyopatisi ise diyabetik nöropatiye sebep olur. Diyabetik hastalardaki makroanjiyopati ise aterosklerozun ileri bir şekli olup; koroner, karotis ve periferik arterleri etkileyerek miyokard enfarktüsü riskini artırır, inme ve diyabetik ayak gelişimine neden olur (34).

Diyabette gelişen mikrovasküler anjiyopatilerde en önemli etken yüksek kan şekeridir (35). Bunun yanı sıra obezite, tansiyon yüksekliği, sigara, hiperkolesterolemi, dislipidemi gibi faktörler de mikroanjiyopatiye neden olabilmektedir. Makroanjiyopatide ise kan şekeri yüksekliğinden ziyade mikroanjiyopatiye de neden olabilen diğer risk faktörleri ön plana çıkmaktadır. Bu risk faktörleri enflamasyon ve endotel disfonksiyonuna ve bunun sonucu olarak damar duvarında ilerleyici bir hasara yol açar. Mikro ve makroanjiyopati oluşumunda endotel disfonksiyonunun öneminin ortaya konmasını takiben yapılan çalışmalar bu konuya odaklanmıştır (36).

Endotel, basitçe damar iç katmanı olup, damar fonksiyonlarının düzenlenmesinde anahtar rol oynamaktadır. Endotelin herhangi bir nedenle oluşan hasara bağlı fonksiyon görememesine endotel disfonksiyonu denir (37). Hiperkolesterolemi, dislipidemi, sigara kullanımı ve diyabet gibi faktörler endotel disfonksiyonuna neden olabilecek risk faktörleri arasındadır. Diyabetik olgularda gelişen retinopati, nefropati ve ateroskleroz endotel disfonksiyonuyla ilişkilidir.

HFD, hiperkolesterolemi oluşturarak arter duvarlarında kolesterol depolanmasına yol açabilir. Yağlı dejenerasyon (ateroz) ve damar daralması (skleroz) birlikteliğinin bir sonucu olarak ateroskleroz oluşmaktadır. Aterosklerozun endotele bağlı vazodilatasyonu bozduğu deneysel hayvan modellerinde (38) ve insanlarda (39) gösterilmiş olup vazokonstrüksiyona ve damar spazmına yol açabileceği düşünülmektedir. Pek çok çalışma vasküler gevşeme yanıtının endotelden kaynaklanan relaksasyon faktörü (EDRF) aracılığıyla olduğunu göstermiştir (40). Daha sonraları EDRF’nin NO ile aynı madde olduğu bildirilmiştir (41).

Endotel disfonksiyonunun patofizyolojisi karmaşıktır ve çeşitli mekanizmalar yoluyla oluşabilir. Bu mekanizmalardan belki de en önemlisi endotelden NO salınımında azalmadır. NO endotelden salınan en önemli vazodilatatör maddedir. Vazodilatasyon yanında düz kas hücrelerinin büyümesini ve enflamasyonu inhibe eder, aynı zamanda antiagregan etkileri de vardır. NO düzeylerinde azalmanın endotel disfonksiyonu ile ilişkili olduğu pek çok çalışmada rapor edilmiştir. Bu durum endotelyal NO sentetaz (eNOS) enziminin aktivitesinin azalmasından veya NO’nun biyolojik aktivitesinde azalmadan kaynaklanabilir. SOR’ların NO ile reaksiyona girerek peroksinitrit oluşumuna neden olduğu, bu sitotoksik oksidanın da proteinlerin nitrasyonu yoluyla hücresel proteinlerin fonksiyonunu bozarak endotel disfonksiyonuna yol açtığı bilinmektedir. Peroksinitrit, LDL’nin oksidasyonuna yol açarak proaterojenik rol oynar. Aynı zamanda eNOS’un kofaktörü olan tetrahidrobiopterin ile etkileşerek eNOS aktivitesini azaltır. Oksidatif stres artışı eNOS enziminin redüktaz fonksiyonunu aktif hale geçirerek daha fazla SOR oluşumuna neden olur. SOR da damar duvarında proenflamatuvar olayları başlatır. SOR, adezyonu (vasküler hücre adezyon molekülü ve interselüler adezyon molekülü) ve kemotaktik molekülleri (makrofaj kemotaktik peptid) artırır. Enflamasyonun başlaması NO’nun aktivitesini azaltır. C-reaktif proteinin de eNOS aktivitesini azalttığı gösterilmiştir (42).      

Oksidatif stres, NO düzeylerini azaltır ve endotel bağımlı vazodilatasyonun bozulmasına neden olur. Kronik renal yetmezlikli hastalarda da oksidatif stres belirteçlerinin endotel fonksiyonlarının bozulmasıyla arttığı gösterilmiştir. SOR’un ayrıca apoptozise yol açarak endotel hasarını tetiklediği düşünülmektedir (42).

NO azalmasına yol açan bir diğer mekanizma eNOS enziminin endojen kompetetif inhibitörü olan asimetrik dimetil arjinin (ADMA) düzeylerindeki artıştır. ADMA protein katabolizması sırasında ortaya çıkan bir üründür, böbrekler yoluyla veya sitrülline metabolize edilerek elimine edilir. Kronik renal yetmezlikli hastalarda eNOS inhibisyonunun artmış plazma ADMA düzeyleri ile ilişkili olduğu gösterilmiştir. Hiperkolesterolemik bireylerde ADMA düzeylerindeki artış ile endotele bağımlı vazodilatasyon arasında negatif korelasyon bulunmuş, eNOS enziminin substratı ve ADMA’nın kompetetif inhibitörü olan L-arjinin infüzyonunun endotel fonksiyonlarını düzelttiği gösterilmiştir (42).

Diyabette endotel disfonksiyonu, vazokonstrüksiyon ve vazodilatasyon arasında dengesizlikle kendini gösterir. Büyük boy arterlerde NO, endotele bağlı gevşemede ana rolü üstlenmektedir. NO’nun anormal üretimi ya da yanıtı diyabette görülen vasküler ve endotel disfonksiyonuna katkıda bulunmaktadır.

NO, NO sentaz (NOS) aracılığıyla, L-arjinin amino asidinin guanido nitrojeninin oksitlenmesi sonucu oluşur. Stabil olmayan bir madde olup nitrit ve nitrata indirgenir. Sentez için nikotinamid adenin dinükleotid fosfat, kalmodulin, oksijen ve kofaktör olarak hem, flavin, mononükleotid, flavin adenin dinükleotid ve tetrahidrobiyopterin gereklidir. NO sentezine aracı olan NOS enziminin nöronal, endotelyal ve immünolojik olmak üzere üç farklı izoformu vardır. Bunlardan nöronal ve endotelyal izoformlar, yapısal NOS şeklinde isimlendirilmiştir (43).

Hiperglisemi, NO oluşumu ve fonksiyonunu etkiler; ayrıca süperoksit oluşumunu artırmaktadır. Diyabette endotel disfonksiyonuna süperoksit ve NO üretimi arasındaki dengesizliğin yol açtığı düşünülmektedir (44). Süperoksit, NO’yu peroksinitrite dönüştürerek inaktive eder; böylelikle NO oluşumunu ve biyoyararlanımını azaltır. Diyabetin vasküler komplikasyonlarının tedavisinde hedef, NO oluşumu ve biyoaktivitesini artırmak ve reaktif oksijen radikallerinin oluşumunu azaltmak olmalıdır.

Diyabetik sıçanlarda koroner arterlerde, asetilkolinle oluşan damar gevşemesindeki düşüşlerin, plazma NO seviyelerinde ve eNOS protein ekspresyonundaki azalma ile birlikte olduğu gösterilmiştir (45). STZ ile diyabet oluşturulmuş sıçanların torasik aortlarında benzer bir sonuç elde edilmiştir (20). Endotel NOS, endotelde NO sentezini sağlamaktadır. İnsülin rezistansı olan diyabetik sıçanlarda endotelde NO sentezi ve vazodilatasyon önemli ölçüde bozulmuştur. Diyabetik sıçanlarda eNOS ekspresyonunun azaldığı gösterilmiştir.

Diyabete bağlı vasküler komplikasyonların gelişiminden endotel disfonksiyonu sorumludur. Endotel disfonksiyon gelişimi, oksidatif stres ve buna bağlı oluşan bir patolojik sürecin sonucudur. Oksidatif stres kaynaklarını azaltmak ve antioksidan tedaviler diyabette endotel disfonksiyonu gelişimini önleyerek ağır komplikasyonların önüne geçmede yardımcı olabilir. Yeni tedavi alternatiflerinin oluşturulabilmesi açısından fizyopatolojik sürecin iyi bilinmesi önem taşımakta olup bu konuda hem deneysel hem de epidemiyolojik çalışmalara gereksinim oldukça fazladır.