Development and use of a novel model of hepatic insulin extraction during an oral test

La regolazione del metabolismo del glucosio, in soggetti sani, si basa su un complesso sistema di controllo, che mira a mantenerne la concentrazione plasmatica in un range limitato (70÷180 mg/dl). L'insulina, un ormone secreto dalle beta-cellule pancreatiche, ha un ruolo fondamentale nell'omeostasi del glucosio, riducendone la produzione epatica, e stimolandone l'utilizzazione da parte degli organi insulino-dipendenti. L'incapacitá da parte delle beta-cellule di secernere adeguatamente l'insulina puó creare problemi metabolici, che possono anche provocare uno stato di intolleranza al glucosio, o addirittura il diabete mellito. Esistono due diversi tipi di diabete: il diabete di tipo 1 (T1DM), caratterizzato da una totale impossibilitá di secernere insulina da parte delle beta-cellule pancreatiche, e il tipo 2 (T2DM), in cui, a causa dell'insulino-resistenza, i tessuti non riescono a utilizzare adeguatamente il glucosio, e la secrezione insulinica è insufficiente per compensare questo difetto. Data la crescente diffusione del diabete, comprendere tutti i meccanismi coinvolti nel sistema di regolazione del glucosio è molto importante. Il fegato è un organo fondamentale nella regolazione del glucosio, poichè è anche responsabile dei livelli di insulina plasmatica, estraendone circa il 50% dalla circolazione portale, ad ogni passaggio attraverso di esso. La quantificazione dell'estrazione insulinica epatica (HE), sia in condizioni basali che in condizioni dinamiche (come per esempio dopo un carico orale di glucosio), è quindi fondamentale per descrivere il metabolismo del glucosio. Dato che una misura diretta di HE è molto invasiva, richiedendo l'inserzione di cateteri nella vena porta e epatica, si preferisce utilizzare metodi indiretti, basati sui modelli matematici. Tali modelli richiedono misure delle concentrazioni plasmatiche, e la conoscenza della cinetica del C-peptide, della secrezione e della degradazione dell'insulina. È infatti noto che insulina e C-peptide sono secreti in maniera equimolare dalle beta-cellule pancreatiche, ma soltanto l'insulina viene poi estratta dal fegato. Il primo modello disponibile in letteratura per descrivere HE è stato sviluppato da Toffolo et al., e descrive HE durante un insulin-modified intravenous glucose tolerance test (IM-IVGTT); questo modello fornisce una stima della secrezione insulinica (ISR) e della velocitá di comparsa dell'insulina nel plasma (IDR), rispettivamente dalle concentrazioni di C-peptide e insulina. HE viene quindi calcolata da questi due flussi. Piú recentemente, Campioni et al. hanno proposto un modello di stima di HE durante pasto. In questo caso HE è descritta come una funzione lineare a tratti, con un numero prefissato di punti, che sono i parametri stimati dal modello. La limitazione principale di questo approccio è che, benchè il profilo di HE venga ricostruito, non è fornita una relazione meccanicistica tra le variabili coinvolte, e quindi i parametri del modello non hanno un'immediata interpretazione fisiologica. Inoltre, la struttura del modello rende l'identificazione parametrica sensibile al rumore, poichè il profilo di HE puó essere soggetto a rapide variazioni a seguito delle fluttuazioni della concentrazione di insula periferica. Lo scopo di questo lavoro è quindi di superare gli svantaggi della descrizione di HE attualmente disponibile, proponendo un nuovo modello fisiologico della cinetica e estrazione dell'insulina. Il modello migliore viene selezionato tra sette nuovi modelli, che includono un numero di compartimenti crescente, e diverse descrizioni fisiologiche di HE, ciascuna contenente l'influenza di uno o piú controlli, come le concentrazioni plasmatiche di glucosio e insulina. Infatti, durante un test orale è possibile osservare che, mentre le concentrazioni di glucosio e insulina salgono, il profilo temporale di HE decresce. Questi modelli sono stati testati in 204 soggetti sani studiati con un pasto misto e campionato frequentemente (21 campioni). Il modello migliore è quindi stato selezionato in base a criteri standard (abilitá di predizione dei dati, precisione delle stime parametriche, parsimonia). Tale modello risulta comprendere una descrizione della cinetica dell'insulina a tre compartimenti, dove HE è funzione della concentrazione di glucosio. Una delle peculiarietá del modello è la possibilitá di ottenere un indice di sensibilitá di HE al glucosio (SGHE), oltre agli usuali indici basale (HEb) e totale (HEtot) di HE, giá presenti in letteratura. Inoltre, il nuovo modello fornisce buone performance anche in dati raccolti con un campionamento standard, quindi meno frequente (11 campioni). Il modello selezionato è stato quindi utilizzato in altri tre diversi database, costituiti da soggetti con vari gradi di tolleranza al glucosio, studiati durante un pasto misto standard, o un test orale di tolleranza al glucosio (OGTT). Il primo data set impiegato è composto da 62 soggetti prediabetici (ovvero sani, intolleranti al glucosio, e soggetti con ridotta glicemia a digiuno), sottoposti sia a un pasto misto con triplo tracciante, sia a un OGTT. Il modello si è dimostrato in grado di descrivere i dati adeguatamente durante entrambi i test, e gli indici di HE mostrano una correlazione con il grado di disfunzione nel metabolismo del glucosio. Il secondo data set consiste di 11 soggetti sani e 14 T2DM, di simile etá, peso e indice di massa corporea (BMI), sottoposti a pasto misto con triplo tracciante. Anche in questo caso il nuovo modello è in grado di predire i dati, e gli indici di HE (HEb, HEtot, SGHE) risultano significativamente diversi nei due gruppi. L'ultimo database è costituito da 14 soggetti T2DM, trattati sia con vildagliptin che con placebo prima del pasto; inoltre in t = 300 min, sono state somministrate 0.02 unitá/kg di insulina per via endovenosa (in un periodo di 5 minuti), permettendo quindi una migliore stima della cinetica dell'insulina. In questo caso il modello è stato usato in due modi differenti: prima analizzando tutti i campioni plasmatici a disposizione, quindi, successivamente, trascurando l'infusione di insulina, e considerando solo la parte iniziale del test. Un risultato interessante riguarda il fatto che il modello fornisce una buona correlazione tra i parametri di HE, calcolati nelle due diverse identificazioni. Quindi, riassumendo, è stato sviluppato un modello della cinetica dell'insulina, contenente una nuova descrizione fisiologica di HE. Questo modello permette una buona predizione dei dati disponibili durante pasto e OGTT, in tutto lo spettro di tolleranza al glucosio (soggetti sani, intolleranti e T2DM), fornendo inoltre un nuovo indice di sensibilitá di HE al glucosio.