Polyzystisches Ovarialsyndrom bei Typ-1-Diabetes

Funktioneller ovarieller Hyperandrogenismus und seine häufigste phänotypische Ausprägung, das polyzystische Ovarialsyndrom (PCOS), weist weltweit eine ähnliche Prävalenz auf wie andere pandemische Stoffwechselentitäten wie Typ-2-Diabetes, mit Zahlen, die je nach den neuesten und umfassendsten diagnostischen Kriterien von 6,5 % der Frauen in unserem Umfeld unter Verwendung strenger klassischer Kriterien bis zu 17–21 % der prämenopausalen Frauen aus Europa und den USA reichen. Fast alle klassischen und nicht-klassischen kardiovaskulären Risikofaktoren treten bei Frauen mit dieser Erkrankung bereits früh im Leben gehäuft auf. Erkrankungen wie Adipositas, Typ-2-Diabetes, Hypertonie oder Dyslipidämie setzen diese häufige Population im Vergleich zu nicht-hyperandrogenen Frauen einem höheren Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse aus. PCOS ist ein komplexes Syndrom mit familiärer Häufung, bei dem schützende und begünstigende Umweltfaktoren das Auftreten des hyperandrogenen Phänotyps und seiner metabolischen Auswirkungen auf einen prädisponierenden Genotyp auslösen.

POLYZYSTISCHES OVARIALSYNDROM UND TYP-1-DIABETES MELLITUS Eines der dem PCOS innewohnenden metabolischen Ereignisse ist eine defizitäre organabhängige Insulinwirkung, hauptsächlich in der Leber. Durch Einwirken auf diesen zentralen Defekt ist Adipositas der Hauptverursacher für periphere Insulinresistenz bei diesen Frauen. Da Insulin als Co-Gonadotropin auf Thekazellen wirkt, indem es verschiedene Enzyme der ovariellen und adrenalen Steroidogenese stimuliert, kann jede Erkrankung, die mit endogenem Hyperinsulinismus einhergeht, wie Adipositas oder Typ-2-Diabetes, mit PCOS assoziiert sein. Allerdings beschrieb unsere Forschungsgruppe erstmals vor mehr als 20 Jahren die Assoziation zwischen PCOS und T1D. In dieser wegweisenden Publikation hatten diese jugendlichen und jungen erwachsenen Frauen, die unter einer vollständigen Beeinträchtigung der Insulinsekretion als primärem Krankheitsmechanismus anstelle von Insulinresistenz und kompensatorischem Hyperinsulinismus litten, eine dreifach erhöhte Prävalenz von klassischem PCOS im Vergleich zu unselektierten nicht-hyperandrogenen Frauen aus der Allgemeinbevölkerung.

Diese Assoziation wurde in nachfolgenden Studien verschiedener Gruppen weltweit bestätigt. In einer kürzlich von unserer Gruppe durchgeführten Metaanalyse und systematischen Übersicht berichteten wir über eine erhöhte Prävalenz von PCOS; in ihrem oberen Bereich könnte diese Prävalenz 34 % der Patienten mit T1D erreichen, was die in der Allgemeinbevölkerung beobachteten Zahlen für den klassischen PCOS-Phänotyp, der in Bezug auf kardiometabolische Folgen am schwerwiegendsten ist, verdreifacht. Aus pathophysiologischer Sicht und angesichts des offensichtlichen Fehlens von endogenem Hyperinsulinismus bei T1D muss diese Beziehung zwangsläufig durch die exogene subkutane Insulinverabreichung unterstützt werden. Bei gesunden Personen gelangt Insulin nach seiner pankreatischen Sekretion über die Pfortaderzirkulation direkt zur Leber. Nach Ausübung seiner Wirkungen auf dieser Ebene und anschließender hepatischer Clearance gelangt Insulin in viel geringeren Konzentrationen in den systemischen Kreislauf als in der Pfortaderzirkulation. Bei PCOS und anderen insulinresistenten Zuständen wird die Insulinresistenz durch eine erhöhte pankreatische Insulinsekretion kompensiert, was zu portalem und systemischem Hyperinsulinismus führt. Im Gegensatz dazu wird Insulin bei Personen mit T1D subkutan (nicht-physiologisch) verabreicht und übt seine Wirkungen auf verschiedene Organe und Gewebe aus, einschließlich der Gonaden und der Nebennierenrinde, bevor es in Konzentrationen, die ausreichen, um die Glukoneogenese zu unterdrücken, das Lebergewebe erreicht; daher sind die systemischen Insulinkonzentrationen aus diesem Grund zwangsläufig supraphysiologisch. Im Gegensatz dazu sind die hepatischen Insulinspiegel nicht übermäßig, da dies Hypoglykämie auslösen würde, und dies erklärt den konstanten Befund normaler Spiegel von Sexualhormon-bindendem Globulin (SHBG) bei Frauen mit T1D und PCOS. Im Gegensatz dazu ist bei Frauen mit PCOS ohne T1D die Synthese und Sekretion von SHBG als Folge von portalem Hyperinsulinismus verringert (bestimmte von viszeralem Fettgewebe sezernierte Adipokine tragen ebenfalls zu dieser Hemmung bei), eine Situation, die bei Frauen mit T1D in Abwesenheit von hepatischem Hyperinsulinismus nicht auftritt.

Einige Studien haben eine negative Wechselwirkung zwischen T1D und PCOS in Bezug auf Mikro- oder Makrogefäßkomplikationen berichtet. Dennoch ist die Möglichkeit plausibel, dass Androgenüberschuss die Fettgewebeverteilung bei Frauen mit T1D und PCOS negativ beeinflusst und sie einem Risiko für erhöhte abdominale Adipositas und Insulinresistenz aussetzt. Andererseits entwickeln, ähnlich wie bei Frauen mit hohem PCOS-Risiko in der Allgemeinbevölkerung – beispielsweise solchen mit Adipositas, selbst extremer Adipositas, oder Verwandten ersten Grades von Frauen mit PCOS –, die keine Merkmale des Syndroms entwickeln, nicht alle Patienten mit T1D, die universell mit subkutanem Insulin behandelt werden, PCOS, was darauf hinweist, dass eine Prädisposition für PCOS eine conditio sine qua non für sein Auftreten ist.

DEFEKTE IN DER OVARIELLEN UND ADRENALEN STEROIDOGENESE Sowohl die Tatsache, dass PCOS bei Frauen mit Insulinresistenz und Hyperinsulinismus nicht universell ist, als auch dass Insulinresistenz nicht bei allen Frauen mit PCOS universell ist, deutet darauf hin, dass es einen primären Defekt gibt, der den Androgenüberschuss bei betroffenen Frauen begünstigt, und dass dieser für die Entwicklung des Syndroms als Reaktion auf Insulin oder andere Auslöser wesentlich ist. Die eleganten Studien, die vor 20 Jahren von der Gruppe von McAllister an der University of Pennsylvania durchgeführt wurden, zeigten, dass Thekazellen von Patienten mit PCOS nach mehreren Passagen in Primärkultur im Vergleich zu denen von Kontrollfrauen ohne das Syndrom eine überschüssige Androgensekretion produzierten. Dies geschah aufgrund einer intrinsisch erhöhten Expression und Aktivität des Enzyms 17α-Hydroxylase/17,20-Desmolase (P450c17, CYP17), des qualitativen regulatorischen Enzyms der Sexualsteroidsynthese, das sowohl die 17α-Hydroxylierung von Pregnenolon und Progesteron als auch die Umwandlung von 17α-Hydroxypregnenolon zu Dehydroepiandrosteron katalysiert. Die 17,20-Desmolase-Aktivität des Enzyms wird durch posttranskriptionelle Mechanismen reguliert, einschließlich der Phosphorylierung der Serin/Threonin-Reste des Enzyms selbst. Die gleiche Gruppe demonstrierte auch eine erhöhte Expression des P450scc-Enzyms in Thekazellen von Frauen mit PCOS, das das quantitative regulatorische Enzym der ovariellen und adrenalen Steroidogenese ist, das die Umwandlung von Cholesterin zu Pregnenolon nach Cholesterintransfer von der äußeren zur inneren Mitochondrienmembran durch das Steroidogenese-akute regulatorische Protein (StAR) katalysiert. Da offensichtlich alle Faktoren, die diese Thekazellen in vivo beeinflussen könnten, nach mehreren Kulturpassagen nicht vorhanden waren, stellen diese Veränderungen die übermäßige Androgenproduktion als primären ovariellen Defekt bei PCOS dar, was klinische Befunde wie die Hyperreaktivität von 17-Hydroxyprogesteron auf Gonadotropin-Stimulation oder persistierende Hyperandrogenämie nach Suppression der adrenalen Steroidogenese bestätigt.

Bei etwa einem Drittel der Frauen mit PCOS hat der Hyperandrogenismus auch eine adrenale Komponente. Eine adrenale Hyperreaktivität auf Kortikotropin-Stimulation ist bei Frauen mit PCOS und Hyperandrogenismus adrenalen Ursprungs häufig. Eine Abnahme der peripheren 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase-abhängigen Cortisol-Regeneration kann eine kompensatorische Hyperaktivierung der kortikotropen Achse induzieren, und dieser Defekt kann auf hepatischer Ebene bei PCOS gefunden werden, induziert durch den ovariellen Hyperandrogenismus selbst. Ein weiterer Faktor, der mit adrenaler Aktivierung zusammenhängt, wäre die erhöhte Expression und Aktivität des zuvor erwähnten Enzyms 17α-Hydroxylase/17,20-Desmolase. Eine erhöhte Phosphorylierung der Serin/Threonin-Reste dieses Enzyms zusammen mit der der Serin-Reste des Insulinrezeptor-Substrats-1 (IRS-1) könnte ein gemeinsames Ereignis darstellen, das ovariellen und adrenalen Hyperandrogenismus und Insulinresistenz verbindet. Darüber hinaus könnte ein partieller funktioneller Defekt in der Wirkung von 3β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase zu dem erhöhten Δ5/Δ4-adrenalen Vorläuferverhältnis führen, das bei einigen Frauen mit PCOS beobachtet wird, entweder verursacht durch den für das Syndrom charakteristischen Hyperinsulinismus oder durch gemeinsame Alterationen in der Regulation von 17α-Hydroxylase/17,20-Desmolase und 3β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase durch den MEK/ERK-Signalweg.

ADIPOSITAS, VISSERALE ADIPOSITAS UND KÖRPERZUSAMMENSETZUNG BEI PCOS Der Beitrag von Adipositas zu gonadaler Dysfunktion bei Frauen und Männern ist gut bekannt. Übergewicht erhöht die Prävalenz von klassischem PCOS bei unselektierten Frauen in unserem Umfeld bis zum 4-fachen, und 30 %–50 % der Frauen mit extremer Adipositas weisen Merkmale auf, die mit einer Diagnose von PCOS vereinbar sind. Darüber hinaus liegt die geschätzte Prävalenz von Adipositas bei Frauen mit PCOS nahe 50 %, obwohl noch bemerkenswerter die Prävalenz von zentraler Adipositas ist, die sich aus einer 'maskulinisierten' Verteilung von Fettgewebe ergibt, bestehend aus viszeraler Ablagerung. Diese viszerale Ablagerung kann in der Kindheit und während der Pubertät beginnen und den hyperandrogenen Phänotyp bei prädisponierten Mädchen verstärken. Im Erwachsenenalter verschlechtern Adipositas und zentrale Adipositas das kardiovaskuläre Profil von Frauen mit PCOS.

Androgenüberschuss selbst beeinflusst die Genexpression und das Proteom von viszeralem Fettgewebe, und somit wurde ein männlich-ähnliches Muster der Adipokinexpression in viszeralem Fettgewebe beschrieben. Androgene sind auch potente Inhibitoren der adipogenen Differenzierung, begrenzen die Anzahl der Adipozyten und ihre Speicherkapazität im subkutanen Fettgewebe, so dass Androgenüberschuss die adaptive Kapazität des Fettgewebes bei Frauen mit PCOS durch Erzeugung eines Zustands von Lipotoxizität und dysfunktionaler Adipozytokinsekretion begrenzen kann. Oxidativer Stress und subklinische chronische Entzündung, die dem PCOS innewohnen, spielen ebenfalls eine Rolle bei der Unfähigkeit zur physiologischen Expansion von Fettgewebe und seiner metabolischen Dysregulation. Letztendlich ist die Wechselbeziehung zwischen PCOS und abdominaler Adipositas das Ergebnis eines Teufelskreises, in dem androgenüberschuss die Ablagerung von abdominalem viszeralem Fett begünstigt, das direkt androgenüberschuss ovariellen und adrenalen Ursprungs durch die Sekretion und Wirkung von autokrinen, parakrinen und endokrinen Mediatoren [Herunterregulierung von Adiponektin und Hochregulierung von Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-α), IL-6 und Leptin] erleichtert oder indirekt durch die Induktion von Insulinresistenz und kompensatorischem Hyperinsulinismus.

INSULINRESISTENZ, ENTZÜNDUNG UND OXIDATIVER STRESS IN DER PATHOPHYSIOLOGIE VON PCOS Euglykämische Clamp-Studien sind konsistent mit einem Post-Liganden-Bindungsdefekt im Insulinrezeptor, der den intrazellulären metabolischen Signalweg im Fettgewebe betrifft; eine Alteration, die durch Befunde aus metabolomischen Studien gestützt wird, die einen Anstieg von Plasma-Langketten-Fettsäuren und Glycerin zeigen, was auf eine erhöhte Lipolyse hindeutet, wahrscheinlich im Zusammenhang mit verminderter Sensitivität auf Insulinwirkung im Fettgewebe. Konsistent damit weist eine beträchtliche Anzahl von Frauen mit PCOS eine erhöhte Phosphorylierung von Serinresten des Insulinrezeptors auf, dessen Funktion durch Reduktion der intrinsischen Kinaseaktivität seiner Tyrosinreste gehemmt wird. Eine solche Phosphorylierung wird durch TNF-α vermittelt, insbesondere bei jenen Patienten mit abdominaler Adipositas, einem Szenario, das sich aus dem hyperandrogenen Stimulus zur Freisetzung dieses Zytokins durch mononukleäre Zellen ergibt, sowohl nach Fasten als auch als Reaktion auf Glukoseaufnahme. Bei anderen Frauen verschlimmert Phosphorylierung von IRS-1 oder Aktivierung von Phosphatidylinositol-3-Kinase die Insulinresistenz. Allerdings kann Insulinresistenz auf Adipozytenebene auch durch einen anderen komplementären Mechanismus vermittelt werden, nämlich die Infiltration dieses Gewebes durch Makrophagen. Entzündliche Makrophagen, charakterisiert durch CD11c-Expression, sammeln sich um Adipozyten und bilden kronenartige Strukturen, deren Dichte direkt mit dem Grad der Insulinresistenz korreliert. Diese Makrophagen sezernieren Zytokine wie TNF-α und fördern so eine lokale entzündliche Umgebung. Frauen mit PCOS zeigen eine erhöhte CD11c-Expression in Makrophagen und kronenartigen Strukturen im subkutanen Fettgewebe in direktem Verhältnis zu zirkulierenden Testosteronspiegeln. Im Muskelgewebe von Frauen mit PCOS ist auch der mitogene Weg des Insulinrezeptors, MAPK-ERK 1/2, konstitutiv aktiviert und verstärkt die erhöhte Phosphorylierung von IRS-1-Serinresten. Das Vorhandensein von mitochondrialer Dysfunktion bei Frauen mit funktionellem Hyperandrogenismus kann zur Präsenz von Insulinresistenz beitragen. Oxidativer Stress, induziert durch diese mitochondriale Dysfunktion, ist an der Pathogenese von PCOS und metabolischen Komplikationen im Zusammenhang mit Hyperandrogenismus beteiligt. Obwohl einige Studien einen primären Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktion bei PCOS nicht bestätigen konnten, sind Biomarker für oxidativen Stress bei diesen Frauen unabhängig vom Vorhandensein von Übergewicht erhöht. Darüber hinaus ähneln die Alterationen in der mitochondrialen Funktion von hyperandrogenen Frauen mit Insulinresistenz denen von Patienten mit Typ-2-Diabetes.

GENETISCHE PRÄDISPOSITION PCOS ist eine komplexe multigenische Erkrankung, die aus der Interaktion zwischen schützenden und prädisponierenden genetischen Varianten entsteht, die im Laufe der Zeitalter durch Evolution aufgrund eines ancestralen Überlebensvorteils selektiert worden sein mögen, wobei Umweltfaktoren eine bestimmende Rolle bei der Expression des hyperandrogenen Phänotyps spielen. Unter anderem können genomische Varianten in Genen, die die Androgenbiosynthese, Insulinwirkung und Entzündung regulieren, mit der Prädisposition für PCOS assoziiert sein. Eine Metaanalyse von groß angelegten genomweiten Assoziationsstudien, einschließlich mehr als 10.000 Frauen mit PCOS und 100.000 Kontrollen, alle europäischer Herkunft, identifizierte 14 Loci, die mit Hyperandrogenismus, Gonadotropin-Regulation und Testosteronkonzentrationen bei betroffenen Frauen assoziiert sind, und Korrelationen mit Adipositas, Insulinämie, Typ-2-Diabetes, Lipidspiegeln und koronarer atherosklerotischer Erkrankung, was auf eine gemeinsame genetische Architektur zwischen diesen metabolischen Alterationen und PCOS hinweist.

Diese bei Frauen mit PCOS aus der Allgemeinbevölkerung beschriebenen pathophysiologischen Mechanismen wurden bei Frauen mit T1D nicht untersucht. Daher ist die Beschreibung von begünstigenden und schützenden Faktoren, die mit der Entwicklung oder dem Fehlen von funktionellem Hyperandrogenismus und PCOS bei Frauen mit T1D assoziiert sind, das Hauptziel des vorliegenden Forschungsprojekts.

HYPOTHESE Es gibt individuelle Faktoren, die Frauen mit T1D der Entwicklung von Androgenüberschuss und PCOS aussetzen oder davor schützen, trotz des iatrogenen systemischen Hyperinsulinismus, den sie alle als Folge der subkutanen Verabreichung von Insulin, das sie zum Überleben benötigen, erfahren. Androgenüberschuss bei Frauen mit T1D kann ihr kardiometabolisches Risiko erhöhen.

STUDIENZIELE HAUPTZIEL: Aufdeckung der pathogenetischen Mechanismen hinter funktionellem Hyperandrogenismus bei Frauen mit T1D aus einer Geschlechtsmedizin-Perspektive.

1. Primäre Ziele: Identifizierung von prädisponierenden/schützenden Faktoren, die mit der Entwicklung von funktionellem Hyperandrogenismus bei Frauen mit T1D assoziiert sind, durch Phänotypisierung dieser Frauen unter Verwendung modernster Techniken zur Bewertung von:

   1.1. Insulinsensitivität. 1.2. Körperzusammensetzung. 1.3. Ovarieller und adrenaler Steroidogenese.

2. Sekundäre Ziele: Identifizierung relevanter molekular-genetischer Faktoren, die mit der Entwicklung von funktionellem Hyperandrogenismus bei Frauen mit T1D assoziiert sind 2.1. Identifizierung genomischer Varianten in Genen/Proteinen, die mit Insulin-Signalgebung und -Wirkung, Adipositas, Entzündung, Steroidogenese und PCOS selbst zusammenhängen (Genomik).

   2.2. Beschreibung differentieller DNA-Methylierungsmuster in tiefem subkutanem Fett- und Skelettmuskelgewebe (Epigenomik).

   2.3. Beschreibung differentieller Genexpressionsprofile in Fett- und Muskelgewebe (Transkriptomik).

   2.2. Beschreibung differentieller proteomischer Profile in Fett- und Muskelgewebe (Proteomik).

3. Exploratives Ziel: Bewertung der Wechselwirkung zwischen T1D und PCOS auf Parameter der metabolischen Kontrolle und Morbiditäten, die mit T1D selbst assoziiert sind.