HANALL BIOPHARMA

Statin이 인슐린 저항성을 일으키는 기전

 

Statin들은 세계적으로 가장 많이 처방되고 있는 의약품 중에 하나로 심혈관계질환을 매우 효과적으로 감소시키는 것으로 보고되어 있다. 그러나, 최근 당뇨병의 질환 발병율 증가 위험성이 statin의 사용에 권고되었다.

Statin은  3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA (HMG-CoA) reductase를 저해한다. 이 효소는 콜레스테롤 생합성에서 주요한 효소로 low-density lipoprotein (LDL) 콜레스테롤을 감소시키는 역할을 한다. Statin은 지방 감소 효과를 넘어 면역 기능을 조절한다. 일반적으로 statin은 콜레스테롤 합성의 상위 기전에 있는 mevalonate pathway상의 중간 유도체들을 감소 시키고, 단백질의 prenylation을 감소시키며, 면역 반응에 연관되어 있는 많은 단백질들에 번역후 지질 변화 (post translational lipid modification)를 유발한다. Pattern recognition receptors (PRRs)와 같은 면역 단백질들은 영양 또는 병원성 감지 시스템의 집합체들로서 나타나게 되고, 비만시 염증 반응 (metaflammation)은 초과된 영양분과 에너지의 관점에서 특징지어지게 된다. 따라서, PRRs과 연관된 염증 반응상의 의약품 의존적 변화 또한 고려되어져야 할 것이다. 특히 대사성 질환 투여에 사용되어지는 statin과 같은 의약품들이 대표적인 예이다.

 

statin 의존적 단백질 prenylation 감소 현상은 일반적으로 항 염증 반응과 함께 연관되어 있으며, lipopolysaccharide (LPS) 처리된 말초 혈액 상에서 종양괴사인자 (TNF)와 인터루킨 6를 감소시킬 수 있다. 이와는 대조적으로 statin들은 염증성 사이토카인 (cytokine)인 인터루킨 1β의 분비 증가와 연관되어 있다. 이는 Caspase 1활성과 LPS와 같은 다른 면역원성 약물의 자극이 요구하는 효과이다.

이와 같은 특징들은 PRR, NOD 유사 수용체 그룹, 그리고 3(NLRP3/NALP3/Cryopyrin)을 포함하는 pyrin domian에 의하여 조절된다. NLRP3 inflammasome은 일반적으로 설치류에서 인슐린 저항성과 연관되어 있으며, 새로 진단된 인슐린 저항성 2형 당뇨병의 대식세포의 활성화와 연관되어 있다. Statin 치료는 특정 환자군에서 약 48% 정도의 2형 당뇨병의 발병 증가와 연관된 것으로 보고되고 있다.

당뇨병 치료제로 사용되는 Glyburide는 cyclohexylurea 조절 인슐린 분비와 독립적으로 NLRP3 inflammasome을 억제한다. 따라서, 본 연구에서는 statin의존적 NLRP3 inflammasome 활성화는 인슐린 저항성을 증대시키게 되고, 발생된 인슐린 저항성은 glyburide에 의하여 완화될 수 있을 것으로 기대하였다.

 

Statin들은 NLRP3 inflammasome을 활성화 시킨다.

 

모든 statin들 (10μM, 18h)은 LPS 단독 처리군에 비하여 BMDM에서 인터루킨 1β의 분비를 촉진시킨다. Fluvastatin은 LPS양에 의존적으로 인터루킨 1β의 분비를 증가시켰다. 그러나, LPS 단독으로도 BMDM상에서 인터루킨 6의 분비를 증가시켰다. Isoprenyl중간체인 GGPP는 LPS 자극된 BMDM상에서 fluvastatin에 의하여 유도되는 인터루킨1β 분비를 억제하였다. 이는 감소된 prenylation이 statin에 의하여 조절되는 imflammasome 활성화를 유도한다는 것을 제시하는 결과이다.

Figure 1. Statins activate the NLRP3 inflammasome in macrophages.

 

z-WHED 또는 glyburide에 의한 억제 효과는 LPS 자극된 BMDM에서statin 유도 인터루킨1β 분비를 방해한다. 비록 fluvastatin 처리 단독으로 유도되지는 않지만, LPS는 NLRP3, 인터루킨1β, 그리고 인터루킨 6의 mRNA 발현 수준을 증가 시켰다 (statin들 단독으로 증가된 NLRP3 전사체 수준 등과 같은 inflammasome자극 등을 변화시키지는 못하였다.) Fluvastatin과 LPS의 조합은 상호보완적으로 인터루킨 1β와 인터루킨 6의 전사체 발현 수준을 증가시켰다. Fluvastatin은 NLRP3-/- 마우스로 부터 얻어진 LPS 자극된 BMDM에서 인터루킨1β 분비를 증가시키지는 않았지만, LPS는 상기 BMDM에서  인터루킨 6 분비를 증대시켰다.

 

Fluvastatin은 NLRP3 inflammasome을 통하여 지방 조직의 인슐린 신호 전달 체계를 손상시킨다.

 

Fluvastatin을  장기간 경구투여하게 되면 비만 마우스 모델에서  지방 세포 조직 속으로 인슐린 자극 glucose 흡수가 저하되는 것을 확인하였다. White adipose tissue (WAT)에서는 2-Deoxy-D-glucose (2DG) 흡수가 50% 이상 낮았으나, Fluvastatin 처리된 ob/ob마우스의 brown adipose tissue (BAT)에서는 변화가 없었다.

 

 

Figure 2. Fluvastatin activates the NLRP3 inflammasome and impairs insulin signaling in adipose tissue.

 

Statin 유도 인슐린 저항성의 작용 기작을 결정하기 위하여 WAT 조직 절편이 이용되었다. Fluvastatin은 wild type으로 부터 얻어진 LPS로 자극된 지방 조직에서 caspase-1 발현을 증가시켰으나, NLRP3-/- 마우스에서는 그렇지 못하였다. 반면에 glyburide는 이와 같이 증가된 caspase-1 활성을 억제시키는 효과를 나타내었다. Fluvastatin은 wild type과 NLRP3-/- 마우스로부터 얻어진 LPS로 자극된 지방 조직에서 caspase-3 활성 또한 증대시켰다. 이와같이 fluvastatin은 지방 조직에서 NLRP3 의존적, glyburide 민감적 caspase 1 inflammasome을 활성화 하였다.

LPS 단독으로도 wild type과  NLRP3-/- 마우스의 지방 조직 절편에서 인터루킨 1β 분비를 증가시켰다. LPS와 함께 fluvastatin 처리시, LPS 단독 처리시와 비교하여 볼 때, wild type 마우스의 지방 조직 절편에서 인터루킨1β가 더욱 증가되는 것을 확인하였다. 그러나, NLRP3-/- 마우스에서는 이와 같은 현상이 일어나지 않았다. LPS단독으로 처리시, 지방 조직 절편에서 Akt의 473번째 serine을 인산화시키는 인슐린의 작용에는 변화가 없었다. 그러나 fluvastatin 단독으로는 wild type 마우스의 지방 조직에서 인슐린 조절 Akt인산화 작용이 손상되었다 (NLRP3-/- 마우스에서는 변화 없음).

 

 

Figure 3. Cell-autonomous actions of fluvastatin in adipocytes.

 

LPS와 fluvastatin의 조합은 WT 마우스의 지방 조직 절편에서 Akt를 인산화시키는 인슐린의 작용을 억제하였다 (NLRP3-/- 마우스에서는 변화 없음). Glyburide는 LPS로 자극된 지방 조직 절편에서 인슐린에의하여 조절되는 Akt 인산화의 fluvastatin 유도 억제 작용을 뒤바꾸었다. 그러나, glyburide는 Akt 자체 인산화는 증대시키지 못하였다. 흥미롭게도 caspase 1 활성 변화에도 불구하고, 지방 조직 절편에서 인터루킨1β 분비는 statin 유도 인슐린 작용을 반영하지는 못하였다. 많은 비지방 세포들과 지방 조직에서 인터루킨1β 조절의 잠재적인 원천이 존재함에 따라 지방 세포 자발적인 반응을 시험하였다. LPS와 fluvastatin은 3T3-L1 지방 세포에서 caspase-1 활성을 증가시켰으나, 인터루킨1β 또는 인터루킨 6 분비는 증가되지 않았다. 그러나, fluvastatin과 LPS는 3T3-L1 지방세포에서 인슐린 자극 Akt의 인산화를 상당한 수준 낮추었다.

 

Statin은 혈액 내 지질 수준을 감소시키며, 심혈관 질환의 발병률을 감소시킨다. 그러나, 역설적으로 statins은 당뇨병의 발병율 증가와 연관되어 있다. 본 연구 결과에서 statin은 지방 조직의 다양한 면역과 대사성 세포들에서 NLRP3 inflammasome을 활성화시킨다. Flavastatin에 의하여 유도되는 인슐린 신호 전달 과정의 손상은 NLRP3 inflammasome에 의존적이며, 일반적으로 사용되고 있는 당뇨병 치료제인 glyburide는 statin 유도 inflammasome 활성화를 억제시키고, 지방 조직상의 인슐린 작용 결함 등을 예방하는 효과가 있다.

 

지방 조직은 인슐린 저항성을 나타내는 동안 염증 반응에 있어 매우 중요한 역할을 하며, NLRP3/caspase-1 inflammasome은 지방 조직의 염증 반응과 기능을 조절한다.

LPS와 fluvastatin의 조합은 지방 조직 절편에서 인슐린에 의한 신호 전달을 억제하는데 매우 효과적이다. 그러나 fluvastatin은 인슐린의 작용 기전을 손상시키는데, 이 과정에서 LPS를 요구하지는 않는다. 다시 말해서, 지방 조직은 내재적인 NLRP3 inflammasome 자극 신호들을 가지고 있다는 뜻이다. 이와 같은 점은 NLRP3 inflammasome 조절 비만 관련 인슐린 저항성이 포화 지방에 대한 반응에 반응한다는 점과 일치한다. 흥미롭게도 NLRP3는 지방 조직 절편에서 인터루킨 1β 분비에 필수적으로 요구되지 않는다는 점이다. 본 연구에서는 인터루킨 1β 보다는 caspase-1이 지방조직의 인슐린 저항성에 연관되어 있다는 것을 제시하였다. 더욱이 caspase-1 활성을 증가시키는 세포의 자발적인 기작이 LPS 자극된 지방 세포에서 fluvastatin에 연관되어있다고 볼 수 있다. 3T3-L1 지방세포에서 이 반응은 인터루킨 1β 분비를 증가시키지 않았으며, 인슐린 작용 기전을 손상시켰다. 이와 같은 결과는 fluvastatin이 지방 조직내 다양한 세포들에서 NLRP3/caspase-1 inflammasome을 통하여 작용하고, 인터루킨 1β를 필요로 하지 않는 인슐린 저항성을 유발한다.

 

결론적으로, NLRP3/caspase-1 inflammasome의 억제는 statin유도  인슐린 저항성을 완화시킬 것이다. 비만 또는 과지방 환자들에게서 당뇨병을 유발하는 인슐린 저항성에 대한 statin의 작용을 경감시킨다는 점에서 의의가 있으나, 당뇨병이 유발될 수 있다는 위험요소가 발생하게 되는 것이다. Statin의 사용이 당뇨병을 유발시킬 위험성이 권고되면서 사람들 사이 이것의 사용여부를 놓고 많은 찬반 논쟁이 일어나고 있다. Statin은 많은 사람들에게 매우 좋은 약이라는 것은 분명하다, 따라서 지금 중요한 것은 이와 같은 논쟁이 아니라, statin을 보다 더 좋은 약으로 만들고 생물학적인 작용기전을 더욱 이해하는 것이 중요하다. 따라서, 차기 연구들은 statins의 모든 주요 부작용들이 특정 면역-대사 작용기전상의 기작을 이해하는 것이 되어야 할 것이다.

 

참고문헌

1.   Henriksbo, B.D., Lau, T.C., Cavallari, J.F. et al. Fluastatin causes NLRP3 inflammasome-mediated adipose insulin resistance. Diabetes, June, 2014.