Intrauterine and genetic risk factors for proliferative diabetic retinopathy

Abstract

Diabetes is a complex progressive metabolic disorder characterized by hyperglycemia and caused by different etiopathogenic factors. Individuals with diabetes have heterogeneous clinical representation and increased risk of micro- and macrovascular complications. Diabetic retinopathy (DR) is the most frequent microvascular complication of diabetes and one of the leading causes of blindness. Currently, existing treatment modalities target a severe sight-threatening form of the disease, proliferative DR (PDR), and are characterized by significant side effects. The prevailing strategy for prevention or slowing down DR progression is glucose-lowering therapy, which is not efficient enough and might be harming to older groups of patients. Risk factors for PDR include duration of diabetes, hypertension, dyslipidemia, genetics and environment, and their interplay. The adverse intrauterine environment, particularly exposure to prenatal famine, was shown to play an important role in predisposition to diverse metabolic disorders in adults such as type 2 diabetes (T2D), hypertension, and cardiovascular diseases (CVD). In this Ph.D. thesis, we aimed to study novel diabetes subgroups based on pathophysiological characteristics of patients, highlighting subgroup(s) with an elevated risk of diabetic complications, particularly PDR. Further, we aimed to investigate the association of intrauterine exposure to famine with the risk of PDR in adult individuals with T2D. Finally, we wanted to study the molecular mechanisms linked to famine-related PDR. In paper 1, we performed a k-means cluster analysis to identify novel subgroups of individuals with new-onset and long-term diabetes, and estimated the risks of diabetic complications using logistic regression. In paper 2, we evaluated effect of intrauterine famine exposure on the risk of PDR in individuals with T2D using logistic regression adjusted for established risk factors such as age, sex, duration of diabetes and HbA1c. In paper 3, we performed candidate gene analysis using generalized estimation equation (GEE) to study the effect of interaction between SNPs and perinatal famine exposure on the risk of PDR. In paper 4, we performed genome-wide association (GWAS) and interaction (GWIS) studies using a linear mixed model (LMM) to investigate molecular underpinnings of famine-related PDR. In paper 1, we identified three subgroups with severe diabetes and two subgroups with mild diabetes. The highest risk of PDR was observed in the severe autoimmune diabetes (SAID) and severe insulin-deficient diabetes (SIDD) subgroups and the lowest in the insulin-resistant obesity-related diabetes 2 (IROD2) subgroup. In paper 2, we demonstrated that individuals with T2D, who were perinatally exposed to famine had an elevated risk of PDR in adult life. In paper 3, we demonstrated a significant association between famine-associated PDR and SNPs which were located in genes with neuronal function. In paper 4, we identified diverse pathways potentially linked to famine-related PDR, among them the most significant were lipid metabolism and inflammation pathways. In conclusion, we suggested that the altered development of neurovascular unit in the retina due to exposure to intrauterine famine may increase susceptibility to PDR later in life. Changes in metabolic adaptations during developmental programming induced by adverse early life events may affect insulin secretion and lipid metabolism, which consequently may increase predisposition to PDR under diabetes environment in adulthood. We suggested that drugs targeting these mechanisms in addition to glucose-lowering treatments may be beneficial for the prevention or slowing down the progression to PDR in the early stages of the disease.

Diabetes er en kompleks progressiv metabolsk sykdom som kjennetegnes ved hyperglykemi og er forårsaket av forskjellige etiopatogenetiske faktorer. Personer med diabetes har heterogen klinisk representasjon og økt risiko for mikro- og makrovaskulære komplikasjoner. Diabetisk retinopati (DR) er den hyppigste mikrovaskulære komplikasjonen ved diabetes og en av de viktigste årsakene til blindhet. For tiden er eksisterende behandlingsmetoder rettet mot en alvorlig synstruende form av sykdommen, proliferativ DR (PDR), og medfører betydelige bivirkninger. Den rådende strategien for forebygging eller forsinking av DR-progresjon er glukosesenkende terapi, som ikke er effektiv nok og kan være skadelig for eldre pasienter. Risikofaktorer for PDR inkluderer varighet av diabetes, hypertensjon, dyslipidemi, genetikk og miljø, og deres samspill. Det ugunstige intrauterine miljøet, spesielt eksponering for prenatal hungersnød, ble vist å spille en viktig rolle i predisposisjon for ulike metabolske forstyrrelser hos voksne som type 2 diabetes (T2D), hypertensjon og kardiovaskulære sykdommer (CVD).

I denne doktorgradsavhandlingen, har vi hatt som mål å studere nye diabetes-undergrupper basert på patofysiologiske egenskaper hos pasienter, og fremheve undergruppe(r) med økt risiko for diabetiske komplikasjoner, spesielt PDR. Videre hadde vi som mål å undersøke sammenheng mellom intrauterin eksponering for hungersnød og risikoen for utvikling av PDR hos voksne med T2D. Til slutt ønsket vi å studere de molekylære mekanismene knyttet til hungersnød-relatert PDR.

I artikkel 1 utførte vi en k-means-klyngeanalyse for å identifisere nye undergrupper av individer med nyoppstått og langvarig diabetes, og estimerte risikoen for diabetiske komplikasjoner ved hjelp av logistisk regresjon. I artikkel 2 evaluerte vi effekten av eksponering for intrauterin hungersnød på risikoen for PDR hos individer med T2D ved bruk av logistisk regresjon justert for etablerte risikofaktorer som alder, kjønn, varighet av diabetes og HbA1c. I artikkel 3 utførte vi kandidatgenanalyse ved å bruke generalisert estimeringsligning (GEE) for å studere effekten av interaksjon mellom SNP-er og perinatal hungersnødeksponering på risikoen for PDR. I artikkel 4 utførte vi genomomfattende assosiasjonsstudier (GWAS) og interaksjonsstudier (GWIS) ved å bruke en lineær blandet modell (LMM) for å undersøke molekylært grunnlag for hungersnødrelatert PDR.

I artikkel 1 identifiserte vi tre undergrupper med alvorlig diabetes og to undergrupper med mild diabetes. Den høyeste risikoen for PDR ble observert i undergruppene med alvorlig diabetes type 1 (SAID) og alvorlig diabetes type 2 (SIDD), og den laveste i undergruppen insulinresistent fedme-relatert diabetes 2 (IROD2). I artikkel 2 viste vi at personer med T2D, som ble perinatalt utsatt for hungersnød, hadde en forhøyet risiko for utvikling av PDR i voksenlivet. I artikkel 3 viste vi en signifikant sammenheng mellom hungersnødassosiert PDR og SNP-er som var lokalisert i gener med nevronal funksjon. I artikkel 4 identifiserte vi ulike veier som er potensielt knyttet til hungersnød-relatert PDR, blant dem var de mest betydningsfulle lipidmetabolisme og betennelsesveier.

Avslutningsvis foreslo vi at den endrede utviklingen av nevrovaskulær kretsløp i netthinnen på grunn av eksponering for intrauterin hungersnød kan øke følsomheten for PDR senere i livet. Endringer i metabolske tilpasninger under utviklingsprogrammering indusert av uønskede hendelser i tidlig liv kan påvirke insulinsekresjon og lipidmetabolisme, som følgelig kan øke predisposisjon for PDR under diabetesmiljø i voksen alder. Vi foreslo at medikamenter som retter seg mot disse mekanismene i tillegg til glukosesenkende behandlinger kan være gunstig for forebygging eller forsinke progresjon til PDR i de tidlige stadiene av sykdommen.