The effect of subcutaneously injected glucagon on local blood flow

Abstract

Bakgrunn Optimal glukosekontroll reduserer langtidskomplikasjonene for diabetes. Den sakte absorbsjonen og den forsinkede effekten av eksogent tilført insulin sammenlignet med den fysiologiske insulinresponsen er et stort problem for personer med diabetes type I med tanke på opprettholdelsen av euglykemi. Forsinket absorpsjon av selv de mest hurtigvirkende måltidsinsulinene kan gi problemer med tidlig postprandial hyperglykemi og senere hypoglykemi. På grunn av dette er metoder som øker hastigheten av subkutan insulinabsorbsjon av stor interesse og det å øke subkutan blodstrøm er et mulig alternativ. Det er ulike måter og øke subkutan blodstrøm på og en av disser er å tilsette kjente vasodilatorer. Glukagon er en substans vist å ha vasodilatoriske egenskaper. I denne oppgaven vil effekten av lavdose glukagon på lokal subkutan blodstrøm undersøkes.

Materiale og metoder Preliminære undersøkelser ble utført på og av de to hovedforfatterne av denne oppgaven. Ulike doser med glukagon, anatomiske lokalisasjoner, temperaturintervensjoner, distanser fra måleinstrument og injeksjonsteknikker ble undersøkt for å designe proof-of-concept-studien. En proof-of-concept studie med 22 friske individer ble deretter utført for å undersøke effekten av glukagon på lokal blodstrøm på abdomen. Deltagerne var 8 menn og 14 kvinner i alderen 22-63 år. Lokal blodstrøm på abdomen ble målt kontinuerlig med Laser Doppler Flowmetry i 4 minutter før injeksjon og i de første 35 minuttene etter injeksjon. Deltagerne fikk tre subkutane injeksjoner á 0.1 ml, 0.1 mg glukagon, 0.01 mg glukagon og 0.9% NaCl, i randomisert rekkefølge, på omtrentlig symmetriske lokalisasjoner på abdomen. Endringene i lokal blodstrøm ble sammenlignet med baseline og effekten av glukagon ble sammenlignet med effekten av saltvann.

Resultater Resultater fra de preliminære undersøkelsene indikerer at glukagon øker subkutan blodstrøm på overarmen og tenderer til å gjøre det på abdomen. Proof-of-concept studien viste at subkutane injeksjoner med 0.1 mg glukagon på abdomen øker blodstrømmen signifikant for alle tidsintervaller. Subkutane injeksjoner med 0.01 mg glukagon på abdomen øker blodstrømmen signifikant for alle tidsintervaller bortsett fra 2.-5. minutter postinjeksjon. Effekten av 0.1 mg glukagon var signifikant høyere enn effekten av 0.01 mg glukagon for alle tidsintervall.

Diskusjon Vi finner at glukagon signifikant øker den lokale subkutane blodstrømmen selv når gitt i svært små doser (0.1 mg og 0.01 mg). Dette er en ny observasjon som kan initiere bruken av glukagon som en substans som øker hastigheten på absorbsjonen av insulin. Dette kan brukes både som en frittstående løsning eller som en integrert del av en artifisiell pancreas for å bedre glukosekontrollen. 0.1 mg glukagon gitt subkutant vil trolig øke glukoseverdiene i blodet, mens en dose på 0.01 mg glukagon gitt subkutant trolig vil være for liten til å gi en signifikant systemisk glukagoneffekt. Denne effekten av glukagon på blodglukose vil effektivt motvirkes når glukagon gis sammen med insulin og ved en postprandial raskere økning i insulinkonsentrasjon. En potensiell utfordring med denne bruken av glukagon er en stor interindividuell variasjon i glukagonresponsen, der en tredjedel av deltagerne i denne studien ble karakterisert som non-responders.

Konklusjon Subkutant injisert lavdose glukagon øker den lokale subkutane blodstrømmen signifikant. Teoretisk sett vil denne effekten trolig øke hastigheten på absorbsjonen av subkutant injisert insulin og kan bli utnyttet i både kontinuerlig insulininfusjons systemer (insulinpumper) og i en artifisiell pancreas for å bedre glukosekontrollen.

Background Optimal glucose control reduces long term complications of diabetes. The slow absorption and delayed effect of exogenous insulin compared to the physiological insulin response is a major obstacle for people with diabetes type I (DM1) in maintaining euglycemia. Slow absorption of even the most fast-acting meal insulins can give problems with early post-prandial hyperglycemia and late hypoglycemia. For these reasons, methods to speed up subcutaneous (SC) insulin absorption is of great interest, and to increase subcutaneous blood flow (SBF) is a possible option. There are different ways to increase SBF and one of these is to add known vasodilators. Glucagon is one of the substances shown to have vasodilatory properties. In this paper, the effect of low dose glucagon on local SC blood flow is investigated.

Material and methods Preliminary investigations were performed on and by the two main authors of this paper. Different doses of glucagon, anatomical locations, temperature interventions, distances from measuring device and injection techniques were investigated to design the proof-of-concept (PoC) study with 22 healthy individuals. In the PoC-study, the effect of glucagon on local blood flow on the abdomen was investigated. The participants were 8 males and 14 females aged 22-63 years. Local blood flow on the abdomen was measured with Laser Doppler Flowmetry (LDF) for a period of 4 minutes prior to injection, and for the first 35 minutes after the injection. The participants were given three SC injections of 0.1 ml, respectively 0.1 mg glucagon, 0.01 mg glucagon and 0.9% NaCl, in randomized order on approximately symmetrical locations on the abdomen. The changes in local blood flow from baseline was estimated, and the effect of glucagon was compared to the effect of saline.

Results Results from the preliminary investigations indicated that glucagon increases SBF on the upper arm and on the abdomen. The PoC-study showed that SC injections of 0.1 mg glucagon on the abdomen significantly increases SBF for all time intervals. SC injections of 0.01 mg glucagon on the abdomen significantly increases blood flow for all time intervals except 2.-5. minutes post injection. The hyperemic effect of 0.1 mg glucagon was significantly greater than that of 0.01 mg glucagon for all time intervals.

Discussion We found that glucagon significantly increases local SBF even when given in very small doses (0.1 mg and 0.01 mg). This is a novel observation and may initiate the use of glucagon as an additive substance to speed up the absorption of insulin. This may be utilized both as a stand-alone solution or as an integrated part of an artificial pancreas (AP) to improve the overall glucose control. 0.1 mg of glucagon given SC will probably increase the blood glucose values, whereas a dose of 0.01 mg of glucagon probably is too small to produce a significant systemic glucagon effect. However, when glucagon is given together with insulin and with a postprandial faster increase in insulin concentration, the insulin will effectively counteract glucagon’s effect on blood glucose. A possible challenge of using glucagon as a drug enhancing insulin absorption is a large interindividual variation in glucagon response, with one third of the subjects in our study being characterized as non-responders.

Conclusions Subcutaneously injected low doses of glucagon significantly increase local blood flow. Theoretically, this effect will speed up the absorption of SC delivered insulin and may be exploited both in continuous insulin infusion systems (insulin pumps) and in APs to improve glucose control.