Thesis (MScMedSc (Dept. of Biomedical Sciences. Medical Physiology))University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Background: Obesity is associated with dyslipidemia, insulin resistance and glucose intolerance and together these components characterise the metabolic syndrome (Dandona et al. 2005). In the state of obesity, there are high levels of circulating free fatty acids and increased rates of fatty oxidation which inhibit glucose oxidation. This: (i) reduce the heart‘s contractile ability, (ii) exacerbates ischemic/reperfusion injury and (iii) decreases cardiac mechanical function during reperfusion (Kantor et al. 2000; Liu et al. 2002; Taegtmeyer, 2000). Aim: The aim of our study was to investigate the effect of inhibiting fatty acid oxidation, with oxfenicine (4-Hydroxy-L-phenylglycine), on (i) cardiac mechanical function, (ii) mitochondrial respiration, (iii) myocardial tolerance to ischemia/reperfusion injury, (iv) CPT-I expression, MCAD expression, IRS-1 activation, total GLUT- 4 expression and (v) the RISK pathway (ERK42/44 and PKB/Akt). Methods: Male Wistar rats were fed a control rat chow diet or a high calorie diet (HCD) for 16 weeks. The HCD caused diet induced obesity (DIO). The animals were randomly divided into 4 groups [Control, DIO, Control + oxfen and DIO + oxfen]. The drug was administered for the last 8 weeks of feeding (200mg/kg/day). Animals were sacrificed and the hearts were perfused on the Langendorff perfusion system. After being subjected to regional ischemia and two hours of reperfusion, infarct size was determined. A separate series of animals were fed and/or treated and hearts were collected after 25 minutes global ischemia followed by 30 min reperfusion for determination of GLUT- 4, CPT-1, IRS -1, MCAD, ERK (42/44) and PKB/Akt expression/phosphorylation using Western blot analysis. A third series of hearts were excised and used for the isolation of mitochondria. Results: In the DIO rats, chronic oxfenicine treatment improved cardiac mechanical function by improving mitochondrial respiration. Oxfenicine inhibited CPT-1 expression but had no effect on MCAD or GLUT- 4 expression. Oxfenicine decreased IRS-1 iv expression, but not IRS-1 activation. Oxfenicine also improved myocardial tolerance to ischemia/reperfusion without activation of the RISK pathway (ERK & PKB). In the control rats, chronic oxfenicine treatment worsened cardiac mechanical function by adversely affecting mitochondrial respiration. Oxfenicine also worsened myocardial tolerance to ischemia/reperfusion in the control rats without changes in the RISK pathway (ERK & PKB). Oxfenicine had no effect on CPT-1, MCAD or GLUT- 4 expression. Oxfenicine increased IRS-1 expression, but not IRS-1 activity. Conclusion: Chronic oxfenicine treatment improved cardiac mechanical function and myocardial resistance to ischemia/reperfusion injury in obese animals, but worsened it in control animals. The improved cardiac mechanical function and tolerance to ischemia/reperfusion injury may be due to improvement in mitochondrial respiration. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Agtergrond: Vetsug word geassosieer met dislipidemie, insulien weerstandigheid en glukose intoleransie, wat saam die metaboliese sindroom karakteriseer (Dandona et al. 2005). Met vetsug is daar ‗n hoë sirkulasie van vetsure, sowel as verhoogde vertsuur oksidasie wat gevolglik glukose oksidasie onderdruk. Dit: (i) verlaag die hart se vermoë om saam te trek, (ii) vererger isgemiese/herperfusie skade en (iv) verlaag kardiale effektiwiteit gedurende herperfusie (Kantor et al. 2000; Liu et al. 2002; Taegtmeyer, 2000). Doel: Die doel van die studie was om die effekte van vetsuur onderdrukking m.b.v. oksfenisien (4-Hidroksie-L-fenielglisien) op (i) meganiese hart funksie, (ii) mitokondriale respirasie, (iii) miokardiale toleransie teen isgemiese/herperfusie skade, (iv) CPT-I uitdrukking, MCAD uitdrukking, IRS-1 aktiwiteit, totale GLUT-4 uitdrukking en (v) die RISK pad (ERK42/44 en PKB/Akt) te ondersoek. Metodes: Manlike Wistar rotte was gevoer met ‗n kontrole rot dieet of ‗n hoë kalorie dieet (HKD) vir 16 weke. Die HKD lei tot dieet-geïnduseerde vetsug (DGV). Die diere was lukraak verdeel in 4 groepe [kontrole, DGV, kontrole + oksfen en DGV + oksfen]. Die behandeling met die middel was toegedien vir die laaste 8 weke van die voeding protokol (200mg/kg/dag). Die diere was geslag en die harte was geperfuseer op die Langendorff perfusie sisteem. Na blootstelling aan streeks- of globale isgemie en 2 ure herperfusie was infark groottes bepaal. ‗n Aparte reeks diere was gevoer en/of behandel en die harte was versamel na 25 minute globale isgemie gevolg deur 30 minute herperfusie vir die bepaling van GLUT-4, CPT 1, IRS -1, MCAD, ERK (42/44) en PKB/Akt uitdrukking/aktivering d.m.v. Western blot analise. ‗n Derde reeks diere was gebruik vir die isolasie van mitokondria. Resultate: In die DGV diere, het kroniese oksfenisien behandeling meganiese hart funksie verbeter d.m.v. die verbetering van mitokondriale respirasie. Oksfenisien het CPT-1 uitdrukking verlaag terwyl GLUT- 4 en MCAD uitdrukking nie geaffekteer was vi nie. Oksfenisien het IRS-1 uitdrukking verlaag, maar nie IRS-1 aktiwiteit nie. Oksfenisien het ook miokardiale weerstand teen isgemiese/herperfusie verbeter met sonder aktivering van die RISK pad (ERK & PKB). In die kontrole diere, het kroniese oksfenisien behandeling die meganiese hart funksie versleg d.m.v. negatiewe effekte op mitokondriale respirasie. Oksfenisien het die miokardiale weerstand teen isgemiese/herperfusie van die kontrole rotte versleg sonder veranderinge in die RISK pad (ERK & PKB). Oksfenisien het geen effek gehad op CPT-1, MCAD en GLUT-4 uitdrukking nie. Oksfenisien het IRS-1 uitdrukking verhoog, maar nie IRS-1 aktiwiteit nie. Samevatting: Kroniese oksfenisien behandeling het die meganiese hart funksie en miokardiale weerstand teen isgemiese/herperfusie skade in die vet diere verbeter, maar versleg in die kontrole diere. Hierdie verbetering van meganiese hart funksie en weerstand teen isgemiese/herperfusie skade kon dalk wees a.g.v. ‗n verbetering in mitokondriale respirasie.

Thesis (PhD)-- Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Introduction: The cardioprotective actions of the hormone melatonin against myocardial ischaemiareperfusion injury (IRI) are well-established. It has recently been shown to prevent the harmful effects of hyperphagia-induced obesity on the susceptibility of the heart to IRI as well as many of the harmful effects of obesity and insulin resistance. However, the exact mechanism whereby it exerts its beneficial action is still unknown. The aims of this study were to determine the effects of relatively short-term melatonin treatment in a rat model of diet-induced obesity on: (i) biometric and metabolic parameters, lipid peroxidation, myocardial IRI and intracellular signalling (ii) mitochondrial oxidative phosphorylation function (iii) cardiomyocyte glucose uptake and intracellular signalling. In addition, the effects of acute melatonin treatment of cardiac microvascular endothelial cells (CMEC) were determined on cell viability, nitric oxide production (NO), TNF- -induced dysfunction and intracellular signalling. Material and Methods: Male Wistar rats were randomly allocated to two groups for 20 weeks feeding with either standard rat chow or a high calorie diet. Each group was subdivided into 3 groups receiving either water throughout or melatonin (4mg/kg/day, in the drinking water) for the last 6 or 3 weeks of the experimental programme. Hearts, perfused in the working mode, were subjected to ischaemia/reperfusion and infarct size determined. Mitochondria and cardiomyocytes were isolated according to standard techniques and oxidative function and glucose uptake respectively determined. CMEC NO production and cell viability were quantified by FACS analysis of the fluorescent probes, DAF-2/DA and propidium iodide/Annexin V respectively. Intracellular signalling was evaluated using Western blot and appropriate antibodies. Results: The high-calorie diet caused significant increases in body weight gain, visceral adiposity, fasting blood glucose, serum insulin, triglycerides, HOMA-IR index and a concomitant reduction in serum adiponectin levels as well as larger myocardial infarct sizes after exposure to IRI compared to the control, indicating increased susceptibility to damage. Three as well as six weeks of melatonin administration to obese and insulin resistant rats reduced serum insulin levels and the HOMA-IR index. Myocardial infarct size was reduced in both control and diet groups. These effects were associated with increased activation of baseline myocardial STAT- 3 and the RISK pathway during reperfusion. The diet had no effect on the oxidative phosphorylation capacity of mitochondria, isolated from non-perfused hearts (baseline), but melatonin administration for 6 weeks induced a reduction in state 3 respiration rate; mitochondria isolated from diet hearts subjected to global ischaemia, exhibited an attenuated oxidative phosphorylation process which was improved by melatonin treatment. Melatonin in vitro enhanced cardiomycyte insulin stimulated glucose uptake of normal young rats but not of insulin resistant rats. In vivo melatonin treatment for 6 weeks increased basal (in diet group) and insulin stimulated glucose uptake in both control and diet groups. Melatonin (1nM) in vitro caused a significant reduction in necrosis and apoptosis of cultured CMEC, associated with a decrease in nitric oxide availability and eNOS activation and a concomitant increase in PKB/Akt, p38MAPK and AMPK activation. The harmful effects of TNF- treatment on signalling in CMEC could be prevented by co-treatment with melatonin. Conclusions: The results suggest that short-term melatonin treatment was able to significantly attenuate the diet-induced increased myocardial susceptibility to ischaemia/reperfusion damage. It may also improve cardiac glucose homeostasis and mitochondrial oxidative phosphorylation in an insulin resistant state. Melatonin in vitro protects CMEC against apoptosis and necrosis and reduces nitric oxide availability. These beneficial effects of melatonin may ultimately be due to its antioxidant capacity or receptor-mediated actions, but this remains to be established. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Inleiding: Die vermoë van die hormoon, melatonien, om die hart teen iskemie/ herperfusiebesering (IHB) te beskerm, is welbekend. Onlangs is ook getoon dat melatonien IHB en verskeie van die nadelige effekte van vetsug en insulienweerstandigheid in hiperfagiegeïnduseerde vetsug kan voorkom. Die meganisme(s) betrokke by hierdie voordelige prosesse is egter grootliks onbekend. Die doel van hierdie studie was om die gevolge van korttermyn melatonienbehandeling in ‘n model van hiperfagiegeïnduseerde vetsug te ondersoek op (i) biometriese en metaboliese parameters, lipiedperoksidasie, miokardiale IHB en intrasellulêre seintransduksie, (ii) mitochondriale oksidatiewe fosforilasie, (iii) glukoseopname en intrasellulêre seintransduksie in kardiomiosiete en aanvullend, (iv) die invloed van akute melatonienbehandeling van kardiale mikrovaskulêre endoteelselle op sellulêre oorlewing, stikstofoksiedproduksie, TNF- - geïnduseerde disfunksie en seintransduksie. Metodiek: Manlike Wistarrotte is ewekansig in twee groep verdeel en vir 20 weke met standaard-rotkos of ‘n hoëkaloriedieet gevoer. Elke groep is in 3 subgroepe verdeel, wat deurgaans water of melatonien (4mg/kg/dag in die drinkwater) vir 3 of 6 weke voor die beëindiging van die eksperiment ontvang het. Harte is geperfuseer volgens die werkharttegniek, blootgestel aan iskemie/herperfusie en die infarktgrootte bepaal. Mitochondria en kardiomiosiete is volgens standaardtegnieke geïsoleer vir bepaling van oksidatiewe funksie en glukoseopname respektiewelik. NO produksie en sellewensvatbaarheid was gekwantifiseer deur vloeisitometriese analises (FACS) van die fluoresserende agense, DAF-2/DA en propidium jodied/Annexin V onderskeidelik. Intrasellulêre seintransduksie is evalueer met behulp van die Western kladtegniek en geskikte antiliggame. Resultate: Die hoëkaloriedieet het ‘n beduidende toename in liggaamsgewig, visserale vet, vastende bloedglukose, seruminsulienvlakke, trigliseriede, HOMA-IR-indeks en ‘n gepaardgaande verlaging in serumadiponektienvlakke tot gevolg gehad, sowel as groter miokardiale infarkte na iskemie/herperfusie. Laasgenoemde dui op ‘n groter vatbaarheid vir iskemiese beskadiging in harte van vetsugtige diere. Drie sowel as ses weke van melatonienbehandeling het die seruminsulienvlakke en HOMAindeks in vetsugtige diere beduidend verlaag, vergeleke met die kontroles. Miokardiale infarktgroottes was verminder in beide kontrole- en vetsuggroepe. Hierdie effekte het met ‘n verhoogde aktivering van basislyn STAT-3 en PKB/Akt en ERKp44/p42 tydens herperfusie gepaard gegaan. Die dieet het geen invloed op die oksidatiewe fosforilasiekapasiteit van mitochondria, geïsoleer uit harte van ongeperfuseerde harte, gehad nie (basislyn), maar melatonienbehandeling vir 6 weke het Staat 3 respirasie verlaag. Mitochondria, geïsoleer uit harte van vetsugtige rotte wat aan globale iskemie onderwerp was, het ‘n onderdrukte oksidatiewe fosforilasieproses gehad, wat egter deur melatonienbehandeling verbeter is. Melatonien in vitro het insuliengestimuleerde glukoseopname deur kardiomiosiete van jong, maar nie vetsugtige rotte nie, verhoog. In vivo melatonientoediening vir 6 weke het egter basale (in die dieetgroep) en insuliengestimuleerde glukoseopname in beide kontrole- en vetsuggroepe verhoog. Toediening van melatonien in vitro aan mikrovaskulêre endoteelselkulture het ‘n beduidende afname in nekrose, apoptose, stikstofoksied- beskikbaarheid en eNOS aktivering teweeggebring, tesame met ‘n verhoogde aktivering van PKB/Akt, p38MAPK en AMPK. Die nadelige effekte van TNF- toediening op seintransduksie in die mikrovaskulêre endoteelselle is deur melatonien voorkom. Gevogtrekkings: Die resultate toon dat melatonien ‘n merkwaardige beskermende effek op die toename in vatbaarheid vir iskemiese beskadiging in vetsugtige rotte gehad het. Dit mag ook miokardiale glukose-homeostase en mitochondriale oksidatiewe funksie in insulienweerstandigheid verbeter. Melatonien in vitro beskerm mikrovaskulêre endoteelselle teen nekrose asook apoptose en verminder die beskikbaarheid van stikstofoksied. Hierdie voordelige effekte van melatonien mag aan sy anti-oksidantvermoëns of stimulasie van die melatonienreseptor toegeskryf word, maar bewyse daarvoor ontbreek nog. / Division of Medical Physiology (Stellenbosch University), / National Research Foundation / Harry Crossley Foundation

Σκοπός: η μελέτη της επίδρασης εξάμηνης θεραπείας με από του στόματος αντισυλληπτικό δισκίο περιέχον 35μg αιθινυλ-οιστραδιόλης και 2mg οξικής κυπροτερόνης στη γλοιότητα πλάσματος νέων γυναικών με σύνδρομο πολυκυστικών ωοθηκών. Σχεδίαση: Η γλοιότητα πλάσματος μετρήθηκε σε ασθενείς με σύνδρομο πολυκυστικών ωοθηκών πριν και 6 μήνες μετά από τη χορήγηση αντισυλληπτικού δισκίου περιέχοντος 35μg αιθινυλ-οιστραδιόλης και 2mg οξικής κυπροτερόνης. Η μέτρηση της γλοιότητας έγινε σε ιξωδόμετρο τύπου 53610/I SCHOTT-Instruments, Mainz στους 37ο C. Ασθενείς: Οι ασθενείς στρατολογήθηκαν από το τμήμα Αναπαραγωγικής Ενδοκρινολογίας της Μαιευτικής - Γυναικολογικής Κλινικής του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Πατρών Ελλάδας. Στη μελέτη περιλήφθηκαν 66 νέες γυναίκες με σύνδρομο πολυκυστικών ωοθηκών. Βασικοί προσδιορισμοί: Γλοιότητα πλάσματος Αποτελέσματα: Στις ασθενείς ως σύνολο, η γλοιότητα πλάσματος ήταν 1.249±0.049 mm2/s (n=66). Μετά από 6 μήνες θεραπείας με από του στόματος αντισυλληπτικό δισκίο περιέχον 35μg αιθινυλ-οιστραδιόλης και 2mg οξικής κυπροτερόνης, η γλοιότητα πλάσματος αυξήθηκε σε 1.268±0.065 mm2/s (p=0.038). Η διαφορά στη γλοιότητα πλάσματος πριν και 6 μήνες μετά τη θεραπεία (Δ Γλοιότητας) ήταν 0,01864±,071452 mm2/s. Η Δ Γλοιότητας σχετιζόταν με τη Δ Ινωδογόνου (r=0.270, p=0.046), τη Δ Αιματοκρίτη (r=0.514, p=0.09) και τη Δ Τριγλυκεριδίων (r=0.292, p=0.021). Συμπέρασμα: Νέες γυναίκες με σύνδρομο πολυκυστικών ωοθηκών εμφάνισαν αυξημένη γλοιότητα πλάσματος μετά από θεραπεία με από του στόματος αντισυλληπτικό, το οποίο θα πρέπει για το λόγο αυτό να χρησιμοποιείται με προσοχή στον εν λόγω πληθυσμό. / Objectives: To investigate the influence of 6 months of treatment with an oral contraceptive (OC) containing 35μg ethinyl estradiol and 2mg cyproterone acetate on plasma viscosity in young women with PCOS. Design: PCOS patients were assessed for plasma viscosity before and after 6 months of treatment with an OC containing 35μg ethinyl estradiol and 2mg cyproterone acetate. Plasma viscosity was determined by a viscometer Type 53610/I SCHOTT-Instruments, Mainz at 37o C. Settings: Subjects were recruited from the Department of Obstetrics and Gynaecology, Division of Reproductive Endocrinology at the University Hospital of Patras, Greece. Patients: The study included 66 young PCOS women. Main Outcome measures: Plasma viscosity. Results: In PCOS women as a whole, plasma viscosity at baseline was 1.249±0.049 mm2/s (n=66). After 6 months of treatment with an oral contraceptive containing 35μg ethinyl estradiol and 2mg cyproterone acetate, plasma viscosity increased to 1.268±0.065 mm2/s (p=0.038). The difference between plasma viscosity before and after 6 months of treatment with an oral contraceptive containing 35μg ethinyl estradiol and 2mg cyproterone acetate (Δviscosity) was 0,01864±,071452 mm2/s. Δviscosity was related to Δfibrinogen (r=0.270, p=0.046), to Δhaematocrit (r=0.514, p=0.09) and to Δtriglycerides (r=0.292, p=0.021). Conclusion: Young PCOS women presented an increased plasma viscosity under OC treatment, which therefore should be used with caution.

L’obésité est associée au développement de plusieurs complications métaboliques, dont la résistance à l’insuline (RI). Or, certains sujets obèses ne développent pas de RI. Ces obèses sensibles à l’insuline (ISO) représentent un modèle humain unique pour étudier les facteurs impliqués dans le développement de la RI. La fibrose du tissu adipeux a été directement associée au développement de la RI chez le rongeur. Nous avons donc évalué la fibrose dans les tissus adipeux sous-cutané (TASC) et viscéral (TAV) d’individus obèses ISO, résistants à l’insuline (IRO) et diabétiques de type 2 (DT2), avant et six mois après leur chirurgie bariatrique. Malgré un âge, IMC et pourcentage de masse grasse semblables, les ISO présentaient une RI inférieure à celle des IRO avant la chirurgie (p < 0,05). Aucune différence n’a été observée entre les sujets ISO, IRO et DT2 en ce qui concerne la fibrose totale et les niveaux d’expression de gènes associés à la fibrose, ni dans le TASC ni dans le TAV. Toutefois, le log du pourcentage de fibrose dans le TASC était positivement corrélé avec le log de HOMA-IR (r = 0,3847, p = 0,0476) avant la chirurgie. Six mois plus tard, les niveaux de fibrose demeurent inchangés dans le TASC, mais la RI est significativement réduite dans tous les groupes, particulièrement chez les DT2. Aucune corrélation n’a été observée entre la fibrose du TASC et l’HOMA-IR après la chirurgie. Ces résultats montrent une association significative, mais éphémère entre la fibrose du TASC et la RI chez l’humain obèse. / Obesity is associated to the development of metabolic complications, including insulin resistance. Yet, a distinctive subset of obese patients seems protected from insulin resistance. Such insulin-sensitive obese subpopulation (ISO) offers a unique opportunity to investigate factors underlying the development of insulin resistance in humans without the confounding effect of major differences in adiposity. Adipose tissue fibrosis has been directly linked to the development of obesity-associated insulin resistance in rodents. Therefore, we quantified total fibrosis and examined the expression of fibrosis-related genes in subcutaneous (SAT) and visceral (VAT) adipose tissue biopsies of diabetic (T2D) and non diabetic obese patients stratified into ISO or insulin-resistant obese (IRO) based on the OGTT-derived ISIMatsuda index, before and six months after bariatric surgery. Despite similar age, BMI, and percent fat mass, ISO had lower insulin resistance than IRO subjects (p<0.05) at baseline. No difference was found between ISO, IRO and T2D, neither in terms of total fibrosis, nor in the expression of fibrosis-related genes in the adipose tissues before surgery. However, log SAT fibrosis positively correlated with log HOMA-IR at baseline (r = 0.3847, p < 0.05). Six months after surgery, fibrosis levels remained unchanged in SAT, but insulin resistance was significantly reduced in all groups, especially in T2D patients. No correlation was found between SAT fibrosis and HOMA-IR after surgery. These results show a significant, yet ephemeral association between SAT fibrosis and insulin resistance in obese humans.

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Je tiens à remercier les bourses des IRSC en collaboration avec le programme COPSE, les Bourses du Programme de Sciences biomédicales 2014-2015 et les Bourses d’excellence de la Faculté des études supérieures et post-doctorales Hydro-Québec (2015- 2016) pour leur contribution. / Introduction. Avec l’optimisation des traitements, le taux de guérison de la leucémie lymphoblastique aigüe (LLA) de l’enfant approche 90%. Cependant, 60% des survivants devront faire face à des complications à long-terme en lien avec les traitements. Ces patients ont un risque accru de complications cardiométaboliques telles que l’obésité, la résistance à l’insuline, la dyslipidémie et l’hypertension artérielle. Alors qu’il est reconnu que des facteurs génétiques contribuent au développement de ces complications, peu d’études ont observé l’impact de ces déterminants chez les survivants. Le but de cette étude est d’évaluer les associations entre les variantes rares et communes et le développement des complications cardiométaboliques chez les survivants de la LLA. Méthodes. La caractérisation du profil cardiométabolique et le séquençage de l’exome ont été réalisés dans une cohorte de 209 survivants de la LLA pédiatrique. Les variantes associées avec les complications cardiométaboliques ont été identifiées avec PLINK (commune) ou SKAT (rare et commune) et une régression logistique a été utilisée pour évaluer leur impact dans des modèles multivariés. Résultats. Nos analyses ont démontré que des variantes rares et communes dans les gènes BAD et FCRL3 sont associées au risque de présenter un phénotype dit extrême, soit trois facteurs de risque cardiométabolique et plus. Les variantes communes dans OGFOD3 et APOB et les variantes rares et communes dans BAD ont été associées à la dyslipidémie. Les variantes communes dans BAD et SERPINA6 ont été associées respectivement à l’obésité et la résistance à l’insuline. Conclusion. Notre étude a révélé une susceptibilité génétique au développement des complications cardiométaboliques chez les survivants de la LLA pédiatrique. Ces biomarqueurs pourront être utilisés pour la détection précoce et l’intervention chez cette population à haut risque. / Background. While cure rates for childhood acute lymphoblastic leukemia (cALL) now exceed 80%, over 60% of survivors will face treatment-related long-term sequelae, including cardiometabolic complications such as obesity, insulin resistance, dyslipidemia and hypertension. Although genetic susceptibility contributes to the development of these problems, there are very few studies that have so far addressed this issue in a cALL survivorship context. In this study, we aimed at evaluating the associations between common and rare genetic variants and long-term cardiometabolic complications in survivors of cALL. Method. We examined the cardiometabolic profile and performed whole-exome sequencing in 209 cALL survivors from the PETALE cohort. Variants associated with cardiometabolic outcomes were identified using PLINK (common) or SKAT (common and rare) and a logistic regression was used to evaluate their impact in multivariate models. Results. Our results showed that rare and common variants in the BAD and FCRL3 genes were associated (p<0.05) with an extreme cardiometabolic phenotype (3 or more cardiometabolic risk factors). Common variants in OGFOD3 and APOB as well as rare and common BAD variants were significantly (p<0.05) associated with dyslipidemia. Common BAD and SERPINA6 variants were associated (p<0.05) with obesity and insulin resistance, respectively. Conclusion. In summary, we identified genetic susceptibility loci as contributing factors to the development of late treatment-related cardiometabolic complications in cALL survivors. These biomarkers could be used as early detection strategies to identify susceptible individuals and implement appropriate measures and follow-up to prevent the development of risk factors in this high-risk population.

La stéatohépatite non alcoolique (NASH) est une pathologie du foie dont l’amplitude et les répercussions sont de plus en plus préoccupantes dans le monde médical ou biomédical. Elle est associée à l’obésité, au syndrome métabolique et au diabète sucré de type II. La recherche de la thérapie optimale pour le NASH est un domaine en plein essor puisqu’aucun traitement n’est suffisamment efficace à ce jour. La présente étude fait le point sur de nouvelles possibilités de traitements qui se sont avérés efficaces pour contrer les différentes lésions métaboliques et cellulaires rencontrées dans un modèle in vivo chez le rat où le NASH est induit par l’ingestion d’une diète riche en gras. Cette étude démontre, tout d’abord, que les traitements durant six semaines avec l’acide ursodéoxycholique (UDCA) et son dérivé le NCX 1000, possédant des propriétés donatrices de monoxyde d’azote, à doses équimolaires, protègent de manière équivalente le foie contre le stress oxydatif, l’hyperinsulinémie, l’inflammation et la fibrose causés par la stéatohépatite. De plus, la combinaison d’une plus faible dose de NCX 1000 avec un antioxydant lipophile tel que la vitamine E offre une protection similaire, particulièrement au niveau des paramètres du stress oxydatif. Par ailleurs, l’étude illustre aussi que la silibinine, composé polyphénolique actif du chardon marie (Silybum marianum) et utilisé en traitement pendant 5 semaines, possède un pouvoir hépatoprotecteur, des propriétés antioxydantes et un effet hypoinsulinémique dans ce modèle de stéatohépatite d’origine nutritionnelle. Le potentiel thérapeutique de ces composés en fait des candidats de choix pour le traitement du NASH qui méritent de faire l’objet d’études cliniques poussées. / Nonalcoholic steatohepatitis (NASH) is a serious liver condition related to the metabolic syndrome, obesity, and type II diabetes mellitus whose prevalence is drastically rising in developed countries and worldwide. Several remedies were investigated for the treatment of NASH but an efficient therapy has yet to be developed. In the present study, we explored novel therapeutic possibilities that were thought to be effective for the treatment of experimental high-fat diet-induced NASH the in rat. Our results show that a chronic six week treatment with a high dose of NCX 1000, a derivative of ursodeoxycholic acid (UDCA) with nitric oxide (NO) donating properties, is efficient at reversing steatosis, oxidative stress, inflammation, insulin resistance and fibrosis; major hallmarks of experimental NASH. We also demonstrated that the mother molecule, UDCA, is as efficacious in controlling the same parameters at equimolar doses. Moreover, our study demonstrates that NCX 1000 at lower doses can exert similar potent properties when combined with lipophilic antioxidants like vitamin E. On the other hand, we found that a 5-week treatment with silibinin, the major active component of milk thistle extract, improved liver steatosis and inflammation and decreased NASH-induced oxidative stress, insulin resistance, and fibrosis. These compounds have therefore the potential for being developed for the treatment of NASH. Clinical evidences are needed.

Résumé L’augmentation de l’espérance de vie chez les patients atteints de fibrose kystique (FK) entraine une augmentation de la prévalence des anomalies de tolérance au glucose, soit l’intolérance au glucose (IGT) et le diabète (DAFK). En dépit du fait, que les anomalies de la tolérance au glucose soient associées à un mauvais prognostic, l’origine de ces troubles n’est pas encore clairement établie. Notre objectif était d’examiner le rôle de l’insulinopénie et de la résistance à l’insuline dans la détérioration de la tolérance au glucose dans une cohorte prospective observationelle patients FK non diabétique. Nos résultats démontrent une réduction marquée de la phase précoce de la sécrétion de l’insuline ainsi qu’une augmentation de l’aire sous la courbe de la glycémie (AUC) chez tous les groupes de patients. Nous avons aussi démontré qu’une variation de la sensibilité à l’insuline joue un rôle prépondérant dans les changements de catégorie de tolérance au glucose dans cette population. Finalement, il semblerait que l’augmentation de l’AUC du glucose et la réduction de la phase précose de la sécrétion d’insuline sont des meileurs prédicateurs du status clinique que les catégories de tolérance au glucose. Il existe plusieurs indices pour évaluer la sécrétion d’insuline et pourtant aucun n’a été validé chez les patients FK. Nous avons examiné la validité des index de la sécrétion de l’insuline dérivés de l’hyperglycémie provoquée par voie orale (HGPO) ainsi que des valeurs à jeun par rapport au test de référence. Alors que la plupart des index calculés à partir de l’HGPO corrèlent significativement avec les valeurs du test de référence, cela n’est pas le cas pour les index calculés à partir des valeurs à jeun. La validation de ces index nous permet d’évaluer la sécrétion de l’insuline prospectivement dans notre cohorte de FK à partir de l’HGPO, est un test recommandé pour le dépistage du DAFK. Les recommandations nutritionnelles suggèrent aux patients FK une diète comprenant environ 40% de lipides afin d’éviter la malnutrition. Nous avons examiné le profil lipidique des patients FK diabétiques et non diabétiques après une HGPO et un repas hyperlipidique (RT). Nos résultats démontrent que la FK est associée à des augmentations de l’excursion glycémique lors de l’HGPO ou d’un RT comparativement aux témoins. Cependant, le RT provoque 1) une plus faible excursion glycémique comparativement à l’HGPO ; 2) une meilleure suppression de la production hépatique de glucose et 3) l’excursion lipidique postprandiale des patients FK reste normale. Il est donc peu probable que les anomalies de la sécrétion de l’insuline par les cellules  soient secondaires à une lipotoxicité. Nous avons aussi examiné les taux d’adiponectine, une hormone sécrétée par le tissu adipeux et pouvant moduler l’action de l’insuline. Les niveaux d’adiponectine corrèlent négativement avec plusieurs facteurs présents chez les patients FK incluant l’IGT, l’inflammation et une adiposité centrale en dépit d'un faible poids corporel. Les patients FK ne présentaient aucune altération des taux d’adiponectine malgré la présence d’une résistance à l’insuline, une inflammation sub-clinique et de l’IGT. La FK apparaît donc comme une condition où il existe une discordance entre les taux d’adiponectine et la résistance à l’insuline ou l’inflammation. En conclusion la prévalence de l’IGT est élevée dans cette population caractérisée par une excursion glycémique anormalement plus élevée, due principalement à une altération de la sécrétion de l’insuline exacerbée par une résistance à l’insuline. Mots clés : Adiponectine, Hyperglycémie par voie oral (HGPO), intolérance au glucose, fibrose kystique, diabète, résistance à l’insuline, sécrétion de l’insuline. / Abstract Abnormal glucose tolerance is a frequent co-morbidity in cystic fibrosis patients (CF), and is associated with a worse prognosis. However, the most pertinent factors to predict the clinical status and the physiopathology of glucose intolerance remain unclear. The aim of this study was to investigate the roles of impaired insulin secretion and insulin resistance in the progression of glucose intolerance from the normal state up to diabetes (CFRD) using an ongoing prospective observational cohort of non-diabetic CF patients. We demonstrated that CF patients displayed a reduced first phase insulin secretion across glucose tolerance categories (normal; intolerance and CFRD). Moreover, variation in insulin resistance has a significant impact on glucose tolerance in this population. Finally, early in the course of the disease, increased glucose area under the curve (AUC) and reduced first phase insulin secretion are better predictors of clinical status than conventional glucose tolerance categories. Numerous indices to evaluate insulin secretion have been proposed, but their validity has not been explored in cystic fibrosis (CF). The aim of this study was to validate surrogate indices of insulin secretion calculated from fasting values or the oral glucose tolerance test (OGTT) in CF patients against the gold standard, the intravenous glucose tolerance test (IVGTT). This is an essential step to study the physiopathological role of defective insulin secretion in the development of CFDR in large cohort. We showed that all insulin secretion indices correlated significantly with the IGVTT in control individuals. However, while OGTT-derived indices correlated significantly with the gold standard test in all CF groups, this was not the case for fasting-derived indices. Since the OGTT is required on a regular basis in CF patients to screen for CFRD, OGTT-derived indices should be used to evaluate insulin secretion. Abnormal insulin secretion combined with recommended high fat intake could be associated with dysregulation of glucose and lipid metabolisms in CF patients. Thus, the second objective was to examine postprandial glucose and lipid profiles during an OGTT and a standardized high-fat test meal (TM) in CF patients. CF patients presented higher glucose excursion compared to controls after the OGTT and TM. This excursion was significantly reduced in both amplitude and length during the TM for CF patients. In addition, control and CF patients presented similar profiles for both triglycerides and fatty acids. These results exclude lipotoxicity as a major player in ß cell defect for these patients. Circulating adiponectin levels are negatively associated with glucose intolerance, inflammation and central adiposity. Since these conditions are common in CF patients, we examined whether adiponectin values are altered in this population. CF patients did not show any changes in adiponectin levels despite insulin resistance, glucose intolerance and sub-clinical inflammation. Thus, CF appears to be one of the rare conditions in which discordance between adiponectin values and insulin resistance or inflammation is evident. In conclusion, CF patients are characterized by a high prevalence of glucose abnormalities due to an insulin secretion defect but also the contribution of insulin resistance. Key words: Adiponectin, Cystic fibrosis, diabetes, glucose intolerance, Oral glucose tolerance test, insulin resistance, insulin secretion.

La pharmacopée Cris est riche en plantes médicinales et plusieurs d’entre elles sont étudiées par notre laboratoire pour leur potentiel antidiabétique. Certaines espèces ont démontré leur capacité à stimuler la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK), une enzyme qui favorise la translocation de transporteurs de glucose à la membrane (effet hypoglycémiant). L’AMPK stimule également d’autres fonctions, telle l’oxydation des graisses, dans le but de rétablir l’énergie cellulaire. Ce projet a comme objectifs d’évaluer, premièrement, le stress métabolique induit par huit des extraits dans des cellules musculaires et des hépatocytes, effet qui serait responsable de l’activation de l’AMPK. Ce stress peut être déterminé en mesurant l’acidification du milieu extracellulaire ainsi que la déplétion du contenu en ATP des cellules suite aux traitements. Le deuxième objectif est de mesurer l’efficacité des extraits à réduire le contenu en gras (oxydation des graisses) et à ainsi normaliser la résistance à l’insuline dans des hépatocytes rendus insulino-résistants. Les hépatocytes sont rendus résistants à l’insuline (condition fortement lié à l’obésité) via traitement avec un acide gras saturé, le palmitate. Les résultats montrent que la majorité des extraits semble induire un stress métabolique de courte durée dans les cellules. Parmi les extraits, seul un a réussi à faire diminuer significativement le taux de triglycérides intracellulaire suite au traitement au palmitate sans toutefois améliorer la sensibilité à l’insuline. En conclusion, le potentiel hypoglycémiant des extraits serait du à leur capacité à affecter la respiration mitochondriale (stress métabolique). Toutefois, leur capacité à améliorer la sensibilité à l’insuline n’a pu être établie. / Cree pharmacopeia is rich in medicinal plants and many of them are studied by our laboratory for their antidiabetic potential. Some of the species tested have shown to activate the AMP-activated protein kinase (AMPK), an enzyme responsible for the translocation of glucose transporters to the cell membrane (hypoglycaemic activity). AMPK is also known to activate other cellular functions, like fat oxidation, in order to restore cell energy loss. The objectives of this study are, first, to measure the metabolic stress induced by eight of the species in muscular and liver cells, an effect believed to be responsible for the AMPK activation. Metabolic stress is evaluated by measuring extracellular medium acidification and cellular ATP depletion. The second objective is to assess the capacity of the extracts to clear intracellular fat (fat oxidation) and, by doing this, restore insulin sensitivity in insulin-resistant driven hepatocytes. To become insulin-resistant (a condition strongly linked to obesity), the hepatocytes are treated with a saturated fatty acid, palmitate. The results show that most of the extracts seem to increase the metabolic stress in muscular cells and hepatocytes for a short period of time. Among all extracts, only one has significantly reduced intracellular triglycerides in palmitate treated hepatocytes, an effect not followed by an increase in insulin sensitivity. In conclusion, the species tested in this study seem to exert their hypoglycaemic potential by affecting mitochondrial respiration (metabolic stress). However, the experimentations have not clearly shown the capacity of the species to restore insulin sensitivity in insulin-resistant liver cells.

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2. / In relation with the constant increase in obesity, more and more people suffer from insulin resistance and type 2 diabetes (DT2). This doctoral research program especially emphasizes lipid disorders, one of the major consequences of cardiometabolic diseases. In this respect, people with insulin resistance or DT2 are at higher risk of developing lipid disturbances characterized mainly by high levels of triglycerides and LDL-cholesterol concentrations and HDL cholesterol in the blood circulation. The risks of cardiovascular disease are higher in these patients. Classically, three organs are known to develop insulin resistance: muscle, adipose tissue and liver. Nevertheless, important studies begin to point out the small intestine as a major organ in the regulation of postprandial lipids, which may have a significant impact on the development of diabetic dyslipidemia. In addition, the intestine produces peptides, including GLP-1 (glucagon-like peptide-1), that have already demonstrated their therapeutic potential with regard to diabetic status and intestinal lipoprotein metabolism. Further evidence is also is provided by the advent of bariatric surgery that has a positive effect on radical and sustainable weight loss, metabolic control and reduction of comorbidities of DT2, following biliopancreatic diversion. The central objectives of this scientific program are therefore to determine the role of the intestine in (i) lipid/ lipoprotein homeostasis in response to high concentrations of glucose (mimicking diabetes) and to gastrointestinal peptides such as PYY; (ii) the coordination of metabolism by involving AMPK (AMP-activated protein kinase) as an essential sensor for fine tuning of cellular energy needs; and (iii) adjusting absorption capacity of dietary fat in the gain or loss of insulin sensitivity demonstrated in intestinal specimens collected during bariatric surgery. In order to confirm the role of the intestine in diabetic dyslipidemia, we first used the intestinal Caco-2/15 cell model. The use of this epithelial cell line has shown a marked stimulation of cholesterol uptake via the transporter NPC1L1 (Niemann-Pick C1-like 1) in the presence of high glucose concentrations (as is the case in diabetic conditions) in basolateral compartment (compared to apical). The use of ezetimibe, an inhibitor of NPC1L1, helped to counteract this elevation of cholesterol absorption, thus proving that NPC1L1 is indeed behind this effect. If previous reports have identified some clues as to the potential role of intestinal PYY (peptide YY) in lipid metabolism disorders, no study has yet addressed this issue systematically. To definitively establish the ability of PYY to modulate lipid transport and metabolism in the intestine, we have used Caco-2/15 cells. Our recent investigation has shown that PYY (administered in the apical compartment) is able to significantly reduce cholesterol absorption via NPC1L1 transporter. Since the role of AMPK in the intestine remains unexplored, it is important to define not only its molecular structure, regulation and function in lipid metabolism, but also its impact on insulin resistance and T2D on its status and mode of action in the gastrointestinal tract. Using Caco-2/15 cells, we have been able to show (i) the presence of all AMPK subunits (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) with a marked difference in their abundance, but with a predominance of AMPKα1 and the prevalence of α1/β2/γ1 heterotrimer; (ii) the activation of AMPK by metformin and AICAR, resulting in increased phosphorylation of the downstream target acetylCoA carboxylases (ACC) without no influence on HMG-CoA reductase; (iii) the negative modulation of AMPK by compound C and glucose concentrations with high impact on ACC phosphorylation. On the other hand, administration of metformin to Psammomys obesus with insulin resistance and T2D led to (a) an upregulation of intestinal AMPK signaling pathway essentially typified by ascending AMPKα-Thr172 phosphorylation; (b) a reduction in ACC activity; (c) an elevation in the gene and protein expression of CPT1, supporting a stimulation of β-oxidation; (d) a trend of increase in insulin sensitivity portrayed by augmentation of Akt and GSK3β phosphorylation; (e) an inactivation of the stress-responsive p38-MAPK and /ERK1/2 exemplified by their phosphorylation lessening; and (f) a decrease in diabetic dyslipidemia following lowering of intracellular events that govern lipoprotein assembly. Therefore these data suggest that AMPK fulfills key functions in metabolic processes in the small intestine. The clear evidence for the involvement of the gut in cardiometabolic events has been obtained through the scrutiny of intestinal specimens obtained from obese subjects after bariatric surgery. Intestine of insulin-resistant subjects shows defects in insulin signaling as demonstrated by reduced Akt phosphorylation but increased p38 MAPK phosphorylation. These defects were accompanied with increased oxidative stress and inflammation markers in intestine of insulin-resistant subjects. Enhanced de novo lipogenesis rate and apo B-48 biogenesis along with increased triglyceride-rich lipoprotein production was also observed in the intestine of insulin-resistant subjects. Concomitantly, fatty acid binding proteins (FABP) and microsomal transfer protein (MTP) expression was increased in the intestine of insulin-resistant subjects. In conclusion, the small intestine may be classified as an insulin-sensitive tissue. Its deregulation, possibly triggered by oxidative stress and inflammation, may lead to amplification of lipogenesis and lipoprotein synthesis and may therefore represent a key mechanism for atherogenic dyslipidemia in patients with metabolic syndrome and T2D.