Une étude génomique réalisée dans notre laboratoire a identifié le facteur de transcription ST18 comme étant potentiellement un régulateur transcriptionnel important de la cellule pancréatique bêta. Nous avons donc voulu découvrir son rôle, selon l'hypothèse que ST18 pourrait servir de commutateur transcriptionnel liant la masse et la fonction de la cellule bêta à son statut nutritionnel. Nos résultats indiquent tout d'abord qu'au niveau du pancréas, l'expression de ST18 est restreinte au tissu endocrine. De plus, l'expression et l'activité de liaison à l'ADN de ST18 sont augmentées in vitro en présence de traitements délétères, tels que le palmitate et les cytokines. Aussi, notre étude démontre que ST18 induit l'apoptose de la cellule bêta, en plus de réduire la replication cellulaire ainsi que la sécrétion d'insuline. Somme toute, nos résultats identifient et caractérisent ST18 comme un régulateur négatif de la fonction et de la masse de cellules bêta.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le diabète est associé à une réduction de la masse des cellules β. Par conséquent, la régénération des cellules β est un champ d'étude important. Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle le GLP-1, un médicament anti-diabète, stimule la differentiation de cellules progénitrices en cellules β matures (néogenèse) et étudié les mécanismes impliqués dans le processus. Nos résultats indiquent que le GLP-1 induit l'expression de marqueurs spécifiques à la cellule β (Pdxl, Glut2 et le gène de l'insuline) dans un modèle de cellules progénitrices (lignée AR42J). Cette action est précédée de l'expression de Ngn3, un gène contrôlant la differentiation des cellules endocrines du pancréas au cours du développement embryonnaire. De plus, notre étude suggère que la voie Pi3k et Hnf1-α/Hnf3-β participent à l'effet du GLP-1. Nos résultats pourraient mener à la découverte de cibles moléculaires permettant l'expansion de la masse de cellules β

L'apoptose des cellules bêta pancréatiques est une cause du diabète de type 2. La glycosylation par la voie des hexosamines modifie l'activité de protéines régulatrices. La déacétylase Sirt1 est connue pour son rôle dans la survie cellulaire et pour sa sensibilité face au métabolisme glucidique. Cette étude visait à montrer que l'activation directe de la voie des hexosamines stimule la mort de ces cellules par l'implication de Sirt-1. Le traitement des cellules Nit-1 avec la glucosamine a causé une augmentation temporelle significative de l'apoptose, jumelée à l'expression de facteurs pro-apoptotiques, la réduction des niveaux protéiques de Sirt-1 ainsi que sa glycosylation. De plus, l'attténuation génétique de Sirt1 a accentué la vulnérabilité des cellules à l'apoptose. Ces résultats montrent pour la première fois que Sirt1 joue un rôle important dans la survie de la cellule bêta et que sa glycosylation serait impliquée dans la perturbation de son rôle protecteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le diabète mellitus de type I est une maladie de plus en plus abondante. Cette dernière est caractérisée par la destruction auto-immunitaire des îlots de Langerhans incluant les cellules de type [bêta] qui produisent de l'insuline dans le pancréas endocrinien. Une option de traitement pour les patients atteints de cette maladie est notamment une greffe des îlots de Langerhans. Ce traitement est limité dû au nombre restreint de donneurs d'organes et aussi à la perte de fonctionnalité des îlots suite à la greffe. Les études effectuées tout au long de cette thèse ont pour optique d'adresser ces contraintes par le biais de la science des biomatériaux. La thèse débute avec un survol détaillé des concepts de base et des complexités associés aux interactions de type cellules et surfaces trouvées dans la littérature. II s'agit spécifiquement des interactions physiques et chimiques, des systèmes expérimentaux ainsi que des caractérisations et modifications associés aux interactions entre cellules et surfaces. La première étude de nature expérimentale examine la morphogenèse des cellules progénitrices ductales (PANC-1 cell line) vers des îlots qui produisent des agrégats semblables à des îlots (ILA). Le tout est fait sur des surfaces de carboxyméthyl dextrane (CMD) sur lesquelles le RGD est greffé via un lien covalent. L'expression des marqueurs d'lLAs (cytokeratin-19, Ki67, et E-cadherin) qui peuvent être associés à un changement de phénotype de ces cellules a été évaluée ainsi que la sécrétion et l'expression de l'insuline. La seconde étude de nature expérimentale a pour optique l'immobilisation de la fibronectine (FN) sur les mêmes surfaces de CMD mentionnées auparavant sur lesquelles des cellules ayant un phénotype [bêta] (INS-1 cell line) ont proliféré. Lors du processus d'immobilisation, plusieurs solutions ont été étudiées. L'immobilisation de la fibronectine sur des surfaces de CMD a été validée par la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X. Le mécanisme d'immobilisation a été déterminé par imagerie et mesures de force par microscopie à force atomique, la spectroscopie de dichroïsme circulaire ainsi que par la diffusion dynamique de la lumière. De plus, la croissance des cellules de type INS-1 et la sécrétion d'insuline ont été évaluées. La dernière étude de nature expérimentale visait l'étude de la coculture des cellules endothéliales et des îlots de porc dans un gel de fibrine. L'effet de la présence des cellules endothéliales sur la production d'insuline des îlots a été évalué. De plus, l'apoptose cellulaire en coculture a été évaluée et comparée aux cultures simples.

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace. / Transplantation of microencapsulated islets of Langerhans is a promising treatment for type 1 diabetes mellitus. The microcapsule allows the diffusion of small molecules, while protecting the islet from the antibodies and immune cells. However, microcapsule prevents islet revascularization, thus oxygenation depends on diffusion and islets are exposed to hypoxia. Poor oxygenation is a major limitation in microencapsulated islet survival. It was shown that smaller islets are more resistant to hypoxia because of a better oxygen diffusion. In this study, dispersed islet cell aggregates will be used to improve the oxygenation. When islet cells are dispersed into single cells, they have the ability to re-associate into an islet-like structure. This study allowed to set up a technique to form aggregates, to characterized them and to compare the resistance to hypoxia of islets and aggregates. Aggregates have a similar structure than islets and they are smaller. For this reason, they survive better to a hypoxic treatment, while restoring efficiently normoglycemia in diabetic mices. Aggregates are an interesting solution for microencapsulated islet transplantation because they have a better oxygenation.

La transplantation d’îlots de Langerhans microencapsulés est un traitement prometteur du diabète de type 1. La microcapsule protège l’îlot du système immunitaire, tout en permettant la diffusion de petites molécules. Comme la microcapsule empêche la revascularisation des îlots, leur oxygénation se fait par diffusion d’oxygène et ils sont exposés à l’hypoxie. Le manque d’oxygène est un facteur limitant dans la survie des îlots microencapsulés. Il est connu que les plus petits îlots sont plus résistant à l’hypoxie à cause d’une meilleure diffusion de l’oxygène. À cette fin, les agrégats de cellules dispersées d’îlots seront étudiés. Lorsque les cellules des îlots sont dispersées, elles ont la propriété de se ré-assembler dans une structure semblable à celle des îlots. La présente étude a permis de mettre au point une technique de formation des agrégats, de les caractériser et de comparer la résistance à l’hypoxie des îlots et des agrégats. Ceux-ci ont une structure semblable aux îlots et ils sont de plus petite taille. Pour cette raison, ils sont plus viables après un choc hypoxique tout en renversant efficacement l’hyperglycémie de souris diabétiques. Les agrégats sont une alternative intéressante pour la transplantation d’îlots microencapsulés puisque leur oxygénation est plus efficace. / Transplantation of microencapsulated islets of Langerhans is a promising treatment for type 1 diabetes mellitus. The microcapsule allows the diffusion of small molecules, while protecting the islet from the antibodies and immune cells. However, microcapsule prevents islet revascularization, thus oxygenation depends on diffusion and islets are exposed to hypoxia. Poor oxygenation is a major limitation in microencapsulated islet survival. It was shown that smaller islets are more resistant to hypoxia because of a better oxygen diffusion. In this study, dispersed islet cell aggregates will be used to improve the oxygenation. When islet cells are dispersed into single cells, they have the ability to re-associate into an islet-like structure. This study allowed to set up a technique to form aggregates, to characterized them and to compare the resistance to hypoxia of islets and aggregates. Aggregates have a similar structure than islets and they are smaller. For this reason, they survive better to a hypoxic treatment, while restoring efficiently normoglycemia in diabetic mices. Aggregates are an interesting solution for microencapsulated islet transplantation because they have a better oxygenation.

Les cellules β des îlots de Langerhans jouent un rôle central dans l’homéostasie glucidique car elles seules sécrètent l’insuline, unique hormone hypoglycémiante de l’organisme. La cellule β est un détecteur du glucose qui couple sa réponse sécrétoire et son expression génique aux niveaux ambiants de glucose. Le couplage entre le métabolisme du glucose et l’exocytose des granules d’insuline implique la génération d’une activité électrique. Son étude est importante pour déchiffrer la façon dont la cellule β encode la demande en insuline de l’organisme. Afin de contourner les limites des approches électrophysiologiques classiques incompatibles avec les études à long-terme, les enregistrements extracellulaires par matrice de microélectrodes (MEA) ont été mis en place.L’objectif de ma thèse était de mieux comprendre les signaux complexes enregistrés par MEAs. Cette étude a révélé l’existence d’une nouvelle signature électrique des cellules des îlots, les slow potentials (SP), qui reflète la fonction de couplage des cellules β. Les SP jouent un rôle important dans l’homéostasie du glucose et représentent un biomarqueur de la fonction normale des îlots. La réponse en hystérèse des îlots au glucose suggère l’existence d’un algorithme d’encodage de la demande en insuline intégrée au niveau du micro-organe. De plus, ce nouveau signal a été exploité pour le phénotypage d’îlots de souris invalidées pour le gène GluK2, que nous avons utilisées comme modèle d’interaction entre les cellules α et β. La caractérisation de ce nouveau type de signal constitue aussi une avancée importante pour le développement d’un biocapteur destiné à être intégré dans le futur à un pancréas artificiel. / Pancreatic β cells are central to glucose homeostasis because they are the only cell that secretes insulin, the sole hypoglycemic hormone in the organism. The β cell is a glucose sensor that regulates its secretory response and gene expression according to ambient glucose levels. The coupling between glucose metabolism and insulin granule exocytosis involves the generation of electrical activity. An investigation of this activity is important to decipher how β cells encode the organism’s insulin demand. In order to overcome the limits of classically used electrophysiological approaches that are not compatible with long-term studies, extracellular recordings using multielectrode arrays (MEA) have been set-up.My thesis aim was to better understand the complex signals recorded with MEA. This study revealed the existence of a new electrical signature of islet cells: slow potentials (SP) that reflect the coupling function of β cells. SP play an important role in glucose homeostasis and represent a biomarker of normal functioning of islets. The observed hysteretic response of islets to glucose suggests the existence of an algorithm encoding the insulin demand embedded at the microorgan level. Moreover, this new signal was used for the phenotyping of GluK2 deficient mouse islets that were employed as an α-to-β cell interaction model. The characterization of this new signal is an important progress in the development of a biosensor intended to be integrated in an artificial pancreas in the future.

Les îlots de Langerhans, principalement composés de cellules bêta sécrétant l’insuline, jouent un rôle majeur dans l’homéostasie glucidique grâce à leur sécrétion hormonale finement régulée. Dans un contexte d’insulino-résistance associée à l’obésité, la masse fonctionnelle des cellules bêta pancréatiques augmente, en partie grâce à une prolifération accrue. Le diabète de type 2 survient lorsque les mécanismes de compensation échouent et que la sécrétion d’insuline devient insuffisante. Par conséquent, augmenter la prolifération des cellules bêta a été proposée comme approche thérapeutique afin de retarder l’apparition du diabète de type 2. Parmi les différents facteurs pouvant moduler la prolifération des cellules bêta, les nutriments, en particulier le glucose et les acides gras, jouent un rôle important et plusieurs études chez le rongeur montrent que les nutriments augmentent la prolifération et la masse des cellules bêta avant l’apparition de l’insulino-résistance. De plus, des travaux de notre laboratoire ont montré que l’infusion d’un mélange d’acide gras, le ClinOleic (65% oléate, 20% linoléate et 15% palmitate) et de glucose provoquait une augmentation marquée de la prolifération des cellules bêta chez le rat. L’objectif de cette thèse est donc d’évaluer les mécanismes par lesquels les acides gras stimulent la prolifération des cellules bêta. Dans un premier article, seul l’oléate, parmi plusieurs acides gras testé, a démonté un effet significatif sur l’augmentation de la prolifération des cellules bêta en présence de glucose ex vivo. La prolifération induite par l’oléate nécessite la formation de sphingolipides à très longue chaîne monoinsaturée, tandis que la perturbation de leur synthèse provoque une diminution de la réponse proliférative. Dans une seconde étude, l’analyse par séquençage d’ARN sur cellules uniques a mis en évidence le rôle important des espèces réactives de l’oxygène, des peroxyrédoxines et du proto-oncogène MYC dans le processus prolifératif des cellules bêta induit par l’oléate. Dans l’ensemble, les travaux présentés dans cette thèse apportent un éclairage nouveau sur le potentiel prolifératif encore énigmatique des cellules bêta pancréatiques et soulignent le rôle des sphingolipides et des espèces réactives de l’oxygène dans ce processus. / The islets of Langerhans, mainly composed of insulin-secreting beta cells, plays a major role in glucose homeostasis due to their finely regulated hormone secretion. In a context of insulin resistance associated with obesity, the functional mass of pancreatic beta cells increases, in part due to increased proliferation. Type 2 diabetes occurs when these compensatory mechanisms fail and insulin secretion becomes insufficient. Therefore, increasing beta cell proliferation has been proposed as a therapeutic approach to delay the onset of type 2 diabetes. Among the various factors that can modulate the proliferation of beta cells, nutrients, in particular glucose and fatty acids, play an important role, and several studies in rodents show that nutrients increase beta-cell proliferation before insulin resistance can be detected. Previous work from our laboratory has shown that infusion of the fatty-acid mixture ClinOleic (65% oleate, 20% linoleate and 15% palmitate) in the presence of glucose markedly increases beta-cell proliferation in rats. The objective of this thesis is to evaluate the underlying mechanisms by which fatty acids stimulate beta-cell proliferation. In a first study, among several fatty acids tested, only oleate increased beta cell proliferation in presence of glucose ex vivo. Oleate-induced beta-cell proliferation requires the formation of monounsaturated very long chain sphingolipids, while blockade of their biosynthesis dampens the proliferative response. In a second study, single-cell RNA sequencing analysis highlighted the role of reactive oxygen species, peroxiredoxins, and the proto-oncogene MYC in oleate-induced beta cell proliferation. Overall, the work presented in this thesis sheds new light on the enigmatic proliferative potential of pancreatic beta cells and identifies a role for sphingolipids and reactive oxygen species in this process.