La transplantation d’îlots pancréatiques est considérée comme une thérapie prometteuse quant au traitement du diabète de type 1. En revanche, l’utilisation de traitements immuno-suppresseurs ainsi que le manque de donneur sont un frein à l’expansion de cette thérapie à plus de patients diabétiques. Pour résoudre ces deux problèmes, la stratégie développée durant ces vingt dernières années est le pancréas bioartificiel. Il consiste en une immuno-isolation de la greffe dans une enveloppe artificielle, protégeant non seulement la greffe du système immunitaire, mais aussi le receveur de la greffe. Les îlots ou les cellules productrices d’insuline transplantée(e)s ne sont pas en contact avec le système immunitaire et aucune immunosuppression n’est nécessaire. L’objectif de ce travail était de déterminer les marqueurs de survie et de mort des îlots dans des conditions mimant celles du MAILPAN®, un pancréas bioartificiel développé par Defymed et d’étudier différentes molécules qui pourraient augmenter la survie des îlots. Nous avons démontré que cet environnement bioartificiel engendrait un confinement et de l’hypoxie créant un stress cellulaire et donc une perte précoce des îlots. Nous avons identifié plusieurs cibles pour améliorer la viabilité et la fonction comme par exemple les transporteurs d’oxygène ou des molécules anti-inflammatoires. Plus le nombre d’îlots dans le MAILPAN® était élevé, plus les effets délétères sur la survie des îlots étaient importants. En conséquence, nous avons testé différentes molécules impliquées dans les voies de l’hypoxie et de l’inflammation pour augmenter la survie et restaurer la fonction des îlots pancréatiques dans un environnement confiné et hypoxique (600IEQ/cm2). L’ajout d’HEMOXcell®, un nouveau transporteur d’oxygène et du peptide tat-CREB ont montré une restauration de la fonction des îlots ainsi qu’une diminution de l’hypoxie et de l’inflammation après 24h de culture. Ainsi ce travail a permis l’identification de nouveaux candidats pour l’élaboration d’un milieu spécialisé pour l’encapsulation de cellules. / Islet transplantation is considered as promising therapy for brittle type 1 diabetes. However, the use of immunosuppressive regimen and the lack of donor prevent the expansion of the therapy to other diabetic patients. In order to address these two issues, the strategy developed for the two last decades is the bioartificial pancreas. It consists in the immune-isolation of the graft in an artificial envelop, protecting at the same time the graft, from the immune-system, and the host, from the graft. In principle, the transplanted islets or surrogate insulin secreting cells are not in contact with the immune system and no immunosuppressive drugs are needed. The objective of this work was to identify the markers of islet death/survival mimicking MAILPAN® conditions, a bioartificial pancreas developed by Defymed and study different molecules which can improve islet survival.We demonstrated that bioartificial environment induced confinement and hypoxia which triggers cellular distress causing early islet loss. We identified several targets to improve viability and function such as oxygen carriers or anti-inflammatory drugs. The highest the number of islets in the MAILPAN® was, the most deleterious effects in islet survival and functionality were observed. As a consequence, we tested different molecules implicated in hypoxia and inflammation pathway to improve islet survival and restore islet functionality in a hypoxic and confined environment (600IEQ/cm²). The addition of HEMOXCell®, a novel oxygen carrier, and tat-CREB peptide have been shown to restore islets functionality and decrease hypoxia and inflammation levels after 24 hours in culture. Thus, these data provide new inputs for the design of a culture medium dedicated for cell encapsulation.

Implication du PTP dans la mort cellulaire β pancréatique L'hyperglycémie, l'hyperfructosémie et l'ischémie-reperfusion sont délétères pour la viabilité cellulaire β pancréatique, jouant un rôle majeur dans la perte de la masse cellulaire β. Le pore de transition de perméabilité mitochondriale (PTP) est un canal mitochondrial impliqué dans le déclenchement de la mort cellulaire. Des données récentes montrent l'implication du PTP et du stress oxydant dans la toxicité induite par l'ischémie-reperfusion sur cardiomyocytes et également dans la glucotoxicité induite sur cellules endothéliales. La première partie de notre étude a visé à étudier l'implication de l'ouverture du PTP dans la mort cellulaire des cellules INS-1 et des îlots pancréatiques humains soumis à de fortes concentrations de glucose et de fructose. Nous démontrons que l'incubation des cellules INS-1 et des îlots pancréatiques humains en présence de 30 mM de glucose ou 2,5 mM de fructose déclenche une ouverture du PTP et induit la mort cellulaire. La metformine et la Cyclosporine A (CsA) préviennent l'ouverture du PTP et la mort cellulaire induite par le glucose et le fructose. La deuxième partie de notre travail montre que l'exposition des INS-1 à une heure de carence en substrat concomitante d'une hypoxie, suivie d'une restauration des conditions basales conduit à l'ouverture du PTP et à une majoration drastique de la mort cellulaire. Ces deux évènements sont totalement prévenus par l'incubation préalable par la CsA et la metformine mais aussi par la N-Acétyl-Cystéine (NAC) ou par l'exposition à une anoxie, soulignant ainsi le rôle fondamental du stress oxydant dans le déclenchement de l'ouverture du PTP et de la mort cellulaire. Nous montrons qu'au cours de l'ischémie-reperfusion simulée, la production de superoxide est bi-phasique : nous décrivons un premier pic de production au cours de la carence en substrat, lié à un flux reverse d'électrons au sein du complexe I de la chaîne respiratoire. Ce premier pic est suivi d'un deuxième pic de production après la restauration du niveau de substrats et d'O2, lié à l'ouverture du PTP. La NAC, l'anoxie ou la metformine préviennent les deux pics de production de superoxide tandis que la CsA prévient seulement le second pic. Enfin, nous montrons que l'hypoxie seule n'induit ni stress oxydant, ni ouverture du PTP ni mortalité cellulaire. L'ensemble de notre travail démontre le rôle central du PTP dans la gluco-fructotoxicité et dans la toxicité induite par l'ischémie-reperfusion sur la cellule β pancréatique. Ainsi, prévenir l'ouverture du PTP peut-être une approche intéressante pour préserver la viabilité cellulaire β. / PTP involvement in β pancreatic cell death Hyperglycemia, hyperfructosemia and ischemia-reperfusion play a major role in the progression of β cell loss in diabetes mellitus. The permeability transition pore (PTP) is a mitochondrial channel involved in cell death. PTP opening and oxidative stress have been shown to be involved in ischemia-reperfusion injury on cardiomyocytes and in hyperglycemia-induced cell death in endothelial cells. In the first part of this work, we have examined the involvement of PTP opening in INS-1 cells and human pancreatic islets cell death induced by high levels of glucose or fructose. We first reported that Metformin and Cyclosporin A (CsA) prevented Ca2+-induced PTP opening in permeabilized and intact INS-1 cells. We then shown that incubation of INS-1 cells and human islets in the presence of 30 mM glucose or 2.5 mM fructose induced PTP opening and led to cell death. Because both Metformin and CsA prevented glucose and fructose induced PTP opening, and hampered glucose and fructose induced cell death, we conclude that PTP opening is involved in high glucose and high fructose induced INS-1 and human islets cell death. We therefore suggest that preventing PTP opening might be a new approach to preserve β cell viability. In the second part of the work, we demonstrate that the incubation of INS-1 cells in the absence of energy substrates in hypoxic condition for 1 hour followed by incubation in normal condition led to PTP opening and to a dramatic increase in cell death. Both events were totally prevented when PTP opening was inhibited by either Cyclosporin A (CsA) or Metformin or when the cells were incubated in the presence of the antioxidant N-acetyl-cystein (NAC), in anoxia, highlighting the implication of oxidative stress is the commitment of PTP opening. Superoxide production increased during the removal of energy substrates, due to reverse electron flux through complex I and again increased when normal energy substrate and O2 were restored, due to PTP opening. NAC, anoxia or Metformin prevented the two phases of oxidative stress, while CsA prevented only the second one. Hypoxia alone did not induce oxidative stress, PTP opening or cell death. Our work demonstrates the implication of PTP opening in ischemia-reperfusion injury and gluco- fructotoxicty in β pancreatic cells. We therefore suggest that preventing PTP opening might be a new approach to preserve β cell viability.

Le diabète est une maladie chronique avec une progression alarmante. L’insuline-résistance et la diminution de la masse fonctionnelle des cellules beta, associée à l'inflammation des îlots, sont les principaux défauts impliqués dans la pathogenèse du diabète de type 2 (DT2). La compréhension des mécanismes impliqués dans l'inflammation des îlots pancréatiques, et l'identification de cibles moléculaires à visée anti-inflammatoire, sont des approches intéressantes pour le traitement du diabète. La glycogène synthase kinase 3 (GSK3), est une sérine-thréonine kinase qui régule des fonctions cellulaires essentielles. Cette enzyme a été récemment décrite comme un régulateur important de l'inflammation dans différentes conditions pathologiques. Cependant, l'implication potentielle de GSK3beta dans l'inflammation des îlots au cours du diabète reste inexplorée. Le but de ce travail était d'étudier l'implication de GSK3beta dans l'inflammation des îlots pancréatiques et d'évaluer l'impact de l'inhibition de GSK3beta dans l’amélioration de l’hyperglycémie du rat diabétique Goto-Kakizaki. Le rat Goto-Kakizaki (GK) est un modèle spontané de DT2, avec une hyperglycémie chronique apparaissant au sevrage, une masse beta cellulaire réduite et une altération profonde de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose. Peu après le sevrage, l'inflammation se développe dans les îlots du rat GK et participe au dysfonctionnement des cellules beta. Nous avons traité les rat GK mâles avec du chlorure de lithium (LiCl), un inhibiteur de GSK3. Le traitement chronique de jeunes rats GK a permis d’éviter l’installation de l’hyperglycémie chronique qui se développe normalement dans ce modèle chez les adultes. A la fin du traitement, la glycémie basale des rats GK traités par le LiCl était fortement réduite, en comparaison avec celle des rats GK non traités. Ces améliorations étaient associées à une réduction de l'expression des cytokines et des chimiokines pro-inflammatoires dans les îlots. L’inhibition de GSK3 a également diminué la fibrose des îlots et rétabli partiellement la sensibilité à l’insuline et la sécrétion d'insuline induite par le glucose chez les rats GK. De plus, des études ex vivo sur des îlots humains et des îlots de rats Wistar, exposés à un environnement inflammatoire en culture, ont révélé l'implication directe de GSK3 dans la réponse inflammatoire autonome des îlots. Ceci était entre autres associée à l’activation du facteur de transcription STAT3. En conclusion, nous montrons pour la première fois que GSK3beta est impliquée dans l’inflammation des îlots pancréatiques humains et de rongeurs. L’inhibition de GSK3beta atténue fortement l’inflammation insulaire, et prévient l’installation de l’hyperglycémie chronique chez le rat GK. L’ensemble des résultats de ce travail nous permet de proposer GSK3beta comme une cible potentielle pour le développement de traitements anti-inflammatoires dans le contexte du diabète de type 2 / Diabetes Mellitus (DM) is a chronic disabling disease with epidemic dimension. It is now established that islet inflammation is associated with defective functional beta cell mass in type 2 diabetes. The understanding of the mechanisms that govern diabetes-associated inflammation in pancreatic islets, and the identification of molecular targets to dampen inflammation are important steps to address this pathological condition. GK rat is a spontaneous model of type 2 diabetes with impaired beta cell function and mass, closely associated with islet inflammation. Glycogen Synthase Kinase 3 (GSK3) is a multi-tasking serine-threonine kinase which regulates crucial cellular functions. In recent years, GSK3beta has been found to be an important regulator of inflammation in different diseased conditions. However, the potential role of GSK3beta in the context of islet inflammation remains unexplored. In this study, we tested the potential of lithium, an inhibitor of GSK3, in improving islet inflammation and glucose metabolism in the GK rat. In vivo, treatment of young GK rats prevented the development of overt diabetes which normally occurs in adult individuals. Lithium improved the glycemic status of the GK rats after few weeks of treatment. At the end of the protocol, GK rats treated with lithium had a blood glucose levels that were significantly lower than that of age-matched untreated GK rats, which were overtly diabetic at this stage. Lithium treatment resulted in reduced expression of pro-inflammatory cytokines and chemokines, decreased fibrosis and reduced macrophage infiltration in the islets. Lithium partially restored the pancreatic insulin content, the insulin sensitivity and the glucose induced insulin secretion in the GK rats. Moreover, ex vivo studies in non-diabetic human and rat islets exposed to inflammatory environment in culture, revealed the direct implication of GSK3 in the islet autonomous inflammatory response. Moreover, we showed that GSK3 controls the islet inflammatory response at least in part by regulating the activity of the pro-inflammatory transcription factor STAT3. Taken together, our results identified GSK3 as a viable target to treat diabetes-associated inflammation, and could have potential clinical application in the treatment of diabetes and metabolic syndrome

Implication du PTP dans la mort cellulaire β pancréatique L'hyperglycémie, l'hyperfructosémie et l'ischémie-reperfusion sont délétères pour la viabilité cellulaire β pancréatique, jouant un rôle majeur dans la perte de la masse cellulaire β. Le pore de transition de perméabilité mitochondriale (PTP) est un canal mitochondrial impliqué dans le déclenchement de la mort cellulaire. Des données récentes montrent l'implication du PTP et du stress oxydant dans la toxicité induite par l'ischémie-reperfusion sur cardiomyocytes et également dans la glucotoxicité induite sur cellules endothéliales. La première partie de notre étude a visé à étudier l'implication de l'ouverture du PTP dans la mort cellulaire des cellules INS-1 et des îlots pancréatiques humains soumis à de fortes concentrations de glucose et de fructose. Nous démontrons que l'incubation des cellules INS-1 et des îlots pancréatiques humains en présence de 30 mM de glucose ou 2,5 mM de fructose déclenche une ouverture du PTP et induit la mort cellulaire. La metformine et la Cyclosporine A (CsA) préviennent l'ouverture du PTP et la mort cellulaire induite par le glucose et le fructose. La deuxième partie de notre travail montre que l'exposition des INS-1 à une heure de carence en substrat concomitante d'une hypoxie, suivie d'une restauration des conditions basales conduit à l'ouverture du PTP et à une majoration drastique de la mort cellulaire. Ces deux évènements sont totalement prévenus par l'incubation préalable par la CsA et la metformine mais aussi par la N-Acétyl-Cystéine (NAC) ou par l'exposition à une anoxie, soulignant ainsi le rôle fondamental du stress oxydant dans le déclenchement de l'ouverture du PTP et de la mort cellulaire. Nous montrons qu'au cours de l'ischémie-reperfusion simulée, la production de superoxide est bi-phasique : nous décrivons un premier pic de production au cours de la carence en substrat, lié à un flux reverse d'électrons au sein du complexe I de la chaîne respiratoire. Ce premier pic est suivi d'un deuxième pic de production après la restauration du niveau de substrats et d'O2, lié à l'ouverture du PTP. La NAC, l'anoxie ou la metformine préviennent les deux pics de production de superoxide tandis que la CsA prévient seulement le second pic. Enfin, nous montrons que l'hypoxie seule n'induit ni stress oxydant, ni ouverture du PTP ni mortalité cellulaire. L'ensemble de notre travail démontre le rôle central du PTP dans la gluco-fructotoxicité et dans la toxicité induite par l'ischémie-reperfusion sur la cellule β pancréatique. Ainsi, prévenir l'ouverture du PTP peut-être une approche intéressante pour préserver la viabilité cellulaire β.

ABSTRACTThe prevalence of diabetes is increasing dramatically, incurring a major health and socioeconomic burden. Type 2 diabetes (T2D), the most prevalent form of diabetes, results from a variable combination of insulin resistance and insulin deficiency, secondary to pancreatic β-cell failure. These defects are caused by a complex interplay between genetic and environmental/ lifestyle factors. Among the latter, poor dietary quality is a crucial driver of T2D development. Although adopting healthy dietary habits is considered as a mainstay for T2D prevention, what constitutes a healthy diet remains controversial. Epidemiological studies examining the association of dietary fat quality with T2D incidence have yielded equivocal results and may suffer from confounding. On the other hand, randomized trials assessing the impact of dietary fat saturation on glucose homeostasis have major methodological shortcomings, precluding reliable conclusions. In order to elucidate this question, we compared the effects of palm oil vs olive oil on glucose homeostasis and other relevant metabolic parameters, in a mouse model of high-fat diet-induced obesity. The saturated fatty acid-rich palm oil is the most abundantly used oil worldwide. Olive oil is a staple food of the Mediterranean diet, rich in monounsaturated fatty acids and widely regarded as healthful. In this model, palm oil was not more harmful than olive oil with regard to glucose/insulin homeostasis. However, palm oil was associated with increased visceral adiposity and triglyceridemia compared to olive oil. Circulating and tissue free fatty acid (FFA) concentration and composition are determined by dietary factors, as well as genetic and metabolic factors. There is accumulating evidence indicating that increased FFA levels and/or an unbalanced FFA composition with excess palmitate, induce β-cell dysfunction and apoptosis (lipotoxicity). To characterize the mechanisms underlying lipotoxicity, we combined RNA-sequencing with proteomics of β-cells exposed to palmitate, the most prevalent SFA in humans. This cross-omics study showed that palmitate altered lipid and amino-acid metabolism, and affected amplifying pathways of insulin secretion and exocytosis. Furthermore, palmitate induced stress pathways, including mitochondrial dysfunction, oxidative stress and endoplasmic reticulum (ER) stress. ER stress is triggered when protein folding demand exceeds ER folding capacity. This response aims to restore ER homeostasis but if unresolved, it can become deleterious. Islets from T2D patients display signs of ER stress, pointing to a potentially pathogenic role of the latter.Monogenic and neonatal diabetes are rare forms of diabetes caused by single gene mutations. These forms are of particular interest, as they can serve as ‘human knockout’ models of diabetes. Recent evidence shows that there is overlap in the genetic basis of monogenic diabetes and T2D, suggesting that they may be part of a pathologic continuum. To explore the role of ER stress in diabetes pathogenesis, we studied two different genetic syndromes involving neonatal or early-onset diabetes, caused by mutations in genes related to ER function (DNAJC3 and YIPF5). Using in vitro knockdown models, we showed that ER stress elicited by impaired chaperone function (DNAJC3) or by impaired ER-to-Golgi protein transport (YIFP5) causes β-cell apoptosis. Altogether, our findings support that lipotoxic and genetic ER stress contribute to diabetes pathogenesis. Preventing or modulating ER stress thus holds anti-diabetic therapeutic potential. Future research should focus on defining optimal strategies to restore a balanced FFA profile and enhance ER function, aiming to prevent ER-stress induced β-cell failure. RésuméLa prévalence du diabète progresse constamment, posant un défi sanitaire et socioéconomique majeur. Le diabète de type 2 (DT2), la forme la plus courante de diabète, résulte de la résistance à l’insuline, en association avec un déficit insulinique dû à la défaillance des cellules β pancréatiques. Ces anomalies découlent d’une interaction complexe entre des facteurs génétiques et des facteurs liés au mode de vie. Parmi ces derniers, la qualité du régime alimentaire est un facteur crucial pour le développement du DT2. Bien que le suivi d’un régime alimentaire sain est considéré comme le pilier pour la prévention du DT2, ce qui constitue un régime sain demeure un sujet de controverse.Les études épidémiologiques examinant l’association entre la qualité de la graisse alimentaire et l’incidence du DT2 ont donné des résultats équivoques, affectés éventuellement par des facteurs confondants. En outre, les études randomisées évaluant l’impact du degré de saturation de la graisse alimentaire sur l’homéostasie du glucose comportent des limitations méthodologiques majeures. Afin d’élucider cette question, on a comparé les effets de l’huile de palme aux effets de l’huile d’olive sur l’homéostasie du glucose et d’autres paramètres métaboliques pertinents. Dans ce but, on a utilisé un modèle murin d’obésité induite par un régime riche en graisse. L’huile de palme est riche en acides gras saturés et elle est l’huile la plus utilisée globalement. L’huile d’olive est un aliment phare du régime Méditerranéen, riche en acides gras monoinsaturés et généralement reconnu comme un aliment sain. Dans notre modèle murin, la consommation d’huile de palme n’était pas plus néfaste que celle de l’huile d’olive sur l’homéostasie du glucose, la sensibilité à l’insuline et l’insulinosécrétion. Par contre, l’huile de palme était associée à une adiposité viscérale et une triglycéridémie plus élevée comparée à l’huile d’olive.La concentration et la composition des acides gras libres (AGL) sont déterminées par des facteurs alimentaires, génétiques et métaboliques. Des données abondantes démontrent que la présence des niveaux élevés d’AGL et/ou d’une composition déséquilibrée d’AGL induit la dysfonction et l’apoptose des cellules β (lipotoxicité). Pour caractériser les mécanismes sous-jacents de la lipotoxicité, on a combiné un séquençage ARN à une étude protéomique des cellules β exposées au palmitate, l’AGL saturé le plus courant chez l’homme. Cette étude conjointe a montré que le palmitate altère le métabolisme des lipides et des acides aminés, les voies d’amplification de la sécrétion d’insuline et l’exocytose. Le palmitate induit également des voies de stress cellulaires, telles que la dysfonction mitochondriale, le stress oxydatif et le stress du réticulum endoplasmique (RE). Le stress du RE est activé quand les besoins en sécrétion protéique dépassent les capacités de l’organite. Cette réponse a pour but de rétablir l’homéostasie du RE mais si le stress reste non résolu, ceci peut s’avérer délétère. Des îlots des patients avec un DT2 montrent des signes de stress du RE, évoquant un rôle potentiellement pathogénique de ce dernier.Le diabète monogénique et néonatal sont des formes rares de diabète causées par des mutations d’un seul gène. Ces formes sont particulièrement intéressantes sur le plan physiopathologique car elles représentent des ‘knockout’ humains. Des données récentes montrent que la base génétique du diabète monogénique n’est pas complètement distincte de celle du diabète de type 2 et les deux entités pourraient faire partie d’un continuum. Afin d’explorer le rôle du stress du RE dans la pathogénèse du diabète, on a étudié deux syndromes génétiques entraînant un diabète néonatal ou à début très précoce. Ces syndromes sont causés par des mutations dans des gènes impliqués dans la fonction du RE (DNAJC3 et YIPF5). En silençant ces gènes in vitro, on a montré que le stress du RE, déclenché soit par une dysfonction des chaperones (DNAJC3), soit par un retard du trafic de protéines du RE vers le Golgi (YIPF5), induit l’apoptose des cellules β.Ces résultats suggèrent que le stress du RE génétique et lipotoxique contribuent à la pathogénèse du diabète. La prévention ou modulation du stress du RE présente donc un potentiel thérapeutique anti-diabétique. Des études futures pourraient permettre de définir des stratégies optimales pour rétablir un profil d’AGL équilibré ou renforcer la fonction du RE, en vue de prévenir la défaillance des cellules β. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal