Thesis (M.Sc. (Biochemistry)) -- University of Limpopo, 2013 / Diabetes mellitus is one of the fast growing chronic metabolic disorders throughout the world. It has become a life threatening disease and health burden. So far it can only be managed with commercial therapeutic agents, proper diet and exercise. People particularly from developing countries use medicinal plants to treat this condition. According to WHO, about 80% of the population in developing countries are dependable on medicinal plants. This prompted many researchers to explore the effectiveness and safety of these plants. In the current study ten medicinal plants were randomly chosen, screened for antidiabetic activity by testing their ability to inhibit α-amylase and α-glucosidase enzymes. The plants were tested using in vitro assays. The finely powdered leaves of each plant were extracted with hexane, chloroform, acetone and ethyl acetate. Phytoconstituents of each plant extracts were analyzed using both qualitative and quantitative methods. All plant extracts tested positive for phenols, flavonoids and all negative for starch. Their compounds were better separated in the TEA mobile system on the TLC plates. All plant extracts had more of total phenolics ranging between 0.1-400 GAE/mg than total flavonoids and condensed tannins. Antioxidant activity of the plant extracts was tested quantitatively at various concentrations using DPPH. Most plant extracts were able to scavenge the radicals produced by DPPH at highest concentration of 2.5 mg/mℓ. Not all plant extracts with the highest number of total phenolics had the highest antioxidant activity. For antidiabetic in vitro assays, plant extracts inhibited various percentages of both α-amylase and α-glucosidase activity at concentrations ranging between 0.019- 2.5 mg/mℓ. The best overall activity against both enzymes was observed in acetone and ethyl acetate plant extracts. Cassia abbreviata and Helinus integrifolius were even more active than acarbose which was used as positive control. These plant extracts inhibited both the enzymes in a dose dependent and non-competitive manner. Seeing that both extracts of C. abbreviata and H. integrifolius were consistent when inhibiting both enzymes, they were further evaluated for their effect on glucose uptake by the C2C12 muscle and H-II-4-E liver cells. All the plant extracts tested were able to increase glucose uptake in the muscle cells. However optimal increase was seen in the liver cells when treated with 250 µg/mℓ of acetone and ethyl acetate extracts of C. abbreviata. The cytotoxicity effects of both acetone and ethyl acetate of C. abbreviata and H. integrifolius was tested using the xCelligence system on RAW 264.7 cells. Different cell indexes were obtained after treating the cells with different concentrations (0.05,0.1 and 0.25 mg/mℓ) of each plant extracts respectively. The system was run for three days but the toxic effects of plant extracts were analyzed for the first ten hours. The results obtained shows that cell index decreased as the concentration of the plant extracts was increased. All the plant extracts were less toxic as compared to positive control, Actinomycin D. The leaves of H. integrifolius were further exhaustively extracted with hexane, dichloromethane, acetone, ethyl acetate and methanol respectively. Since the DCM extracts yielded the highest mass in quantity, it was further used for isolation of active compounds. Column chromatography and bioassay guided fraction led to isolation of a mixture of triterpenes identified as α and β-amyrin. The structure was elucidated using nuclear magnetic resonance technique. The inhibitory capability of the isolated compound against α-amylase enzyme was less than the crude extract which inhibited more than 50% of the activity at a concentration of 1 mg/mℓ.Based on the enzymes assays and cell culture work it can be concluded that C. abbreviata and H. integrifolius species are the best inhibitors of carbohydrate digesting enzymes, and therefore be used to manage postprandial hyperglycemia in the people with type 2 diabetes. However more work still need to be conducted for further isolation of more active compounds.

Le diabète de type 1 (DT1) est une maladie auto-immune caractérisée par la destruction sélective des cellules β pancréatiques entraînant une hyperglycémie et nécessitant un traitement par insulinothérapie à vie. La physiopathologie du DT1 est complexe et fait intervenir les cellules immunitaires innées et adaptatives dans la pathogenèse et la régulation du DT1. Alors que le développement du diabète peut être associé à des facteurs génétiques, des facteurs environnementaux sont également impliqués dans le déclenchement de cette maladie. Des études récentes ont mis en évidence le rôle du microbiote intestinal dans le développement ou la protection du DT1. Des modifications du microbiote ont par ailleurs été observées chez les patients DT1 avant le déclenchement de la maladie. Plusieurs études ont également décrit des altérations de la muqueuse intestinale chez les souris NOD et chez les patients DT1. Les cellules MAIT sont des lymphocytes T de type inné reconnaissant la molécule de MR1 et exprimant un TCR Va semi-invariant (Vα7.2-Jα33 chez l'homme et Vα19-Jα33 chez la souris). Les cellules MAIT sont activées par des métabolites bactériens, dérivés de la synthèse de la riboflavine. Leur particularité est de produire rapidement diverses cytokines telles que le TNF-α, l’IFN-γ et l’IL-17 et le granzyme B. La localisation et la fonction des cellules MAIT suggèrent qu'elles pourraient jouer un rôle clé dans le maintien de l'intégrité intestinale et le développement des réponses auto-immunes dirigées contre les cellules β. Dans l’ensemble, nos résultats chez les patients DT1 et chez les souris NOD montrent une activation anormale des cellules MAIT chez les patients DT1. Ces anomalies peuvent être détectées avant le déclenchement de la maladie. L'analyse des tissus périphériques de souris NOD souligne le rôle des cellules MAIT dans deux tissus, le pancréas et la muqueuse intestinale. Dans le pancréas, la fréquence des cellules MAIT est augmentée. Dans ce tissu les cellules MAIT semblent participer à la destruction des cellules β. Contrairement au pancréas, les cellules MAIT situées dans la muqueuse intestinale semblent jouer un rôle protecteur grâce à leur production de cytokines IL-22 et IL-17. Nos données chez les souris NOD Mr1-/-, dépourvues de cellules MAIT, soulignent le rôle protecteur des cellules MAIT lors du développement du DT1 en participant au maintien de l'intégrité intestinale. En outre, la présence d'altérations intestinales à mesure que la maladie progresse chez les souris NOD souligne l'importance des cellules MAIT dans le maintien de l'homéostasie intestinale. De manière intéressante, les cellules MAIT pourraient représenter un nouveau biomarqueur de la maladie et permettre de développer des stratégies thérapeutiques innovantes basées sur l’activation locale des cellules MAIT. / Type 1 diabetes (T1D) is an auto-immune disease characterized by the selective destruction of pancreatic islet β cells resulting in hyperglycemia and requiring a life-long insulin replacement therapy. The physiopathology of T1D is complex and still not entirely understood. Both innate and adaptive immune cells are involved in the pathogenesis and the regulation of T1D. While diabetes development can clearly be associated with genetic inheritance, environmental factors were also implicated in this autoimmune diseases. Recent studies have highlighted the role of the intestinal microbiota in the development or protection against T1D. Gut microbiota analyses in patients have shown differences before the onset of T1D. Moreover, several studies also described gut mucosa alterations in NOD mice and in T1D patients. MAIT (Mucosal Associated Invariant T) cells are innate-like T cells recognizing the MR1 molecule and expressing a semi-invariant receptor Vα chain (Vα7.2-Jα33 and Vα19-Jα33 in mice). MAIT cells are activated by bacterial metabolites, derived from the synthesis of riboflavin. Their particularity is to rapidly produce various cytokines such as TNF-α IFN-γ, IL-17 and granzyme B. The localization and the function of MAIT cells suggest that they could exert a key role in the maintenance of gut integrity, thereby controlling the development of autoimmune responses against pancreatic β cells. To summarize, our results in T1D patients and in NOD mice indicate an abnormal MAIT cell activation in this pathology, which occurs before disease onset. The analysis of peripheral tissues from NOD mice highlights the role of MAIT cells in two tissues, the pancreas and the gut mucosa. In the pancreas, MAIT cells frequency is elevated and they could participate to the β cells death. In contrast to the pancreas, in the gut mucosa MAIT cells could play a protective role through their cytokines production of IL-22 and IL-17. Our data in Mr1-/- NOD mice, lacking MAIT cells, reveal that these cells play a protective role against diabetes development and in the maintenance of gut mucosa integrity. Moreover, the presence of gut alteration as T1D progress in NOD mice underscores the importance of MAIT cells in maintaining gut mucosa homeostasis. Interestingly, MAIT cells could represent a new biomarker towards T1D progression and open new avenues for innovative therapeutic strategies based on their local triggering.

Hintergrund und Ziel: Der hausärztliche Bereich ist von zentraler Bedeutung für die Betreuung von Patienten mit Diabetes mellitus. Die Autoren untersuchten a) die Prävalenz von Diabetes mellitus Typ 1 und Typ 2, b) die Art und Häufigkeit von nichtmedikamentösen und medikamentösen Behandlungen und deren Zusammenhang mit dem Vorliegen von diabetestypischen Komplikationen sowie c) die Qualität der Stoffwechseleinstellung anhand des HbA1c. Methodik: Auf der Grundlage einer bundesweiten Zufallsstichprobe von 3 188 Arztpraxen („response rate“ [RR] 50,6%) wurden 55 518 Patienten (RR 93,5%) im September 2003 in einer prospektiven Querschnittsstudie standardisiert mit Fragebögen, Arztgespräch und Labormessungen untersucht. Neben Diabetes mellitus wurden 28 weitere Erkrankungen explizit erfasst, darunter auch die typischen makrovaskulären (koronare Herzkrankheit, zerebrovaskuläre Erkrankungen, periphere arterielle Verschlusskrankheit) und mikrovaskulären Komplikationen (Neuropathie, Nephropathie, Retinopathie, diabetischer Fuß). Ergebnisse: Es wurde eine Prävalenz des Diabetes mellitus von 0,5% (Typ 1) bzw. 14,7% (Typ 2) dokumentiert. 49,5% (Typ 1) bzw. 50,2% (Typ 2) der Patienten hatten bereits mikro- oder makrovaskuläre Folge- bzw. Begleiterkrankungen. 6,8% der Patienten erhielten keine Therapie, 13,5% wurden nur mit Diät/Bewegung behandelt, und 75,3% erhielten orale Antidiabetika und/oder Insulin, davon 26,6% eine Kombinationstherapie mit verschiedenen Antidiabetika. Die Behandlungsintensität war im Vergleich zu Diabetikern ohne Komplikationen bei Patienten mit mikrovaskulären Kom- plikationen deutlich höher (Odds-Ratio [OR] 3,02) als bei denen mit makrovaskulären Komplikationen (OR 0,98). Ein HbA1c-Wert ≥ 7,0% fand sich bei 39,6% der Patienten. Schlussfolgerung: Im Vergleich zu früheren Untersuchungen im hausärztlichen Bereich hat die Rate der medikamentös behandelten Diabetiker zugenommen. Eine Kombinationstherapie wird häufiger eingesetzt. Die Qualität der Einstellung scheint sich ebenfalls verbessert zu haben. / Background and Purpose: The primary care sector is of key importance for the management of patients with diabetes mellitus. The authors investigated (a) the prevalence of diabetes mellitus type 1 and type 2, (b) the type and frequency of non-drug and drug treatment and its association with the presence of diabetic complications, and (c) the quality of metabolic control by HbA1c. Method: Using a nationwide probability sample of 3,188 general practices (response rate [RR] 50.6%), a total of 55,518 (RR 93.5%) patients were assessed in a prospective cross-sectional study by their physicians in September 2003 in a standardized manner using questionnaires, physician interview, and laboratory assessments. In addition to diabetes mellitus, 28 diseases were explicitly screened for, among them typical macrovascular (coronary heart disease, cerebrovascular disease, peripheral arterial disease) and microvascular disease (neuropathy, nephropathy, retinopathy, diabetic foot) complications. Results: The prevalence of diabetes mellitus was 0.5% (type 1) and 14.7% (type 2), respectively. 49.5% (type 1) and 50.2% (type 2) of patients had micro- or macrovascular complications. 6.8% did not receive any treatment, 13.5% received non-drug treatment, and 75.3% received oral antidiabetic drugs and/or insulin (26.6% a combination of two or more). Compared to diabetics without any complications, treatment intensity was significantly higher in patients with microvascular complications (odds ratio [OR] 3.02), but not in those with macrovascular complications only (OR 0.98). An HbA1c value ≥ 7.0% was recorded in 39.6% of patients. Conclusion: Compared to previous studies in this setting, the proportion of diabetics with drug treatment has increased. More patients receive antidiabetic drug combinations. Quality of blood sugar control appears to have improved as well.

Es gibt widersprüchliche Befunde darüber, ob depressive Symptome Risikofaktoren für die Neumanifestation eines Diabetes sind oder ob umgekehrt auch Diabetes ein Risikofaktor für depressive Zustände ist. Daher untersuchen wir die längsschnittlichen wechselseitigen Assoziationen zwischen depressiven Symptomen und Typ-2-Diabetes (T2D) sowie die Auswirkungen des gemeinsamen Auftretens beider Erkrankungen auf die Mortalität anhand einer Stichprobe von Hausarztpatienten im Verlauf eines im Mittel 3,5-jährigen Beobachtungszeitraums. Die depressive Symptomatik wurde anhand des Depression Screening Questionnaire (DSQ) kategorial sowie dimensional betrachtet. Die Einteilung in Patienten mit normalem Nüchternblutzucker (NBZ), erhöhtem NBZ sowie T2D (unbehandelt, medikamentös, mit Insulin/kombiniert behandelt) erfolgte nach Arztangaben beziehungsweise nach Laborbefunden zur Baseline-Untersuchung. Die Inzidenz des T2D bei Patienten mit beziehungsweise ohne depressive Symptome betrug 25,6 und 20,9 pro 1000 Personenjahre. Bei dimensionaler Betrachtung des DSQ erhöhte sich das T2D-Risiko (unadjustiert) um das 1,03-Fache [KI (95%): 1,01–1,06] bei punktweisem Anstieg des DSQ. Die Inzidenz depressiver Symptome per 1000 Personenjahre betrug 30,5 für Patienten mit normalem, 34,2 für Patienten mit erhöhtem NBZ, 36,4 für unbehandelte, 32,3 für oral behandelte und 47,8 für insulinbehandelte T2D-Patienten. Verglichen mit Patienten mit einem normalen NBZ hatten insulinbehandelte Patienten ein höheres Risiko für depressive Symptome [HR: 1,71; KI (95%): 1,03–2,83] und oral behandelte T2D-Patienten ein niedrigeres Risiko [HR: 0,58; KI (95%): 0,36–0,96]. Verglichen mit Patienten ohne T2D und depressiver Symptomatik ist das Vorliegen beider Erkrankungen mit einer erhöhten Mortalität assoziiert [HR: 2,49; KI (95%):1,45–4,28]. Die Ergebnisse deuten an, dass vor allem eine Insulinbehandlung bei T2D-Patienten mit inzidenten depressiven Symptomen assoziiert ist. / It is unclear whether depressive symptoms are a risk factor for incident diabetes or diabetes is a risk factor for depressive conditions. Therefore, we examined the longitudinal bidirectional associations between depressive symptoms and type 2 diabetes (T2D) as well as the impact of both diseases on (all cause) mortality in a sample of primary care patients over a 3.5-years follow-up period on average. Depressive symptomatology, defined by the Depression Screening Questionnaire (DSQ), was examined both categorically and dimensionally. Patients were categorized as normal fasting glucose (NFG), impaired fasting glucose (IFG), and T2D (untreated, oral antidiabetics, insulin/combined treatment) according to physician ratings and baseline lab values. Incidence rates of T2D were 25.6 and 20.9 per 1000 person–years for those with and without depressive symptoms, respectively. The unadjusted risk of incident type 2 diabetes was 1.03 times higher (CI(95%): 1.01–1.06) for each 1-point increment in DSQ score. The incidence rates of elevated depressive symptoms per 1000 person–years were 30.5 for NFG, 34.2 for IFG, 36.4 for untreated T2D, 32.3 for oral treated T2D, and 47.8 for insulin/combined-treated T2D patients. Compared to NFG patients, insulin-treated patients had a higher risk of incident depressive symptoms (HR: 1.71; CI(95%): 1.03–2.83) and oral-treated patients had a lower risk (HR: 0.58; CI(95%): 0.36–0.96). Higher mortality rates were associated with both diseases compared to patients without T2D or depressive symptoms at baseline (HR: 2.49; CI(95%):1.45–4.28). Results indicate that especially insulin treatment in T2D patients is associated with incident depressive symptoms.

Σκοπός. Η διαβητική κετοξέωση (ΔΚ) και η υπεργλυκαιμική υπερωσμωτική κατάσταση (ΥΥΚ) είναι δύο από τις πιο σοβαρές οξείες επιπλοκές του Σακχαρώδη διαβήτη, που εξακολουθούν να αποτελούν σημαντική αιτία νοσηρότητας και θνητότητας μεταξύ των διαβητικών. Οι λοιμώξεις, συχνός εκλυτικός παράγων και επιπλοκή της ΔΚ και ΥΥΚ, αποτελούν την κύρια αιτία θανάτου και η έγκαιρη διάγνωση και αντιμετώπιση της σήψης είναι κριτικής σημασίας για την επιβίωση των ασθενών. Διερευνήσαμε την επίδραση των ανωτέρω καταστάσεων στην ανοσοποιητική απόκριση, μελετώντας τους υποπληθυσμούς των Τ λεμφοκυττάρων – παραμέτρους οξείας φάσης και την ιντερλευκίνη 6 (IL-6) στο περιφερικό αίμα των ασθενών μας, σε μια προσπάθεια να διαπιστώσουμε τυχόν υποκείμενες διαταραχές και να προσδιορίσουμε πιθανόν διαγνωστικούς και προγνωστικούς δείκτες για τη σήψη. Μέθοδος. Η μελέτη μας περιέλαβε 61 διαβητικούς ασθενείς με ΔΚ ή ΥΥΚ. Ξεχωρίσαμε μια ομάδα ασθενών που είχαν συμπτώματα Συνδρόμου συστηματικής φλεγμονώδους αντίδρασης (SIRS). Προσδιορίσαμε στον ορό όλων των ασθενών τις συγκεντρώσεις των παραγόντων οξείας φάσης (συμπεριλαμβανομένης της C αντιδρώσας πρωτεΐνης ,CRP) και της IL-6 (ως κύρια κυτταροκίνη για την παραγωγή πρωτεϊνών οξείας φάσης), κατά την εισαγωγή και στην ύφεση (μετά τη βελτίωση των συμπτωμάτων και σε κατάσταση ευγλυκαιμίας). Σε μια ομάδα 28 ασθενών με ΔΚ ή ΥΥΚ (σε σύγκριση και με αντίστοιχη ομάδα ελέγχου) μελετήσαμε επιπλέον υποπληθυσμούς των Τ λεμφοκυττάρων, τα ολικά (CD3) / τα βοηθητικά (CD4) / τα κατασταλτικά (CD8) Τ κύτταρα και τα κύτταρα φυσικοί φονείς (ΝΚ) χρησιμοποιώντας μονοκλωνικά αντισώματα και μικροσκόπιο ανοσοφθορισμού, προ και αμέσως μετά τη διόρθωση της μεταβολικής διαταραχής. Αποτελέσματα. Παρατηρήσαμε ότι οι υποπληθυσμοί των Τ λεμφοκυττάρων ήταν σημαντικά ελαττωμένοι κατά την εισαγωγή, συγκρινόμενοι με τους υγιείς μάρτυρες (ενώ οι περισσότερες μελέτες διαβητικών τύπου 1 καταγράφουν αυξημένα βοηθητικά Τ κύτταρα) και παρέμειναν και αμέσως μετά τη διόρθωση της μεταβολικής διαταραχής. Οι ασθενείς που τελικά απεβίωσαν είχαν σημαντικά ελαττωμένους τους υποπληθυσμούς των Τ λεμφοκυττάρων (εκτός των ΝΚ κυττάρων) συγκρινόμενοι και με τους υγιείς μάρτυρες και με όσους ασθενείς επιβίωσαν. Από τους 61 ασθενείς της μελέτης με ΔΚ ή ΥΥΚ, οι 49 ασθενείς είχαν συμπτώματα SIRS. Οι 27 ασθενείς είχαν SIRS χωρίς στοιχεία λοίμωξης, ενώ οι 22 ασθενείς είχαν SIRS με αποδεδειγμένη λοίμωξη. Διαπιστώσαμε σημαντικά αυξημένες συγκεντρώσεις CRP και IL-6 στον ορό των σηπτικών διαβητικών ασθενών συγκριτικά με όσους ασθενείς μας είχαν SIRS χωρίς λοίμωξη. Οι ασθενείς που τελικά απεβίωσαν είχαν σημαντικά πιο αυξημένες συγκεντρώσεις CRP και IL-6 κατά την εισαγωγή, που μειώθηκαν σημαντικά στην ύφεση. Συμπεράσματα. Η διαβητική κετοξέωση και η υπεργλυκαιμική υπερωσμωτική κατάσταση προκαλούν συχνά κλινικό σύνδρομο που ομοιάζει με σύνδρομο συστηματικής φλεγμονώδους αντίδρασης. Διαταραχές στην ισορροπία των υποπληθυσμών των Τ λεμφοκυττάρων, κυρίως η ελάττωση των βοηθητικών Τ κυττάρων μπορεί να συμβάλλουν στην υψηλή θνησιμότητα αυτών των μεταβολικών διαταραχών. Οι μετρήσεις των συγκεντρώσεων C αντιδρώσας πρωτεΐνης και ιντερλευκίνης 6 στον ορό αυτής της ομάδας των διαβητικών ασθενών, είναι ένας χρήσιμος τρόπος αποκλεισμού λοίμωξης και επιβεβαίωσης και παρακολούθησης της σήψης. / Aims / hypothesis. Diabetic ketoacidosis (DKA) and hyperglycemic hyperosmolar state (HHS) are two of the most serious acute complications of diabetes mellitus, being important causes of morbidity and mortality among patients with diabetes. Infection is a common precipitating event in DKA and HHS and the major cause of death. An early diagnosis of sepsis in patients with DKA and HHS is crucial and life saving. We studied the immune responses in these states, investigating the peripheral T lymphocyte subsets, acute phase reactants and interleukin 6 (IL-6) to find out how useful these might be for identifying sepsis. Methods. Sixty one diabetic patients with DKA or HHS were enrolled. Patients with signs and symptoms of systemic inflammatory response syndrome (SIRS) were identified. Acute phase reactants, including serum C-reactive protein (CRP) and IL-6, the main cytokine responsible for the induction of acute phase proteins, were measured (concentrations in peripheral blood) on admission and when patients were clinically improved and were euglycaemic. Peripheral T lymphocyte subsets including total (CD3), helper (CD4) and suppressor (CD8) T cells and natural killer (NK) cells, were studied in twenty one patients with DKA plus seven patients with HHS and twenty eight healthy matched control (using monoclonal antibodies), prior to and after treatment of metabolic disorders. Results. Peripheral T lymphocyte subsets were decreased in the twenty eight patients with DKA and HHS in admission compared to healthy controls (while helper T cells are mostly increased in diabetics type 1), and remained so after treatment of metabolic disorders. Patients who finally died had significantly decreased T lymphocyte subsets (except NK cells) compared with both healthy controls and patients who survived. A total of forty nine out of sixty one patients with DKA and HHS had signs of SIRS. Twenty seven patients had SIRS and no signs of infection and twenty two patients had SIRS due to proven infection. We detected a significant increase in serum CRP and IL-6 values in patients infected compared to patients with no septic SIRS. Patients who finally died had much higher levels of these proteins, while there was a prompt reduction of serum CRP and IL-6 early during remission. Conclusion / interpretation. Diabetic ketoacidosis and hyperglycemic hyperosmolar state can often cause a clinical syndrome resembling systemic inflammatory response syndrome. An imbalance of subpopulations of T lymphocytes, especially decreased helper T cells (CD4), may be correlated with the high morbidity and mortality in these states. Determination of serum C-reactive protein and interleukin-6 is a useful way of early excluding an underlying infection as well as confirming and monitoring sepsis.

Ο Σακχαρώδης Διαβήτης (ΣΔ) είναι μια μεταβολική διαταραχή, που χαρακτηρίζεται από χρόνια υπεργλυκαιμία ως αποτέλεσμα διαταραχής στην έκκριση της ινσουλίνης ή τη δράση της ή και στα δύο αυτά χαρακτηριστικά. Οι μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της χρόνιας υπεργλυκαιμίας στον ΣΔ διακρίνονται σε μικροαγγειακές και μακροαγγειακές επιπλοκές. Η μικροαγγειακή νόσος οδηγεί σε αμφιβληστροειδοπάθεια, νεφρική ανεπάρκεια και νευροπάθεια, ενώ η σχετιζόμενη με τον ΣΔ μακροαγγειακή νόσος προκαλεί αυξημένο κίνδυνο για έμφραγμα μυοκαρδίου, αγγειακά εγκεφαλικά επεισόδια και ακρωτηριασμούς των άκρων. Έχει βρεθεί ότι η υπεργλυκαιμία είναι η κύρια αιτία της μικροαγγειακής νόσου, ενώ στην παθογένεια της μακροαγγειακής νόσου συμμετέχει η υπεργλυκαιμία, αλλά και η αντίσταση στην ινσουλίνη. Ο σύνδεσμος ανάμεσα στην χρόνια υπεργλυκαιμία και την αγγειακή βλάβη έχει αποδοθεί σε τέσσερα ανεξάρτητα βιοχημικά μονοπάτια: 1. Αυξημένη δραστηριότητα του μονοπατιού της πολυόλης 2. Συσσώρευση τελικών προϊόντων προχωρημένης γλυκοζυλίωσης (Advanced Glycation Endproducts: AGEs) 3. Ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κινάσης C (PKC) και 4. Αυξημένη δραστηριότητα του μονοπατιού της εξοζαμίνης. Αυτά τα φαινομενικά μη σχετιζόμενα μεταξύ τους μοριακά μονοπάτια έχουν έναν υποκείμενο κοινό μηχανισμό : την υπερπαραγωγή ριζών υπεροξειδίου από τη μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Οι μιτοχονδριακές ελεύθερες ρίζες οξυγόνου, μέσω ενεργοποίησης της πολυμεράσης της πολυ-ADP-ριβόζης, μερικώς αναστέλλουν το γλυκολυτικό ένζυμο αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση των γλυκολυτικών ενδιάμεσων προϊόντων, όπως της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης και της 6-φωσφορικής φρουκτόζης, που αποτελούν υποστρώματα για τα τέσσερα παραπάνω βιοχημικά μονοπάτια. Το αποτέλεσμα της αντίστασης στην ινσουλίνη, όσον αφορά τις μακροαγγειακές επιπλοκές, είναι η αυξημένη ροή των ελεύθερων λιπαρών οξέων από τα λιποκύτταρα προς τα αρτηριακά ενδοθηλιακά κύτταρα. Η αυξημένη οξείδωση των ελεύθερων λιπαρών οξέων στα μιτοχόνδρια και η μιτοχονδριακή υπερπαραγωγή ελευθέρων ριζών οξυγόνου οδηγούν στην ενίσχυση των τεσσάρων μοριακών μονοπατιών με τον ίδιο ακριβώς μηχανισμό που έχει περιγραφεί παραπάνω για την υπεργλυκαιμία. Στην αντίσταση στην ινσουλίνη έχει παρατηρηθεί, επίσης, η μερική αναστολή του μονοπατιού της κινάσης της 3-φωσφατιδυλινοσιτόλης, που τελικά προάγει την ενίσχυση των αθηρογόνων και την καταστολή των αντι-αθηρογόνων ιδιοτήτων της ινσουλίνης. Ο κύριος στόχος αυτής της βιβλιογραφικής εργασίας είναι η περιγραφή των μονοπατιών που οδηγούν στη δημιουργία των, επαγόμενων από την υπεργλυκαιμία αλλά και την αντίσταση στην ινσουλίνη, διαβητικών αγγειακών επιπλοκών, καθώς και του κοινού μηχανισμού (παραγωγής ελευθέρων ριζών οξυγόνου) που βρίσκεται πίσω από αυτά τα μονοπάτια, παρέχοντας πλέον μια καινούρια βάση για μελλοντική έρευνα και ανακάλυψη φαρμάκων, προληπτικών και θεραπευτικών της διαβητικής αγγειοπάθειας. / Diabetes Mellitus is a metabolic disorder characterized by chronic hyperglycemia, due to decreased secretion of insulin and/ or decreased tissue sensitivity to insulin. The sequelae of chronic hyperglycemia in diabetes of all phenotypes are divided into microvascular and macrovascular complications. Microvascular disease causes blindness, renal failure, and neuropathy, and diabetes-accelerated macrovascular disease causes excessive risk for myocardial infarction, stroke, and lower limb amputation. Strict glycemic control has been shown to reduce both microvascular and macrovascular complications of diabetes. However, in contrast to diabetic microvascular disease, it is believed that hyperglycemia is not the major determinant of diabetic macrovascular disease : a large part of cardiovascular disease risk is due to insulin resistance. The link between chronic hyperglycemia and vascular damage has been established by four independent biochemical abnormalities : increased polyol pathway flux, increased formation of Advanced Glycation End-products (AGEs), activation of Protein Kinase C (PKC), and increased hexosamine pathway flux. These seemingly unrelated pathways have an underlying common denominator : overproduction of superoxide by the mitochondrial electron transport chain. Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) partially inhibit the glycolytic enzymes glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, which diverts increased substrate flux from glycolysis to pathways of glucose overutilization. As for insulin resistance, it causes increased free fatty acid flux from adipocytes into endothelial cells and increased free fatty acid oxidation in macrovascular endothelial cells, resulting in mitochondrial overproduction of ROS by exactly the same mechanism described above about hyperglycemia. Furthermore, metabolic insulin resistance is characterized by pathway-specific impairment in phosphatidylinositol 3-kinase-dependent signaling, which also causes endothelial dysfunction. Preliminary experimental evidence in vivo suggests that these mechanisms leading to diabetic microvascular and macrovascular complications offer a novel basis for research and drug development, targeting to prevention and treatment of angiopathy in Diabetes Mellitus.

Le diabète de type 1 (T1D) est une maladie auto-immune caractérisée par la destruction des cellules β du pancréas par les lymphocytes T auto-réactifs. Durant ma thèse, nous nous sommes intéressés au rôle des cellules de l’immunité innée dans le T1D à l’aide d’un modèle murin de la maladie : la souris NOD. Au contraire des cellules du système adaptatif (lymphocytes T et B), les cellules de l’immunité innée constituent la première ligne de défense de l’organisme lors d’une infection. Cette population est constituée entre autre de neutrophiles, cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDC), macrophages, mais aussi de lymphocytes T et B non conventionnels tel que les cellules iNKT et B-1a. Précédemment, notre laboratoire a mis en lumière le rôle des lymphocytes iNKT dans le développement du T1D. Durant la première partie de ma thèse, nous avons démontré que les lymphocytes iNKT17, une sous-population des lymphocytes iNKT, ont un rôle délétère dans le T1D chez la souris NOD. Ces cellules infiltrent le pancréas et y produisent de l’IL-17, une cytokine pro-inflammatoire. Grâce à des expériences de transferts, nous avons mis en évidence que les lymphocytes iNKT17 exacerbent la maladie via la production d’IL-17. Dans la deuxième partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes qui induisent l’activation des lymphocytes T auto-réactifs. Nous avons observé chez la souris NOD, que la mort physiologique des cellules β conduit à l’activation de cellules de l’immunité innée : les neutrophiles, les lymphocytes B-1a et les pDC. La coopération entre ces cellules conduit à l’activation des pDC qui produisent de l’IFNα. Cette cytokine active les lymphocytes T auto-réactifs qui vont détruire les cellules β du pancréas. Nos résultats montrent que l’immunité innée est un acteur important dans la physiopathologie du diabète sucré. / The type 1 diabetes ( T1D ) is an autoimmune disease characterized by the destruction of β cells in the pancreas by autoreactive T lymphocytes. During my thesis, we are interested in the role of cells of innate immunity in T1D using a mouse model of the disease: NOD mice. In contrast to cells of the adaptive system (T and B lymphocytes ) cells of innate immunity is the first line of defense of the body during infection . This population consists of neutrophils , among other , plasmacytoid dendritic cells ( pDC ) , macrophages , T lymphocytes but not conventional B as iNKT cells and B -1a.Previously, our laboratory has highlighted the role of iNKT cells in the development of T1D . During the first part of my thesis , we demonstrated that iNKT17 cells, a subpopulation of iNKT cells, have a deleterious role in T1D in NOD mice . These cells infiltrate the pancreas and there produce IL -17 , a proinflammatory cytokine. Through transfer experiments , we demonstrated that lymphocytes iNKT17 exacerbate disease through the production of IL-17 . In the second part of my thesis , we investigated the mechanisms that induce the activation of autoreactive T lymphocytes. We observed in NOD mice , the physiological death of β cells leads to activation of innate immunity cells : neutrophils, lymphocytes B- 1a and pDCs . The cooperation between these cells leads to activation of pDC that produce IFNa . This cytokine activates autoreactive T cells which will destroy the β cells of the pancreas. Our results show that innate immunity is an important player in the pathogenesis of diabetes mellitus.

Le diabète est une maladie qui touche 347 millions de personnes dans le monde (90% ayant un diabète de type 2) (OMS, septembre 2012). Elle se définit par une perturbation de la régulation de l’homéostasie glucidique avec un déficit dans la fonction des cellules ß du pancréas. Dans le diabète de type 1, ce déficit est provoqué par une destruction autoimmune. Dans le diabète de type 2, il est dû à une insulino-résistance périphérique conduisant à un épuisement des cellules ß qui ne peuvent plus maintenir leur fonction. Une stratégie pour restaurer une masse fonctionnelle de cellules ß est, soit d’induire la prolifération de ces cellules in vitro avant de les greffer, soit d’induire leur prolifération in vivo. Cependant, ceci implique une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le cycle cellulaire des cellules ß pancréatiques humaines. L’objectif de ma thèse a été de disséquer ces mécanismes. Pour cela, nous disposons au laboratoire d’un outil unique, deux lignées de cellules ß pancréatiques humaines. Dans l’une d’elle, les transgènes immortalisant peuvent être délétés. Les cellules arrêtent alors de proliférer donnant des cellules ß pseudo-primaires. En comparant l’expression des régulateurs du cycle cellulaire de la lignée de cellules ß humaine immortalisées aux cellules ß humaine pseudo-primaires, nous avons pu montrer que le cycle de ces cellules était bloqué en phase G1. L’absence de plusieurs protéines responsables de la progression du cycle cellulaire en aval de cette phase a été confirmée dans les îlots humains. Nous avons également observé une diminution du temps de doublement des cellules ß humaines suite à leur traitement avec de la GH et de l’EPO. Suite à ce traitement nous observons également une activation du facteur de transcription STAT5 connue pour son implication dans la prolifération cellulaire des cellules ß de rongeurs. Enfin nous avons étudié l’effet que provoquait un apport nutritif sur la fonction et la prolifération des cellules ß humaines. Nous avons ainsi pu voir que les cellules répondaient mieux à la fonction ß avec un temps de doublement du nombre de cellules plus court dans un milieu enrichi en nutriment. De plus, dans ces conditions, l’autophagie, préexistante avant l’apport de nutriments et vraisemblablement due à un manque en énergie cellulaire, disparait. Ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes contrôlant la prolifération des cellules ß pancréatiques humaines et d’envisager de nouvelles thérapies du diabète. / Diabetes is a disease that affects 347 million people worldwide (90% with type 2 diabetes) (WHO, September 2012). It is defined by a disturbance in the regulation of glucose homeostasis with a deficit in function of pancreatic beta cells. In type 1 diabetes, this deficit is caused by autoimmune destruction. In type 2 diabetes, it is due to peripheral insulin resistance leading to a depletion of beta cells that can no longer maintain their function. A strategy to restore a functional beta cell mass is, or of inducing proliferation of these cells in vitro prior to transplant, or to induce proliferation in vivo. However, this implies a better understanding of the molecular mechanisms involved in the cell cycle of human pancreatic beta cells. The aim of my thesis was to dissect these mechanisms. For this, we have a unique laboratory tool, two lines of human pancreatic beta cells. In one of them, immortalizing transgenes may be deleted. Then, the cells stop to proliferate giving pseudo- primary beta-cells. By comparing the expression of cell cycle regulators of the lineage of human beta cells immortalized pseudo- primary human beta- cells, we could show that the cycle of these cells was blocked in the G1 phase. The lack of several proteins responsible for cell cycle progression downstream of this phase has been confirmed in human islets. We also observed a decrease in the doubling time of human beta cells following treatment with GH and EPO. Following this treatment we also observe an activation of the transcription factor STAT5 known for its involvement in cell proliferation of rodent beta cells. Finally, we studied the effect that caused a nutrient supply on the function and proliferation of human beta cells. We have seen that the cells responded better to beta function with a doubling time shorter amount of cells in a nutrient enriched environment. In addition, under these conditions, autophagy, existing before the supply of nutrients and likely due to a lack of cellular energy, disappears. These results allow us to better understand the mechanisms controlling proliferation of human pancreatic ß and consider new diabetes therapies cells.

The analysis of non steady state physiological and pathological processes concerns the abstraction, extraction, formalisation and analysis of information from physiological systems that is obscured, hidden or unable to be assessed using traditional methods. Time Series Analysis (TSA) techniques were developed and built into a software program, Easy TSA, with the aim of examining the oscillations of hormonal concentrations in respect to their temporal aspects – periodicity, phase, pulsatility. The Easy TSA program was validated using constructed data sets and used in a clinical study to examine the relationship between insulin and obesity in people without diabetes. In this study fifty-six non-diabetic subjects (28M, 28F) were examined using data from a number of protocols. Fourier Transform and Autocorrelation techniques determined that there was a critical effect of the level of BMI on the frequency, amplitude and regularity of insulin oscillations. Second, information systems formed the background to the development of an algorithm to examine glycaemic variability and a new methodology termed the Glycaemic Risk in Diabetes Equation (GRADE) was developed. The aim was to report an integrated glycaemic risk score from glucose profiles that would complement summary measures of glycaemia, such as the HbA1c. GRADE was applied retrospectively to blood glucose data sets to determine if it was clinically relevant. Subjects with type 1 and type 2 diabetes had higher GRADE scores than the non-diabetic population and the contribution of hypo- and hyperglycaemic episodes to risk was demonstrated. A prospective study was then designed with the aim to apply GRADE in a clinical context and to measure the statistical reproducibility of using GRADE. Fifty-three (Male 26, Female 27) subjects measured their blood glucose 4 times daily for twenty-one days. The results were that lower HbA1c’s correlated with an increased risk of hypoglycaemia and higher HbA1c’s correlated with an increased risk of hyperglycaemia. Some subjects had HbA1c of 7.0 but had median GRADE values ranging from 2.2 to 10.5. The GRADE score summarized diverse glycaemic profiles into a single assessment of risk. Well-controlled glucose profiles yielded GRADE scores <= 5 and higher GRADE scores represented increased clinical risk from hypo or hyperglycaemia. Third, an information system was developed to analyse data-rich multi-variable retinal images using the concept of assessment of change rather than specific lesion recognition. A fully Automated Retinal Image Differencing (ARID) computer system was developed to highlight change between retinal images over time. ARID was validated using a study and then a retrospective study sought to determine if the use of the ARID software was an aid to the retinal screener. One hundred and sixty images (80 image pairs) were obtained from Gloucestershire Diabetic Eye Screening Programme. Images pairs were graded manually and categorised according to how each type of lesion had progressed, regressed, or not changed between image A and image B. After a 30 day washout period image pairs were graded using ARID and the results compared. The comparison of manual grading to grading using ARID (Table 4.3) demonstrated an increased sensitivity and specificity. The mean sensitivity of ARID (87.9%) was increased significantly in comparison to manually grading sensitivity (84.1%) (p<0.05). The specificity of the automated analysis (87.5%) increased significantly from the specificity (56.3%) achieved by manually grading (p<0.05). The conclusion was that automatic display of an ARID differenced image where sequential photographs are available would allow rapid assessment and appropriate triage. Forth, non-linear dynamic systems analysis methods were utilised to build a system to assess the extent of chaos characteristics within the insulin-glucose feedback domain. Biological systems exist that are deterministic yet are neither predictable nor repeatable. Instead they exhibit chaos, where a small change in the initial conditions produces a wholly different outcome. The glucose regulatory system is a dynamic system that maintains glucose homeostasis through the feedback mechanism of glucose, insulin, and contributory hormones and was ideally suited to chaos analysis. To investigate this system a new algorithm was created to assess the Normalised Area of Attraction (NAA). The NAA was calculated by defining an oval using the 95% CI of glucose & Insulin (the limit cycle) on a phasic plot. Thirty non-diabetic subjects and four subjects with type 2 diabetes were analysed. The NAA indicated a smaller range for glucose and insulin excursions with the non-diabetics subjects (p<0.05). The conclusion was that the evaluation of glucose metabolism in terms of homeostatic integrity and not in term of cut-off values may enable a more realistic approach to the effective treatment and prevention of diabetes and its complications.

L'augmentation récente de la prévalence du diabète de type 2 (DT2) et du syndrome métabolique est actuellement au coeur des préoccupations des organismes de santé publique ; ces deux maladies métaboliques favoriseraient le développement des maladies cardio-vasculaires. Ce rapide accroissement peut être relié aux changements de nos modes de vie, notamment la surconsommation en sucres et la sédentarité. L’impact de ces deux paramètres à différents niveaux physiologiques a été évalué grâce à la mise en place d’un modèle murin. Des rats Wistar ont été nourris à l'aide d'une boisson enrichie en fructose (20-25% w/v), induisant le développement progressif d'un syndrome métabolique (résistance à l'insuline, hypertension, dyslipidémie, hyperglycémie à jeun), sans pour autant présenter de DT2 (pas d'intolérance au glucose). Le régime hyper-fructosé entraîne des perturbations du système antioxydant (Superoxide dismutase, Catalase, Glutathion Peroxidase) et l'apparition tardive d'une dysfonction endothéliale de l'aorte thoracique.La pratique d'une activité physique modérée permet de prévenir l'apparition de la résistance à l'insuline et améliore le fonctionnement vasculaire de l'aorte thoracique. Ce dernier effet serait en lien avec un fonctionnement du système antioxydant plus performant. Malgré tout, l'entraînement associé au régime hyper-fructosé engendrerait des effets délétères au niveau hépatique. / The recent increase of type 2 diabetes (T2D) and metabolic syndrome prevalence is a key concern of public health organizations. Both diseases can promote the development of cardiovascular diseases. This steep increase can be linked to lifestyle changes, such as sugar overconsumption and lack of physical activity. The effects of these two parameters can be evaluated at various physiological levels using a murine model. For this purpose, Wistar rats were fed with a fructose-enriched drink (20-25% w/v), which results in the progressive development of a metabolic syndrome (insulin resistance, hypertension, dyslipidemia, fasting hyperglycemia). These rats did not present T2D (no glucose intolerance). The fructose-enriched diet promotes perturbations in the antioxidant system (SOD, CAT, GPx) as well as a late endothelial dysfunction on the thoracic aorta.Moderate physical activity prevents the development of insulin resistance and increases thoracic aorta vascular function. This later may be link to the best performances of the antioxidant system. However, exercise training associated with fructose-enriched diet may be deleterious for hepatic health.