Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Primary Sclerosing Cholangitis (PSC) is a rare and slow progressing cholangiopathy characterized by hepatic inflammation, fibrosis and ductular reaction with liver transplantation as the sole therapeutic option. PSC patients are at high risk of auto-immune comorbidities like irritable bowel disease (IBD), found in up to 80% of PSC patients (PSC-IBD). There are indications of genetic and environmental components for auto-immune development in IBD; however, its etiology remains unclear. Mast cells (MCs) infiltrate the liver and can become activated leading to degranulation and release of mediators, like histamine (HA), which result in increased intrahepatic bile duct mass, biliary senescence, hepatic inflammation, and hepatic stellate cell activation. Similarly, MCs infiltrate the intestine and increase inflammation which alters host-microbiome communication. MCs are necessary for successful liver regeneration and the combat of intestinal pathogens; however, chronic HA signaling exacerbates damage in cholangiopathies and IBD. Bile acid synthesis is tightly regulated by Farnesoid X Receptor (FXR) and its downstream mediator, fibroblast growth factor 15 (FGF15, -19 in humans). Cholangiocytes (i) are the target of cholangiopathies, (ii) modify and recycle bile acids through Apical Sodium Bile Acid Transporter (ASBT)-mediated cholehepatic shunting, which functions outside of enterohepatic circulation of bile acids and (iii) are capable of autocrine HA signaling. The complex relationship between hepatic and intestinal MC infiltration and bile acid signaling has not been established; therefore, identifying MC regulation of bile acid pool and FXR/FGF15 signaling pathway will provide insight into therapeutic treatment of PSC-IBD. Under the rationale that (i) cholestatic liver diseases are positively correlated with auto-immune comorbidities like IBD, (ii) during disease, MCs infiltrate the liver and intestine and release signaling factors like HA, and (iii) MCs express FXR and secrete FGF15/19; we propose the central hypothesis that MC activation regulates bile acid signaling and PSC progression through paracrine crosstalk with cholangiocytes in the liver and intestinal inflammation.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24610号 / 工博第5116号 / 新制||工||1978(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科マイクロエンジニアリング専攻 / (主査)教授 土屋 智由, 教授 横川 隆司, 教授 安達 泰治, 教授 田畑 修(京都先端科学大学) / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Le syndrome métabolique (SyM) consiste en une association de désordres physiologiques qui augmentent le risque de développer la stéatose hépatique non alcoolique, le diabète de type 2 et les maladies cardiovasculaires. De plus en plus d’études démontrent que l’intestin joue un rôle prépondérant dans la santé métabolique compte tenu de ses fonctions liées à l'immunité, au système endocrinien, à la barrière intestinale et à la présence du microbiote intestinal. Une perturbation de l’homéostasie intestinale peut influencer négativement la santé métabolique des autres organes, notamment du foie qui représente un acteur métabolique clé. À l’heure actuelle, les composantes du SyM sont traitées isolément, et aucun médicament ne cible efficacement l’ensemble des composantes. Récemment, certains peptides bioactifs du lait, comme le glycomacropeptide (GMP), ont été associés à une atténuation de l’inflammation et du stress oxydant dans certaines pathologies comme la colite ulcéreuse, l’asthme allergique, la phénylcétonurie et l’obésité. En effet, ce peptide revêt un intérêt considérable en raison de son aptitude à atténuer divers dérangements métaboliques. Toutefois, ses effets précis sur l’ensemble des composantes du SyM ainsi que sur l’axe intestin-foie demeurent méconnus. Les objectifs de cette thèse consistent donc à définir l’impact du GMP sur l’ensemble des facteurs de risque du SyM, ciblant à la fois les systèmes intestinaux et hépatiques, tout en mettant l’accent sur ses mécanismes d’action. Premièrement, nous avons évalué l’impact du GMP sur le maintien de l’homéostasie entérocytaire en employant la lignée cellulaire intestinale Caco 2/15. Nos résultats démontrent que le GMP atténue l’inflammation et le stress oxydant, module l’expression de certains facteurs clés de la cascade insulinique, et limite la production excessive de lipoprotéines riches en triglycérides et en cholestérol in vitro. Deuxièmement, nous avons examiné l’influence du GMP sur plusieurs composantes du SyM en mettant l’accent sur l’atteinte hépatique dans un modèle de souris soumises à une diète de type western. Dans ce modèle, la supplémentation en GMP a limité la résistance l’insuline en atténuant l’inflammation et le stress oxydant systémique. De plus, le GMP a prévenu l’atteinte hépatique en limitant l’accumulation des lipides et en améliorant la sensibilité à l’insuline, ce qui s’est traduit par une augmentation de la β-oxydation des acides gras et une diminution de la lipogenèse et de la néoglucogenèse. Troisièmement, nous avons approfondi les mécanismes d’action du GMP au niveau de l’axe intestin-foie. Nos travaux indiquent que les effets bénéfiques exercés sur la santé par le GMP sont médiés par une amélioration de l’endotoxémie, de l’étanchéité de la barrière épithéliale intestinale et de l’homéostasie de l’axe intestin-foie. Dans l’ensemble, nos travaux permettent de préciser l’impact du GMP sur l’ensemble des facteurs de risque du SyM et de caractériser ses mécanismes d’action dans l’axe intestin-foie. Ses multiples actions bénéfiques confèrent au GMP un potentiel thérapeutique pour le traitement du SyM. / Metabolic syndrome is a combination of physiological disorders that increase the risk of developing non-alcoholic fatty liver disease, type 2 diabetes, and cardiovascular disease. A growing body of research shows that the gut plays a key role in metabolic health, through its functions relating to immunity, the endocrine system, the gut barrier, and the presence of the intestinal microbiota. A disturbance in intestinal homeostasis can negatively influence the metabolic health of other organs, notably the liver, a key metabolic player. At present, metabolic syndrome components are treated individually, and no single drug effectively targets all of them. Recently, certain bioactive milk peptides, such as glycomacropeptide (GMP), have been associated with an attenuation of inflammation and oxidative stress in certain pathologies such as ulcerative colitis, allergic asthma, phenylketonuria and obesity. This peptide is of particular interest given its ability to alleviate certain metabolic disturbances. However, its role on all metabolic syndrome components, as well as on the gut-liver axis, remains poorly understood. The aim of this thesis is therefore to define the impact of GMP on all metabolic syndrome risk factors, targeting both the intestinal and hepatic systems, while focusing on its mechanisms of action. Firstly, we assessed the impact of GMP on enterocyte homeostasis using the Caco 2/15 intestinal cell line. Our results demonstrate that GMP attenuates inflammation and oxidative stress; modulates the expression of certain key factors in the insulin cascade and prevents the excessive production of triglyceride- and cholesterol-rich lipoproteins in vitro. Secondly, we examined the influence of GMP on all metabolic syndrome components, focusing on liver damage in a diet induced obesity (DIO) animal model. In this model, GMP supplementation limited insulin resistance by attenuating systemic inflammation and oxidative stress. In addition, GMP prevented liver damage by reducing lipid accumulation and improving insulin sensitivity, resulting in improved β-oxidation of fatty acids and reduced lipogenesis and gluconeogenesis. Thirdly, we investigated the mechanisms of action of GMP at the level of the gut-liver axis. Our work indicates that the health-promoting effects of GMP are mediated by an improvement in the integrity of the intestinal epithelial barrier and in the homeostasis of the gut-liver axis, by acting on microbiota dysbiosis and bile acid composition. Overall, our work has enabled us to clarify the impact of GMP on all metabolic syndrome risk factors, and to characterize its mechanisms of action in the gut-liver axis. Its multiple beneficial actions on health give GMP therapeutic potential for the treatment of metabolic syndrome.