No description available.

<p>Pancreatic β-cells sense the concentration of glucose in the systemic circulation through metabolism of the sugar molecule. Failure to correlate the blood sugar concentration to an appropriate metabolic signal disrupts the function of the β-cell as a controller of glucose homeostasis and may contribute to the development of type 2 diabetes mellitus. Release of insulin is pulsatile and this thesis presents data that support that metabolism drives such pulsatile release. It is also found that increase in insulin release in response to elevation of the glucose concentration is only seen when the rise in glucose induces a prompt and sustained increase in mitochondrial metabolism. Such activation of mitochondrial metabolism depended on the metabolic state of the β-cell prior to the glucose challenge. In this context, prolonged periods of elevated levels of fatty acids are harmful to the pancreatic β-cell. To study the protein expression changes induced by fatty acids a protocol for islet protein profiling and identification of differently expressed proteins were developed. By using this protocol it was discovered that oleate decreased the cellular level of the chaperone peptidyl-prolyl isomerase B. The protocol was also used to study protein expression in islets obtained from mice fed a high-fat and/or a high-sucrose diet. Excess of glucocorticoids in the systemic circulation also cause a diabetic phenotype. Tissue response to glucocorticoids is regulated by the intracellular concentration of the active form of glucocorticoids, which is formed from the inactive form by the enzyme 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1. It was found that pancreatic islets produce 11β-HSD1 protein in relation to substrate availability and that the amount of islet 11β-HSD1 protein was negatively correlated with insulin secretion.</p>

<p>Transplanting pancreatic islets into the liver through the portal vein is currently the most common procedure in clinical islet transplantations for treating patients with brittle type 1 diabetes. However, most islet grafts fail within a 5-year period necessitating retransplantation. The vascular connections are disrupted at islet isolation and implanted islets depend on diffusion of oxygen and nutrients in the immediate posttransplantation period. Rapid and efficient revascularization is of utmost importance for the survival and long-term function of transplanted islets. </p><p>In this thesis, the influence of the implantation microenvironment for islet engraftment and function was studied. Islets were transplanted into the liver, the renal subcapsular site or the pancreas. Islets implanted into the liver contained fewer glucagon-positive cells than islets implanted to the kidney and endogenous islets. Intraportally transplanted islets responded with insulin and glucagon release to secretagogues, but only when stimulated through the hepatic artery. Thus, the intrahepatic grafts were selectively revascularized from the hepatic artery. The vascular density in human islets transplanted into the liver of athymic mice was markedly lower when compared to human islets grafted to the kidney. Islets implanted into their physiological environment, the pancreas, were markedly better revascularized. Insulin content, glucose-stimulated insulin release, (pro)insulin biosynthesis and glucose oxidation rate were markedly decreased in transplanted islets retrieved from the liver, both when compared to endogenous and transplanted islets retrieved from the pancreas. Only minor changes in metabolic functions were observed in islets implanted into the pancreas when compared to endogenous islets. </p><p>The present findings demonstrate that the microenvironment has a major impact on the engraftment of transplanted islets. Elucidating the beneficial factors that promote engraftment would improve the survival and long-term function of transplanted islets. Ultimately, islet transplantation may be provided to an increased number of patients with type 1 diabetes.</p>

Pancreatic β-cells sense the concentration of glucose in the systemic circulation through metabolism of the sugar molecule. Failure to correlate the blood sugar concentration to an appropriate metabolic signal disrupts the function of the β-cell as a controller of glucose homeostasis and may contribute to the development of type 2 diabetes mellitus. Release of insulin is pulsatile and this thesis presents data that support that metabolism drives such pulsatile release. It is also found that increase in insulin release in response to elevation of the glucose concentration is only seen when the rise in glucose induces a prompt and sustained increase in mitochondrial metabolism. Such activation of mitochondrial metabolism depended on the metabolic state of the β-cell prior to the glucose challenge. In this context, prolonged periods of elevated levels of fatty acids are harmful to the pancreatic β-cell. To study the protein expression changes induced by fatty acids a protocol for islet protein profiling and identification of differently expressed proteins were developed. By using this protocol it was discovered that oleate decreased the cellular level of the chaperone peptidyl-prolyl isomerase B. The protocol was also used to study protein expression in islets obtained from mice fed a high-fat and/or a high-sucrose diet. Excess of glucocorticoids in the systemic circulation also cause a diabetic phenotype. Tissue response to glucocorticoids is regulated by the intracellular concentration of the active form of glucocorticoids, which is formed from the inactive form by the enzyme 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1. It was found that pancreatic islets produce 11β-HSD1 protein in relation to substrate availability and that the amount of islet 11β-HSD1 protein was negatively correlated with insulin secretion.

Transplanting pancreatic islets into the liver through the portal vein is currently the most common procedure in clinical islet transplantations for treating patients with brittle type 1 diabetes. However, most islet grafts fail within a 5-year period necessitating retransplantation. The vascular connections are disrupted at islet isolation and implanted islets depend on diffusion of oxygen and nutrients in the immediate posttransplantation period. Rapid and efficient revascularization is of utmost importance for the survival and long-term function of transplanted islets. In this thesis, the influence of the implantation microenvironment for islet engraftment and function was studied. Islets were transplanted into the liver, the renal subcapsular site or the pancreas. Islets implanted into the liver contained fewer glucagon-positive cells than islets implanted to the kidney and endogenous islets. Intraportally transplanted islets responded with insulin and glucagon release to secretagogues, but only when stimulated through the hepatic artery. Thus, the intrahepatic grafts were selectively revascularized from the hepatic artery. The vascular density in human islets transplanted into the liver of athymic mice was markedly lower when compared to human islets grafted to the kidney. Islets implanted into their physiological environment, the pancreas, were markedly better revascularized. Insulin content, glucose-stimulated insulin release, (pro)insulin biosynthesis and glucose oxidation rate were markedly decreased in transplanted islets retrieved from the liver, both when compared to endogenous and transplanted islets retrieved from the pancreas. Only minor changes in metabolic functions were observed in islets implanted into the pancreas when compared to endogenous islets. The present findings demonstrate that the microenvironment has a major impact on the engraftment of transplanted islets. Elucidating the beneficial factors that promote engraftment would improve the survival and long-term function of transplanted islets. Ultimately, islet transplantation may be provided to an increased number of patients with type 1 diabetes.

<p>During development of type 1 and type 2 diabetes plasma insulin patterns are altered. Since the islet insulin release pattern has been implicated in this development, insulin secretion from single islets was studied and linked to the islet protein levels of uncoupling protein-2 (UCP2). Islets were isolated from NOD- and KKA^y- mice, GK- and GK-derived congenic rats, which are animal models of diabetes, and three human subjects with type 2 diabetes. At basal glucose (3 mM), insulin release from such islets was pulsatile and the amount released was comparable to that of control islets. When the glucose concentration was raised to 11 mM insulin release was essentially unchanged in islets isolated from older NOD- and KKA^y- mice, GK- and Niddm1i congenic rats, and NIDDM persons. In islets from Niddm1f congenic rats, younger NOD- and KKA^y-mice, control animals and normal human donors the secretion rate increased 2-9 fold when the glucose concentration was raised. This rise in secretion was manifested as increase of the amplitude of the insulin oscillations without affecting their frequency. Impaired glucose-induced insulin release was associated with reduction in glucose oxidation measured in NOD-islets, unaffected respiration measured in GK-islets and higher protein level of UCP2 measured in KKA^y-islets. When the UCP2 amounts in KKA^y-islets were reduced by culture to those of control islets, glucose-induced insulin secretion was essentially normalized. Our studies suggest that the deranged plasma insulin patterns observed in diabetes are related to decrease in the amplitude of insulin oscillations from the islets rather than loss of the oscillatory activity. This reduction of pulse amplitude may be related to impaired glucose metabolism and/or increased mitochondrial uncoupling. </p>

During development of type 1 and type 2 diabetes plasma insulin patterns are altered. Since the islet insulin release pattern has been implicated in this development, insulin secretion from single islets was studied and linked to the islet protein levels of uncoupling protein-2 (UCP2). Islets were isolated from NOD- and KKAy- mice, GK- and GK-derived congenic rats, which are animal models of diabetes, and three human subjects with type 2 diabetes. At basal glucose (3 mM), insulin release from such islets was pulsatile and the amount released was comparable to that of control islets. When the glucose concentration was raised to 11 mM insulin release was essentially unchanged in islets isolated from older NOD- and KKAy- mice, GK- and Niddm1i congenic rats, and NIDDM persons. In islets from Niddm1f congenic rats, younger NOD- and KKAy-mice, control animals and normal human donors the secretion rate increased 2-9 fold when the glucose concentration was raised. This rise in secretion was manifested as increase of the amplitude of the insulin oscillations without affecting their frequency. Impaired glucose-induced insulin release was associated with reduction in glucose oxidation measured in NOD-islets, unaffected respiration measured in GK-islets and higher protein level of UCP2 measured in KKAy-islets. When the UCP2 amounts in KKAy-islets were reduced by culture to those of control islets, glucose-induced insulin secretion was essentially normalized. Our studies suggest that the deranged plasma insulin patterns observed in diabetes are related to decrease in the amplitude of insulin oscillations from the islets rather than loss of the oscillatory activity. This reduction of pulse amplitude may be related to impaired glucose metabolism and/or increased mitochondrial uncoupling.

La cellule ß pancréatique sécrète l’insuline, la seule hormone capable de diminuer la concentration en glucose plasmatique. L'insuline est sécrétée de manière régulée sous l’influence de divers stimuli dont avant tout l’élévation de la glycémie, celle-ci augmentant lors de chaque repas. Elle est donc essentielle à la préservation de l'homéostasie du glucose. Son importance est attestée par le développement du diabète sucré et de ses complications sévères et parfois mortelles lorsque sa sécrétion est supprimée ou insuffisante et/ou lorsqu'il existe un défaut de son action.La cellule ß est une cellule excitable, c'est à dire capable de moduler son potentiel membranaire très rapidement en variant certaines conductances ioniques (Dean & Matthews 1968; 1970a; 1970b). En réponse à une élévation du glucose extracellulaire, la cellule ß se dépolarise et génère des potentiels d’action qui aboutissent à une augmentation du calcium cytoplasmique induisant la libération d’insuline par exocytose. La succession des différentes étapes menant à cette sécrétion régulée d'insuline est complexe, souvent désignée sous le vocable de couplage stimulus-sécrétion. Elle commence par une augmentation de l’entrée du glucose et de son métabolisme dans la cellule ß. L’augmentation de la concentration en ATP (ou du rapport de concentrations ATP/ADP) qui en résulte, entraîne la fermeture des canaux potassiques ATP-sensibles (KATP) avec une dépolarisation partielle de la membrane. Toutefois la fermeture de ces canaux ne semble pas suffisante pour expliquer la dépolarisation membranaire observée sous l’effet du glucose et une dépolarisation supplémentaire est nécessaire pour arriver au seuil d’activation des canaux calciques voltage-dépendants ou Cav (Gilon & Rorsman, 2009). Un efflux de Cl- de la cellule ß est déclenché lors d’une stimulation au glucose (Sehlin 1978; Sehlin 1987), proportionnellement à la concentration de glucose entre 5 et 20 mM (Malaisse et coll. 2004). Une diminution de la concentration en Cl- du milieu extracellulaire (à 10 mM ou moins) réduit fortement la sécrétion d’insuline (de 70 % ou plus avec 10 et 20 mM de glucose) et affecte l'activité électrique, inhibant voire abolissant les salves de potentiel d'action d'îlots de souris (Sehlin 1978; Sehlin & Meissner, 1988). L’ion chlorure joue donc un rôle essentiel dans l'activité électrique et la sécrétion d’insuline des cellules ß sous l'effet du glucose. Les travaux qui constituent l'objet de cette thèse sont consacrés à caractériser le transport membranaire des ions Cl- dans les cellules ß ainsi que sa régulation et particulièrement le rôle d’un canal Cl- récemment identifié et cloné: l’anoctamine1 (Ano1 ou TMEM16A).Au chapitre 3, nous démontrons l’expression de transcrits d’Ano1 par transcription inverse et amplification en chaîne par polymérase (RT-PCR) chez l'homme et le rat ainsi que l’expression de la protéine par western blot et immunohistochimie chez le rat. Sur coupe de pancréas, un marquage pour Ano1 est observé dans les îlots et dans les cellules acinaires du pancréas exocrine. La spécificité du marquage est attestée par sa disparition lors de l'addition d’un peptide compétiteur (Ano1 exogène). Nous avons démontré en patch-clamp la présence d’Ano1 actif dans la membrane des cellules ß: i) Nous avons observé des courants typiques d'Ano1 dans des patchs de cellules ß de rat entières et excisés inside-out en présence de Ca2+ intracellulaire: à 1 µM, le courant Cl- est rectifiant sortant et à 2 µM il devient presque linéaire. ii) La relation amplitude unitaire-voltage des courants Cl- unitaires activés par le Ca2+ est linéaire et montre une conductance de 8,37 pS, correspondant exactement à la conductance décrite pour Ano1. iii) Les perméabilités relatives des anions monovalents sont NO3- (1.83 ± 0.10) > Br- (1.42 ± 0.07) > Cl- (1.0), compatibles avec celles d'Ano1. iv) Ces courants sont quasi abolis par des anticorps Ano1-bloquants ou par deux inhibiteurs d’Ano1, 2-(5-éthyl-4-hydroxy-6-méthylpyrimidine-2-ylthio)-N-(4-(4-méthoxyphényl)thiazol-2-yl)acétamide (T-AO1) et acide tannique (TA). Ayant démontré la présence d'Ano1 fonctionnels au niveau de la membrane des cellules ß, nous avons investigué l'implication d'Ano1 dans la dépolarisation membranaire induite par le glucose. Cette étude a été réalisée en patch-clamp perforé sur des cellules ß d'îlots entiers de souris et des cellules ß dispersées de rat et de souris stimulées par le glucose. Les inhibiteurs d'Ano1 (T-AO1 et TA) induisent une forte diminution de la fréquence des potentiels d'action lors d'une stimulation par 16.7 mM de glucose (au moins 87 % sur cellules dispersées) et une repolarisation partielle du potentiel membranaire avec le T-AO1. Ces inhibiteurs abolissent ou inhibent fortement l'augmentation de sécrétion d'insuline d'îlots de rat induite par 8.3 mM et 16.7 mM de glucose. Des anticorps Ano1-bloquants abolissent également l'incrément de sécrétion d'insuline provoqué par 16.7 mM de glucose. Un traitement combiné avec du bumétanide (inhibant l'entrée de Cl- dans la cellule par NKCC1/2) et de l'acétazolamide (inhibant l'anhydrase carbonique V mitochondriale produisant du HCO3- intracellulaire durant le métabolisme du glucose) dans un milieu contenant 20 mM de Cl- et sans HCO3- provoque une réduction de 65 % de l'amplitude des potentiels d'action (AP) avec une repolarisation de 15 mV de leur pic sur des cellules ß dispersées de rat, confirmant l'importance de ces anions dans la régulation des oscillations du potentiel membranaire sous l'effet du glucose. Cette étude démontre que l'ouverture d'Ano1 est nécessaire pour permettre les oscillations du potentiel membranaire stimulées sous l'effet du glucose et la sécrétion d'insuline.Au chapitre 4, nous avons étudié les effets de l'H2O2 sur le canal anionique sensible au gonflement cellulaire (appelé VRAC pour volume-regulated anion channel) dans les cellules ß de rat et de la lignée de rat BRIN-BD11. L'H2O2 produit par une ou plusieurs NAD(P)H oxidase(s) (NOX) a récemment été proposé d'agir, dans plusieurs types cellulaires, comme le signal médiateur de l'activation de ces canaux activés lors du gonflement cellulaire. L'H2O2 exogène (100 à 200 µM) à une concentration de glucose basale (1,1 à 2,8 mM) stimule la sécrétion d'insuline. L'inhibiteur de VRAC, 5-nitro-2-(3-phénylpropylamino)-benzoate (NPPB), également inhibiteur d'Ano1, inhibe la réponse sécrétoire à l'H2O2 exogène. Dans des expériences de patch-clamp, nous montrons que l'H2O2 exogène stimule l’ouverture de VRAC, induisant une dépolarisation du potentiel membranaire et un courant anionique, abolis par le NPPB. L'exposition des cellules BRIN-BD11 à un milieu hypotonique (200 mosmol/l) provoquait un gonflement cellulaire suivi d’un retour vers le volume initial (en 10-15 min) suite à l’activation du canal VRAC, et une augmentation détectable du niveau intracellulaire de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) mise en évidence par l'oxydation du colorant fluorescent 5-(et-6)-chlorométhyl-2',7'-dichlorodihydrofluorescéine (CM-H2DCF). Cette production de ROS est abolie par le chlorure de diphénylèneiodonium (DPI), un inhibiteur de flavoprotéines dont les NOX et certaines protéines de la chaîne respiratoire mitochondriale. Les inhibiteurs de NOX tels le DPI et la plumbagine inhibaient presque totalement l’incrément de sécrétion d'insuline provoqué par l'exposition des cellules BRIN-BD11 au milieu hypotonique. Une préincubation avec les deux drogues suivantes abolit quasiment la sécrétion d'insuline tant induite par l'hypotonicité que basale: i) N-acétyl-L-cystéine (NAC), un précurseur du glutathion qui sert d'antioxydant général et ii) l'acide bétulinique, un composé qui abolit presque totalement l'expression NOX4. Comme le NPPB, chacun de ces inhibiteurs (DPI, plumbagine, préincubation avec NAC ou de l'acide bétulinique) réduit fortement ou abolit la régulation du volume cellulaire observée suite à un choc hypotonique, fournissant une preuve indépendante que l'activation de VRAC est médiée par l'H2O2. L'ensemble de ces données suggère que l'H2O2 produit par une ou plusieurs NOX joue un rôle critique dans la réponse insulino-sécrétoire des cellules ß de la lignée de rat BRIN-BD11 et des cellules ß de rat à l'hypotonicité extracellulaire, via une dépolarisation produite par l'activation de VRAC et une sortie d'anions. L'inhibition de cette dépolarisation produite sous l’effet de l'H2O2 et de l’hypotonicité, ainsi que de la régulation du volume cellulaire observée suite à un choc hypotonique par les inhibiteurs d'Ano1 T-AO1 et TA (100 µM) suggèrent qu'Ano1 est associé à ce canal VRAC ou le constitue ou tout au moins en constitue une sous-unité. Le mécanisme exact entraînant l’ouverture d’Ano1 sous l’effet du glucose n’est pas élucidé. Toutefois à la suite des travaux de Llanos (Llanos et coll. 2015), nous suggérons la séquence d'événements suivante: outre la fermeture des canaux KATP, le métabolisme du glucose produit des ROS qui oxydent et ouvrent RyR2, libérant du Ca2+ des stocks intracellulaires à des endroits localisés près de la membrane cellulaire et d’Ano1 qui est ainsi activé. En conclusion, nos études démontrent que i) l'efflux de Cl- (dépolarisant) de cellules ß murines sous l'effet du glucose dépend de l’ouverture du canal Cl- activé par le calcium intracellulaire (CaCC) Ano1. Le canal Ano1 est activé sous l’effet du glucose et son activation est requise pour induire les potentiels d’action et l'entrée de Ca2+ dans la cellule ß, nécessaires à la libération d’insuline. L'ouverture d'Ano1 semble donc responsable des oscillations du potentiel membranaire en phase active avec potentiels d'action et sa fermeture pourrait participer à la repolarisation des phases silencieuses. ii) l'H2O2 produit par une ou plusieurs NAD(P)H oxydase(s) sous l’effet du gonflement cellulaire, ou du glucose (Pi et coll. 2007, Leloup et coll. 2009), ou encore ajouté de manière exogène est nécessaire à l’activation du canal anionique sensible au gonflement cellulaire VRAC. L'ouverture de VRAC s'accompagne d'une sortie d'anions, dépolarise les cellules ß de la lignée de rat BRIN-BD11 et de rat et provoque une stimulation de la sécrétion d’insuline. Ano1 pourrait être associé à VRAC, le constituer ou en constituer une sous-unité. Le mécanisme déclenchant l'ouverture d'Ano1 reste à élucider. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished