La transplantation d’îlots pancréatiques offre un traitement potentielle pour le diabète de type 1 (T1DM). À ce jour, le succès mitigé de ce type de greffe est dû à plusieurs facteurs limitants comme le manque de revascularisation, la perte de la matrice extracellulaire (ECM) et le rejet par le système immunitaire du receveur. Dans les dernières années, l’utilisation de matrices tridimensionnelles (3D) et de bioréacteurs a amélioré le processus de transplantation et approfondi les connaissances sur le sujet. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les effets des paramètres physiologiques (flux, concentration en oxygène dissous (D.O.) et pulsation) sur le tissu pancréatique dans un environnement 3D en utilisant un bioréacteur à perfusion. Le premier chapitre présente une revue de la littérature détaillant le pancréas, les maladies qui lui sont associées ainsi que les techniques permettant son étude in vitro et in vivo. L’utilisation de matrices 3D en recherche sur le diabète est discutée en profondeur tout en mettant l’emphase sur l’incorporation de molécules de la ECM. La revue souligne comment des matrices 3D testées en combinaison avec différents bioréacteurs ont permis de mieux comprendre et améliorer la culture de cellules pancréatiques. Une brève conclusion met en lumière les applications futures des bioréacteurs dans la recherche sur le diabète. La première étude de cette thèse traite de la culture de cellules de rat provenant d’insulinome (INS-1), encapsulées dans des matrices de fibrine en chambres de perfusion et cultivées dans un bioréacteur à perfusion. Un essai in situ de sécrétion d’insuline stimulée par le glucose fut développé pour comprendre les effets de la culture. Dans cette expérience, les effets bénéfiques des conditions contrôlées en bioréacteur à perfusion ont été démontrés et ont révélé une augmentation de l`indice de stimulation des cellules INS-1 avec le temps, une amélioration de la fonction GRIP, en plus d’une incidence moins élevée d’apoptose cellulaire en comparaison avec des témoins en culture statique, sans bioréacteur. Cette étude a été publiée dans la revue Biotechnology Progress. La deuxième étude décrit un design multifactoriel servant à l’identification des paramètres affectant des pancréas de rat dissociés mécaniquement, cultivés dans un bioréacteur à perfusion. Les effets uniques et combinés du flux, de la D.O. et de la pulsation ont été étudiés sur la culture de tissu pancréatique. Les conditions bénéfiques pour la culture en bioréacteur ont été identifiées. Le tissu pancréatique cultivé dans ces conditions bénéfiques a démontré une sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, une plus grande activité métabolique, une coloration positive à l’insuline et au glucagon, des structures endothéliales multiples ainsi qu’un tissu plus intact en comparaison avec des cultures statiques cultivées en mode statique. Cette étude a été soumise à Biotechnology Progress. / Abstract : Transplantation of pancreatic islets offers a potential cure for type 1 diabetes mellitus (T1DM). To date, the success of such a graft has been mired by a number of limiting factors including lack of revascularisation, loss of native extracellular matrix (ECM), and graft rejection by the recipient’s immune system. In recent years, new ways to understand and improve this process have been explored using three-dimensional (3D) matrices and bioreactors. This thesis aims to further understand the important effect(s) physiological parameters (flow, dissolved oxygen concentration (D.O.) and pulsation) have on pancreatic tissue in a 3D environment using a perfusion bioreactor with defined geometries. The first chapter introduces a review of the literature detailing the native pancreas, its diseases, and how it is studied in vivo and in vitro. The use of 3D matrices in diabetes research is discussed with particular emphasis on the incorporation of ECM molecules. The review then highlights how 3D matrices have been used in combination with a host of different bioreactors to understand and improve pancreatic cell cultures. A brief conclusion about the future applications for the use of bioreactors in diabetes research is also discussed. The first experimental work comprises the culture of rat insulinoma cells (INS-1) encapsulated in fibrin matrices in perfusion chambers and cultured under perfusion bioreactor conditions. An in situ glucose-stimulated insulin secretion assay was then developed to monitor the culture over time. With this work, the beneficial effects of perfusion bioreactor conditions were shown and revealed increasing functionality (glucose-stimulated insulin secretion) of INS-1 cells over time, and a lower incidence of apoptosis when compared to static control cultures. This study was published in Biotechnology Progress. The second experimental work used a factorial design to identify process parameters affecting whole mechanically-disrupted rat pancreata in a perfusion bioreactor. Here, the singular and combinational effects of flow, dissolved oxygen concentration and pulsation were assessed on the outcome of pancreatic tissue. Beneficial bioreactor conditions were identified. Mechanically-disrupted rat pancreata cultured under these beneficial bioreactor conditions showed glucose-stimulated insulin secretion, higher metabolic activity, insulin- and glucagon-positive staining, extensive endothelial structures, and overall intact tissue when compared to static cultures. This study has been submitted to Biotechnology Progress.

Le diabète de type 2, défini par une hyperglycémie chronique, résulte d'un déficit de la sécrétion d'insuline et d'une insulinorésistance. Durant le prédiabète qui précède la maladie, la cellule ß pancréatique est capable d'établir une hyperactivité sécrétoire compensatrice de l'insulinorésistance. Les NO synthases neuronales (nNOS) pancréatique et musculaire contrôlent respectivement la sécrétion d'insuline induite par le glucose dans la cellule ß et la force contractile, la captation et l'utilisation du glucose dans les myocytes. Dans le modèle génétique du rat obèse Zucker fa/fa mimant l'état prédiabétique associant un hyperinsulinisme et une insulinorésistance, nous avons retrouvé au niveau de la cellule ß une forte augmentation du complexe entre la nNOS et son inhibiteur endogène PIN (Protein Inhibitor of Neuronal NOS) au niveau des granules de sécrétion d'insuline. Ce complexe, grâce à une interaction accrue avec la myosine V, participe à l'hyperactivité sécrétoire de la cellule ß pancréatique. En effet, des molécules inhibant spécifiquement l'interaction nNOS-PIN permettent de rétablir, chez le rat fa/fa, une sécrétion d'insuline normale. Au niveau musculaire, nous avons observé, dans ce modèle animal, une diminution d'expression de la nNOS sans variation du taux d'ARNm, traduisant une protéolyse accrue de la protéine. L'inhibition de la dégradation protéasomale permet de restaurer l'expression et l'activité catalytique de la nNOS dans le muscle squelettique. Cette perte de fonctionnalité de l'enzyme participerait à l'installation de l'insulinorésistance. Ces travaux ont permis de valider la nNOS comme une cible potentielle pour la prévention du diabète de type 2. / Type 2 diabetes is a chronic disorder defined by chronic hyperglycemia resulting from a deficiency of insulin secretion and an insulin resistance in peripheral tissues and liver. A long lasting silent phase, called prediabetes, precedes the disease and in which pancreatic ß cell is able to improve insulin secretion to compensate for the insulin resistance. The pancreatic and muscular neuronal nitric oxide synthases (nNOS) control respectively glucose-induced insulin secretion in pancreatic ß cell and glucose uptake and utilization in myocytes. In the genetic model of obese Zucker fa/fa rat mimicking the prediabetic state characterized by hyperinsulinemia and insulin resistance, we found a high increase in the amount of the complex between nNOS and its endogenous inhibitor PIN (Protein Inhibitor of Neuronal NOS) at the level of insulin secretory granules within the ß cell. This complex, through an increased interaction with myosin V, participates in the secretory hyperactivity of the pancreatic ß cell, observed in this model of prediabetes. Indeed, molecules that specifically inhibit nNOS-PIN interaction allow to restore a normal insulin secretion in fa/fa rat. In skeletal muscle of this model, we observed a decreased expression of nNOS protein with no change in mRNA levels, suggesting an increased proteolysis of the protein. Inhibition of proteasomal degradation restores the expression and the catalytic activity of nNOS in skeletal muscle. Thus, this loss of functionality of the enzyme could participate in the installation of insulin resistance. This work therefore validated nNOS as a potential target for the prevention of type 2 diabetes.

Nous passons plus des trois quarts de notre vie dans l'état postprandial. Pourtant, une plus grande attention a été accordée à l'étude du métabolisme à jeun qu'à l'impact de l'état postprandial sur la santé.Il est prouvé scientifiquement qu'une alimentation optimale pour la santé passe par la prise en compte de l'impact glycémique des aliments au-delà de leur simple teneur en glucides. Un déterminant important de l'impact glycémique de notre alimentation est l'amidon, qui joue un rôle clé dans la nutrition humaine en fournissant jusqu'à 50% de l'apport énergétique total. S'il est établi que la cinétique de digestion des aliments riches en amidon est un élément essentiel de leur impact glycémique, les contributions de chaque étape digestive à ce processus restent un sujet de débats. Afin de mieux comprendre les facteurs qui peuvent influencer la réponse glycémique aux aliments riches en amidon, et d’identifier de nouvelles stratégies pour atténuer leur impact glycémique, il est essentiel d'élargir notre compréhension du processus digestif de l'amidon. Cette thèse visait à étudier la digestion de repasriches en amidon (pain et pâtes), à réévaluer la contribution l’amylase salivaire à l'aide de digestions semi-dynamiques in vitro, et à mener une étude chez l'Homme pour déterminer l'effet de boissons (jus de citron et thé) sur : la réponse glycémique au pain, l'apport ad libitum, et la digestion gastrique étudiée par imagerie par résonance magnétique (IRM). Nos résultats apportent une base scientifique à l'élaboration d'une stratégie simple et efficace pour réduire la réponse glycémique aux aliments riches en amidon dans des repas de tous les jours. / All of us spend over three quarters of our lives in the postprandial state. Still, more attention has been dedicated to the study of the fasting metabolism than to the impact of the postprandial state on health.Scientific evidence supports that an optimum diet for health requires consideration of the glycaemic impact of foods in preference to consideration of carbohydrate content alone. An important determinant of the glycaemic impactof our diets is starch, which plays a key role in human nutrition, supplying up to 50% of the total energy intake. If it is clear that the digestion rate of starch-rich foods is an important determinant of their glycaemic impact, the contribution of each digestive stage to this process remains controversy. To better understand the factors that can influence the glycaemic response to starch-rich foods, and to identify new strategies to attenuate the glycaemic impact of starch-rich diets, it is essential to expand our understanding of thedigestive process of starch. The aims of this PhD were to study the digestionof starch-rich meals (bread and pasta), to reevaluate the contribution of salivary amylase using semi-dynamic in vitro digestions, and to conduct a human study to determine the effect of drinks (lemon juice and tea) on: the glycaemic response to bread, ad libitum intake, and gastric digestion assessed by magnetic resonance imaging (MRI). Our results provide scientific rationale for the development of a simple and effective strategy to reduce the glycaemicresponse to starch-rich foods in everyday-life meals.

Le diabète de type 2 (DT2) apparaît lorsque la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots du pancréas ne parvient plus à compenser la résistance à l’insuline des organes cibles. Parmi les médicaments disponibles pour traiter le DT2, deux classes agissent en améliorant la sensibilité à l’insuline : les biguanides (metformine) et les thiazolidinediones (pioglitazone et rosiglitazone). Des études suggèrent que ces médicaments protègent également la fonction des cellules β. Dans le but d’identifier des mécanismes par lesquels les médicaments insulinosensibilisateurs protègent les cellules β, nous avons étudié les effets aigus de la metformine et de la pioglitazone sur le métabolisme et la fonction des cellules INS 832/13, sécrétrices d’insuline et des îlots pancréatiques isolés de rats. Nous avons aussi validé in vivo avec des rats Wistar les principales observations obtenues en présence de pioglitazone grâce à des clamps glucidiques et par calorimétrie indirecte. Le traitement aigu des cellules β avec de la pioglitazone ou de la metformine inhibe la sécrétion d’insuline induite par le glucose en diminuant la sensibilité des cellules au glucose (inhibition en présence de concentrations intermédiaires de glucose seulement). Dans les mêmes conditions, les traitements inhibent aussi plusieurs paramètres du métabolisme mitochondrial des nutriments et, pour la pioglitazone, du métabolisme des lipides. Les composés affectent le métabolisme en suivant un patron d’inhibition similaire à celui observé pour la sécrétion d’insuline, que nous avons nommé « décélération métabolique ». La capacité de la pioglitazone à inhiber la sécrétion d’insuline et à ralentir le métabolisme mitochondrial de façon aigüe se confirme in vivo. En conclusion, nous avons identifié la décélération métabolique de la cellule β comme nouveau mode d’action pour les médicaments insulinosensibilisateurs. La décélération métabolique causée par les agents insulinosensibilisateurs les plus utilisés semble provenir d’une inhibition du métabolisme mitochondrial et pourrait être impliquée dans les bienfaits de ceux-ci dans un contexte de stress métabolique. Le fait que les deux agents insulinosensibilisateurs étudiés agissent à la fois sur la sensibilité à l’insuline et sur la sécrétion d’insuline, les deux composantes majeures du DT2, pourrait expliquer pourquoi ils sont parmi les agents antidiabétiques les plus efficaces. La décélération métabolique est une approche thérapeutique à considérer pour le traitement du DT2 et d’autres maladies métaboliques. / Type 2 diabetes (T2D) appears when insulin secretion by pancreatic β-cells fails to compensate for insulin resistance. Two classes of anti-diabetic drugs have been used to target insulin resistance: biguanides (metformin) and thiazolidinediones (pioglitazone and rosiglitazone). Some studies suggest that these compounds also protect β-cell function. In order to identify the mechanisms whereby insulin-sensitizing agents protect β-cell function, we used INS 832/13 insulin secreting cells and isolated pancreatic rat islets to study the acute effects of pioglitazone and metformin on β-cell metabolism and function. Key observations obtained with pioglitazone were also validated in vivo in Wistar rats with the use of glucose clamps and indirect calorimetry. In vitro, acute pioglitazone or metformin treatment inhibits glucose-induced insulin secretion by lowering β-cell sensitivity to glucose (inhibition only at sub-maximal glucose concentrations). The same treatments also inhibit parameters of nutrient mitochondrial metabolism and, in the case of pioglitazone, parameters of lipid metabolism. Both compounds alter metabolism following a pattern similar to that observed with insulin secretion, a pattern that we label “metabolic deceleration”. Pioglitazone also acutely inhibits insulin secretion and slows down mitochondrial metabolism in vivo. In conclusion, we identified metabolic deceleration of the pancreatic β-cell as a new mode of action for insulin-sensitizing agents. Pioglitazone and metformin both seem to cause metabolic deceleration of the β-cell via inhibition of mitochondrial metabolism. This mode of action could participate in the beneficial effects of these compounds in the context of metabolic stress. The fact that these drugs affect both insulin sensitivity and insulin secretion, the two major components of T2D, may explain why they are among the most powerful anti-diabetic agents. Metabolic deceleration is a new therapeutic approach worth considering for the treatment of T2D and other metabolic diseases.

Le diabète de type 2 (DT2) résulte d’une résistance à l’insuline par les tissus périphériques et par un défaut de sécrétion de l’insuline par les cellules β-pancréatiques. Au fil du temps, la compensation des îlots de cellules β pour la résistance à l’insuline échoue et entraine par conséquent une baisse progressive de la fonction des cellules β. Plusieurs facteurs peuvent contribuer à la compensation de la cellule β. Toutefois, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à la compensation de la masse de la cellule β reste à ce jour inconnue. Le but de ce mémoire était d’identifier précisément quel mécanisme pouvait amener à la compensation de la cellule β en réponse à un excès de nutriments et plus précisément à l’augmentation de sa prolifération et de sa masse. Ainsi, avec l’augmentation de la résistance à l’insuline et des facteurs circulants chez les rats de six mois perfusés avec du glucose et de l’intralipide, l’hypothèse a été émise et confirmée lors de notre étude que le facteur de croissance HB-EGF active le récepteur de l’EGF et des voies de signalisations subséquentes telles que mTOR et FoxM1 impliquées dans la prolifération de la cellule β-pancréatique. Collectivement, ces résultats nous permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la compensation de la masse de la cellule β dans un état de résistance à l’insuline et peuvent servir de nouvelles approches thérapeutiques pour prévenir ou ralentir le développement du DT2. / Type 2 diabetes (T2D) results from insulin resistance in peripheral tissues and impaired insulin secretion from the pancreatic β-cell. Over the time, compensation of the β cell islets for insulin resistance fails, and therefore leads to a gradual decline in β-cell function. Several factors may contribute to β-cell compensation. However, the cellular and molecular mechanisms underlying β-cell compensation remain unknown. The purpose of this thesis was to identify what mechanism could lead to β cell compensation in response to nutrients excess and specifically the increase in proliferation and β-cell mass. Thus, with increasing insulin resistance and circulating factors in the 6 month rats infused with glucose + intralipid, the hypothesis was made and confirmed in our study that the growth factor HB-EGF would activate the EGF receptor, and subsequent signaling pathways such as mTOR and FoxM1, both involved in the proliferation of the pancreatic beta-cell. Collectively, these results allow us to understand better the molecular mechanisms involved in the β cell compensation in the insulin resistance state and may serve as a potential new therapeutic approach to prevent or delay T2D development.

L’insuffisance rénale chronique (IRC) se définit par un défaut de filtration glomérulaire et est associée à plusieurs désordres. La perturbation de l’homéostasie glucidique en fait partie. L’homéostasie glucidique est contrôlée principalement par l’insuline, soit l’hormone sécrétée en réponse au glucose par les cellules bêta-pancréatiques contenues dans les îlots de Langerhans. La préservation de la fonction de la cellule bêta est essentielle au maintien de l’homéostasie glucidique. Il a été démontré que la sécrétion de l'insuline est altérée au cours l'IRC, cependant les mécanismes demeurent peu connus. Au cours de l’IRC, l’accumulation chronique de toxines urémiques pourrait contribuer à la défaillance de la cellule bêta. L’urée est une toxine urémique majeure et sa toxicité a été récemment rapportée dans plusieurs tissus. Le but de ce mémoire était donc de vérifier le rôle de l’urée dans la dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC. Nous avons démontré que l’exposition des îlots de souris à des concentrations pathologiques d’urée entraîne une diminution de la sécrétion d’insuline via l’augmentation du stress oxydant et des O-glycosylations. Ce défaut est dû à une perturbation du métabolisme intracellulaire du glucose. Entre autres, nous avons observé une baisse de la glycolyse associée à la réduction de l’activité enzymatique de la phosphofructokinase-1. Ces résultats démontrent un effet toxique direct de l’urée sur la sécrétion d’insuline et permettent de mieux comprendre le mécanisme de dysfonction de la cellule bêta-pancréatique au cours de l’IRC. / Chronic kidney disease (CKD) is defined as a glomerular filtration defect and is associated with many disorders. Impaired glucose homeostasis is one of them. Glucose homeostasis is maintained in part by insulin, which is the hormone secreted by the pancreatic beta cells from the islets of Langerhans in response to glucose. The preservation of beta cell function is essential to maintain glucose homeostasis. It has been demonstrated that insulin secretion is altered during CKD; however, the underlying mechanisms remain unknown. In CKD, chronic accumulation of uremic toxins could contribute to beta cell dysfunction. Urea is a major uremic toxin and its toxicity has been recently reported in many tissues. The purpose of this master project was to ascertain the role of urea in pancreatic beta cell dysfunction during CKD. We have demonstrated that exposure of mouse islets to pathological concentrations of urea leads to diminution of insulin secretion via an increase in oxidative stress and O-glycosylation. This defect is due to disturbed intracellular glucose metabolism. Among others, we have observed a reduction in glycolysis associated with a decrease in the activity of phosphofructokinase-1. These results demonstrate a direct toxic effect of urea on insulin secretion and contribute to a better understanding of mechanisms of pancreatic beta cell dysfunction during CKD.

Le TGFβ (Transforming Growth Factor-β) est une cytokine ayant de nombreusesfonctions au cours de la vie embryonnaire et de la vie adulte. Au cours de la cancérogenèse,le TGFβ a un effet anti-tumoral sur les épithelia sains ou immortalisés, et acquière despropriétés facilitant la progression tumorale des épithélia transformés. Afin d’étudier cettedualité fonctionnelle du TGFβ, nous avons choisi comme modèle d’étude l’adénocarcinomedu pancréas, une tumeur de très mauvais pronostic, qui représente la cinquième cause demortalité par cancer dans les pays développés. Les cancers du pancréas, dans leur grandemajorité, présentent des mutations activatrices de l’oncogène Kras, sécrètent de grandequantités de TGFβ et présentent des mutations inactivatrices au niveau de gènes régulateursde la voie du TGFβ. L’objectif général de mes travaux de thèse était de comprendre le rôle duTGFβ au cours des différentes phases de la cancérogenèse pancréatique grâce à l'utilisationde souris génétiquement modifiées. Tout d’abord, nous avons montré que l’activation cibléede la voie du TGFβ dans le pancréas coopérait avec l’oncogène Kras afin d’induire unepancréatite, une inflammation du pancréas favorisant le développement tumoral. Nous avonségalement démontré le rôle suppresseur de tumeur de TIF1γ, une protéine dont la fonction estméconnue mais qui a été proposée pour réguler la voie du TGFβ. En conclusion, mes travauxont tout d’abord contribué à une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine del’inflammation du pancréas. Ceci ouvre de nouvelles perspectives de traitement visant àinactiver le programme pro-inflammatoire du TGFβ et ainsi d’inhiber l’effet pro-tumoral dela pancréatite. D’autre part, mes travaux ont permis de mettre en évidence une nouvelle voiesuppresseur de tumeur dans le pancréas. La caractérisation des programmes anti-tumorauxmis en jeu par TIF1γ devrait permettre de définir de nouvelles stratégies thérapeutiques. / The TGFβ (Transforming Growth Factor-β) belongs to a wide family of cytokinesinvolved in numerous functions during embryogenesis and adult life. During tumorigenesis,TGFβ is considered as a double-edge-sword preventing tumor initiation in normal orimmortalized epithelia but, in contrast, facilitating tumor progression in transformedepithelia. We have studied this dual functionality of TGFβ in Pancreatic DuctalAdenocarcinoma (PDAC), a devastating disease representing the fifth leading-cause ofrelated-cancer death in industrialized countries. Most of pancreatic cancers present activatingKras oncogene mutations, high expression level of secreted TGFβ and inactivating mutationsof affecting major mediators of the TGFβ signaling. The main objective of my thesis was tounderstand the role of TGFβ during pancreatic tumorigenesis using genetically modifiedmouse models, then mimicking the human disease. First, we showed that targeted activationof TGFβ signaling in the pancreas could cooperate with Kras oncogene to induce pancreatitis,an inflammation of the pancreas described as a tumor-promoting environment. Second, wedemonstrated the tumor suppressor role of TIF1γ, a protein recently involved in the TGFβsignaling. In conclusion, this work has contributed to a better understanding of the molecularmechanisms responsible for pancreatitis initiation. Our results open new therapeuticsperspectives leading to the inhibition of the TGFβ-mediated program of thus inhibiting prooncogeniceffect of pancreatitis. Moreover, we defined a new tumor suppressor pathwayactivated in the pancreas. The molecular characterization of programs engaged by TIF1γcould allow defining new therapeutic strategies.

Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) permettent la destruction de tissus biologiques par élévation de la température. Cette technique reconnue est utilisée actuellement dans le monde médical afin de traiter certaines masses tumorales. Le projet décrit dans ce document détaille la mise au point et l'utilisation de deux systèmes thérapeutiques indépendants, ayant pour objectif principal le traitement peropératoire puis extracorporel des tumeurs hépatiques. Dans un premier temps, un système chirurgical existant, destiné au traitement des métastases hépatiques et en cours d'évaluation clinique, a été utilisé. La mise en place d'une modalité de traitement par focalisation électronique a permis d'augmenter le volume de coagulation initial et ainsi faciliter la procédure opératoire. Basée sur les conclusions de cette première étude, une seconde version de sonde peropératoire a été modélisée puis développée. La géométrie du transducteur utilisé a permis une modification de la forme des lésions produites. Les performances de cette sonde de traitement ont été évaluées numériquement puis validées lors d'expérience in vitro et in vivo. L'efficacité, la simplicité et la reproductibilité des traitements réalisés sur le foie ont conduit à une possible application du dispositif aux cancers du pancréas. Après étude numérique et évaluation de la faisabilité in vitro, une validation sur modèle animal a été entreprise. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ces différents traitements peropératoires a permis d'envisager la faisabilité d'un dispositif de traitement par voie extracorporelle. Une étude théorique a donné lieu à la réalisation d'un prototype expérimental. Après calibrations et étalonnages, des résultats in vitro préliminaires ont été obtenus / High intensity focused ultrasound (HIFU) allows the destruction of biological tissue by temperature increase. This technique is commonly used in the medical world for treating certain types of tumor masses. The project described in this document details the development and use of two independent therapy systems, with the main objective to treat intraoperatively and extracorporeally liver tumors. As a first step, an existing surgical system, intended to treat liver metastases and under clinical evaluation, was used. The establishment of a treatment modality based on electronic focusing has contributed to increase the coagulation volume and thus simplify the operative procedure. Based upon the findings of this first study, a second version of intraoperative probe was modeled and developed. The geometry of this new transducer allowed to change the shape of produced ablations. The performance of this probe were evaluated numerically and then validated with in vitro and in vivo studies. The effectiveness, simplicity and reproducibility of the treatments performed in the liver led to a possible application of the device to pancreatic cancer. After numerical study and in vitro feasibility assessment, animal model validation was also undertaken. All the results obtained during the peroperative treatments was used to study the feasibility of an extracorporeal treatment. A theoretical study has led to the development of an experimental prototype. After calibration, preliminary in vitro results were obtained

Le diabète de type 2 (DT2) apparaît lorsque la sécrétion d’insuline par les cellules β des îlots du pancréas ne parvient plus à compenser la résistance à l’insuline des organes cibles. Parmi les médicaments disponibles pour traiter le DT2, deux classes agissent en améliorant la sensibilité à l’insuline : les biguanides (metformine) et les thiazolidinediones (pioglitazone et rosiglitazone). Des études suggèrent que ces médicaments protègent également la fonction des cellules β. Dans le but d’identifier des mécanismes par lesquels les médicaments insulinosensibilisateurs protègent les cellules β, nous avons étudié les effets aigus de la metformine et de la pioglitazone sur le métabolisme et la fonction des cellules INS 832/13, sécrétrices d’insuline et des îlots pancréatiques isolés de rats. Nous avons aussi validé in vivo avec des rats Wistar les principales observations obtenues en présence de pioglitazone grâce à des clamps glucidiques et par calorimétrie indirecte. Le traitement aigu des cellules β avec de la pioglitazone ou de la metformine inhibe la sécrétion d’insuline induite par le glucose en diminuant la sensibilité des cellules au glucose (inhibition en présence de concentrations intermédiaires de glucose seulement). Dans les mêmes conditions, les traitements inhibent aussi plusieurs paramètres du métabolisme mitochondrial des nutriments et, pour la pioglitazone, du métabolisme des lipides. Les composés affectent le métabolisme en suivant un patron d’inhibition similaire à celui observé pour la sécrétion d’insuline, que nous avons nommé « décélération métabolique ». La capacité de la pioglitazone à inhiber la sécrétion d’insuline et à ralentir le métabolisme mitochondrial de façon aigüe se confirme in vivo. En conclusion, nous avons identifié la décélération métabolique de la cellule β comme nouveau mode d’action pour les médicaments insulinosensibilisateurs. La décélération métabolique causée par les agents insulinosensibilisateurs les plus utilisés semble provenir d’une inhibition du métabolisme mitochondrial et pourrait être impliquée dans les bienfaits de ceux-ci dans un contexte de stress métabolique. Le fait que les deux agents insulinosensibilisateurs étudiés agissent à la fois sur la sensibilité à l’insuline et sur la sécrétion d’insuline, les deux composantes majeures du DT2, pourrait expliquer pourquoi ils sont parmi les agents antidiabétiques les plus efficaces. La décélération métabolique est une approche thérapeutique à considérer pour le traitement du DT2 et d’autres maladies métaboliques. / Type 2 diabetes (T2D) appears when insulin secretion by pancreatic β-cells fails to compensate for insulin resistance. Two classes of anti-diabetic drugs have been used to target insulin resistance: biguanides (metformin) and thiazolidinediones (pioglitazone and rosiglitazone). Some studies suggest that these compounds also protect β-cell function. In order to identify the mechanisms whereby insulin-sensitizing agents protect β-cell function, we used INS 832/13 insulin secreting cells and isolated pancreatic rat islets to study the acute effects of pioglitazone and metformin on β-cell metabolism and function. Key observations obtained with pioglitazone were also validated in vivo in Wistar rats with the use of glucose clamps and indirect calorimetry. In vitro, acute pioglitazone or metformin treatment inhibits glucose-induced insulin secretion by lowering β-cell sensitivity to glucose (inhibition only at sub-maximal glucose concentrations). The same treatments also inhibit parameters of nutrient mitochondrial metabolism and, in the case of pioglitazone, parameters of lipid metabolism. Both compounds alter metabolism following a pattern similar to that observed with insulin secretion, a pattern that we label “metabolic deceleration”. Pioglitazone also acutely inhibits insulin secretion and slows down mitochondrial metabolism in vivo. In conclusion, we identified metabolic deceleration of the pancreatic β-cell as a new mode of action for insulin-sensitizing agents. Pioglitazone and metformin both seem to cause metabolic deceleration of the β-cell via inhibition of mitochondrial metabolism. This mode of action could participate in the beneficial effects of these compounds in the context of metabolic stress. The fact that these drugs affect both insulin sensitivity and insulin secretion, the two major components of T2D, may explain why they are among the most powerful anti-diabetic agents. Metabolic deceleration is a new therapeutic approach worth considering for the treatment of T2D and other metabolic diseases.

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