Glucose is arrhythmogenic in the anoxic-reoxygenated embryonic chick heart.

Unlike in adult heart, embryonic myocardium works at low PO2 and depends preferentially on glucose. Therefore, activity of the embryonic heart during anoxia and reoxygenation should be particularly affected by changes in glucose availability. Hearts excised from 4-d-old chick embryos were submitted in vitro to strictly controlled anoxia-reoxygenation transitions at glucose concentrations varying from 0 to 20 mmol/L. Spontaneous and regular heart contractions were detected optically as movements of the ventricle wall and instantaneous heart rate, amplitude of contraction, and velocities of contraction and relaxation were determined. Anoxia induced transient tachycardia and rapidly depressed contractile activity, whereas reoxygenation provoked a temporary and complete cardioplegia (oxygen paradox). In the presence of glucose, atrial rhythm became irregular during anoxia and chaotic-periodic during reoxygenation. The incidence of these arrhythmias depended on duration of anoxia, and no ventricular ectopic beats were observed. Removal of glucose or blockade of glycolysis suppressed arrhythmias. These results show similarities but also differences with respect to the adult heart. Indeed, glucose 1) delayed and anoxic contractile failure, shortened the reoxygenation-induced cardiac arrest, and improved the recovery of contractile activity; 2) attenuated stunning at 20 mmol/L but worsened it at 8 mmol/L; and 3) paradoxically, was arrhythmogenic during anoxia and reoxygenation, especially when present at the physiologic concentration of 8 mmol/L. The last named phenomenon seems to be characteristic of the young embryonic heart, and our findings underscore that fluctuations of glycolytic activity may play a role in the reactivity of the embryonic myocardium to anoxiareoxygenation transitions.

Autophagy defect is associated with low glucose-induced apoptosis in 661W photoreceptor cells.

Glucose is an important metabolic substrate of the retina and diabetic patients have to maintain a strict normoglycemia to avoid diabetes secondary effects, including cardiovascular disease, nephropathy, neuropathy and retinopathy. Others and we recently demonstrated the potential role of hypoglycemia in diabetic retinopathy. We showed acute hypoglycemia to induce retinal cell death both in vivo during an hyperinsulinemic/hypoglycemic clamp and in vitro in 661W photoreceptor cells cultured at low glucose concentration. In the present study, we showed low glucose to induce a decrease of BCL2 and BCL-XL anti-apoptotic proteins expression, leading to an increase of free pro-apoptotic BAX. In parallel, we showed that, in retinal cells, low glucose-induced apoptosis is involved in the process of autophagosomes formation through the AMPK/RAPTOR/mTOR pathway. Moreover, the decrease of LAMP2a expression led to a defect in the autophagosome/lysosome fusion process. Specific inhibition of autophagy, either by 3-methyladenine or by down-regulation of ATG5 or ATG7 proteins expression, increased caspase 3 activation and 661W cell death. We show that low glucose modifies the delicate equilibrium between apoptosis and autophagy. Cells struggled against low nutrient condition-induced apoptosis by starting an autophagic process, which led to cell death when inhibited. We conclude that autophagy defect is associated with low glucose-induced 661W cells death that could play a role in diabetic retinopathy. These results could modify the way of addressing negative effects of hypoglycemia. Short-term modulation of autophagy could be envisioned to treat diabetic patients in order to avoid secondary complications of the disease.

Rôle endocrine de la neurotensine dans le contrôle de l'homéostasie glucidique. [Role of neurotensin in endocrine control of glucose homeostasis.]

Introduction : La sécrétion d'insuline est régulée par le glucose et également pardes hormones peptidiques libérées par le tractus digestif, comme la neurotensine(NT). La NT est un neuropeptide, sécrété notamment par les cellules N dela paroi de l'estomac, qui exerce des fonctions régulatrices complexes dans lesystème digestif. Notre laboratoire a récemment démontré que les cellulesendocrines du pancréas (les îlots de Langherans) expriment les trois récepteursconnus de la NT. Nous avons montré que la NT module la survie de la cellulebêta pancréatique (Coppola et al. 2008). Cette fonction met en jeu deux desrécepteurs de la NT, le NTSR2 et le NTSR3 qui forment, après stimulation parla NT, un complexe protéique régulateur de la survie des cellules (Béraud-Dufour et al. 2009) et également de la sécrétion d'insuline (Béraud-Dufour et al.2010).Matériels et méthodes : La caractérisation pharmacologique de l'effet NT sur lasécrétion d'insuline a été faite à l'aide de ligands spécifiques (agonistes ou antagonistes),dans des expériences d'imagerie calciques et d'exocytose. Nous avonsmesuré l'acivation des PKC par imagerie en temps réel. Afin de déterminer lerôle de la NT dans la physiologie générale nous avons utilisé des modèles in vitro(lignées de cellules INS-1E) et in vivo (souris invalidées NTSR1 et NTSR2).Résultats : Nous avons montré que les récepteurs NTSR2 et NTSR3 interviennentdans la modulation de la sécrétion d'insuline en fonction des conditionsphysiologiques : 1) la NT stimule la sécrétion dans des conditions basales deglucose. 2) elle inhibe la sécrétion dans des situations d'hyperglycémie. La NTmobilise plusieurs activités protéines kinases C (PKC) nécessaires à son rôlephysiologique (Béraud-Dufour et al. 2010).Par ailleurs, sur les modèles murins l'étude du métabolisme de souris transgéniquesinvalidées pour les gènes des NTSR1 et NTSR2 a permis de mettre en évidencel'implication de la NT dans la régulation de l'homéostasie du glucose. Invivo, nous avons observé que l'injection intra péritonéale de NT diminue la glycémieet que cet effet nécessite la présence du NTSR1. Nous avons observé quel'invalidation du gène du NTSR1 affecte la réponse des souris lors des tests detolérance au glucose et à l'insulineConclusion : Les résultats obtenus dans cette étude prouvent que le bon fonctionnementdu système neurotensinergique est nécessaire au maintien d'uneglycémie stable. La dérégulation de ce système pourrait être l'un des facteursimpliqué dans la survenue et/ou l'aggravation d'un diabète de type 2.

Effects of fructose on hepatic glucose metabolism in humans.

Hepatic and extrahepatic insulin sensitivity was assessed in six healthy humans from the insulin infusion required to maintain an 8 mmol/l glucose concentration during hyperglycemic pancreatic clamp with or without infusion of 16.7 micromol. kg(-1). min(-1) fructose. Glucose rate of disappearance (GR(d)), net endogenous glucose production (NEGP), total glucose output (TGO), and glucose cycling (GC) were measured with [6,6-(2)H(2)]- and [2-(2)H(1)]glucose. Hepatic glycogen synthesis was estimated from uridine diphosphoglucose (UDPG) kinetics as assessed with [1-(13)C]galactose and acetaminophen. Fructose infusion increased insulin requirements 2.3-fold to maintain blood glucose. Fructose infusion doubled UDPG turnover, but there was no effect on TGO, GC, NEGP, or GR(d) under hyperglycemic pancreatic clamp protocol conditions. When insulin concentrations were matched during a second hyperglycemic pancreatic clamp protocol, fructose administration was associated with an 11.1 micromol. kg(-1). min(-1) increase in TGO, a 7.8 micromol. kg(-1). min(-1) increase in NEGP, a 2.2 micromol. kg(-1). min(-1) increase in GC, and a 7.2 micromol. kg(-1). min(-1) decrease in GR(d) (P < 0. 05). These results indicate that fructose infusion induces hepatic and extrahepatic insulin resistance in humans.

Effect of bicarbonate and lactate buffer on glucose and lactate metabolism during hemodiafiltration in patients with multiple organ failure.

OBJECTIVE: To compare the effects of sodium bicarbonate and lactate for continuous veno-venous hemodiafiltration (CVVHDF) in critically ill patients. DESIGN AND SETTINGS: Prospective crossed-over controlled trial in the surgical and medical ICUs of a university hospital. PATIENTS: Eight patients with multiple organ dysfunction syndrome (MODS) requiring CVVHDF. INTERVENTION: Each patient received the two buffers in a randomized sequence over two consecutive days. MEASUREMENTS AND RESULTS: The following variables were determined: acid-base parameters, lactate production and utilization ((13)C lactate infusion), glucose turnover (6,6(2)H(2)-glucose), gas exchange (indirect calorimetry). No side effect was observed during lactate administration. Baseline arterial acid-base variables were equal with the two buffers. Arterial lactate (2.9 versus 1.5 mmol/l), glycemia (+18%) and glucose turnover (+23%) were higher in the lactate period. Bicarbonate and glucose losses in CVVHDF were substantial, but not lactate elimination. Infusing (13)C lactate increased plasma lactate levels equally with the two buffers. Lactate clearance (7.8+/-0.8 vs 7.5+/-0.8 ml/kg per min in the bicarbonate and lactate periods) and endogenous production rates (14.0+/-2.6 vs 13.6+/-2.6 mmol/kg per min) were similar. (13)C lactate was used as a metabolic substrate, as shown by (13)CO(2) excretion. Glycemia and metabolic rate increased significantly and similarly during the two periods during lactate infusion. CONCLUSION: Lactate was rapidly cleared from the blood of critically ill patients without acute liver failure requiring CVVHDF, being transformed into glucose or oxidized. Lactate did not exert undesirable effects, except moderate hyperglycemia, and achieved comparable effects on acid-base balance to bicarbonate.

Relation entre glucose cérébral et systémique chez le sujet neurolésé: une étude par microdialyse cérébrale

Introduction: Le glucose est le principal substrat énergétique cérébral. Sa concentration dans le cerveau est étroitement liée à la glycémie. Chez le patient neurolésé, du fait de l'augmentation des besoins énergétiques, les réserves cérébrales de glucose sont limitées. Une glycémie suffisamment élevée paraît nécessaire pour assurer un apport adéquat de glucose au cerveau. Objectifs : Le but de cette étude est de mieux comprendre la relation entre glucose cérébral et glycémie lors de lésion cérébrale en analysant la physiologie cérébrale chez des patients neurolésés. Plus précisément nous investiguerons: La relation entre le glucose cérébral et le glucose systémique et son association avec le pronostic vital, l'association entre la neuroglucopénie et différents paramètres cérébraux tel que l'hypertension intracrânienne (HTIC) ou la dysfonction énergétique et finalement l'effet d'une perfusion de glucose 10% sur le glucose cérébral lors d'état de neuroglucopénie. Méthodologie : Analyse d'une base de données prospective comportant des patients souffrant d'un traumatisme crânio-cérébral (TCC) ou une hémorragie sous- arachnoïdienne (HSA) sévères. Les patients comateux sont monitorés par un dispositif intra-parenchymateux avancé, comprenant un cathéter de microdialyse cérébrale et un capteur de PbO2. Résultats : 34 patients consécutifs (moyenne d'âge 42 ans, moyenne de temps jusqu'au début du monitoring : 1.5 jours ± 1 ; moyenne de la durée maximale du monitoring : 6 jours ± 3) ont été étudiés, 25 patients souffrant d'un TCC et 9 patients avec une HSA. Nous avons obtenu une corrélation individuelle entre le glucose cérébral et la glycémie chez 52.9 % des patients. Lorsque la glycémie est inférieure à 5 mmol/l, on observe plus fréquemment des épisodes de neuroglucopénie en comparaison aux valeurs intermédiaires de glycémie (5 - 9.9 mmol/l). Les épisodes d'HTIC (pression intracrânienne (PIC) > 20 mmHg) sont plus fréquemment associés à des épisodes de neuroglucopénie que lorsque la pression intracrânienne est normale 75 % vs. 35%. La dysfonction énergétique est plus souvent associés à des épisodes de neuroglucopénie que lorsque le LPR est normal: 55% contre 36%. Un coefficient de corrélation entre glucose cérébral et glycémie significativement plus élevé a été obtenu chez les survivants que chez les non-survivants (0.1 [interquartile range 0.02- 0.3] contre 0.32 [0.17-0.61]). Chez les patients neuroglucopéniques ayant une corrélation entre glucose cérébral et glycémie, la perfusion de glucose i.v. fait monter le glucose cérébral jusqu'à l'arrêt de la perfusion. Conclusion : Malgré une étroite relation entre glycémie et glucose cérébral en conditions stables, cette relation peut être altérée par des causes cérébrales chez les patients neurolésés montrant que la diminution de la disponibilité du glucose extracellulaire ne résulte pas uniquement d'une hypoglycémie relative mais également de causes cérébrales tel que l'hypoperfusion, l'HTIC ou la dysfonction énergétique.

Influence des habitudes alimentaires sur la morbidité chez 645 patients obèses d'une consultation spécialisée. [Effect of eating habits on morbidity in 645 patients at a specialized clinic].

Among 645 obese patients examined at an out-patient clinic for obese patients by physical examination and a computerized questionnaire, two subgroups of patients could be identified according to their nutritional preferences: 177 patients preferred carbohydrates exclusively (group A) and 73 patients fat exclusively (group B). No definite preferences were formulated by the other patients. Among patients under 25 years, only 3 belonged to group B and 49 to group A, while in older patients no significant differences were found. Among patients with BMI less than 30, there were significantly fewer patients from group B than from group A (p = 0.006), while in patients with BMI greater than 30 no significant difference was observed. There were significantly more men in group B than in group A. 57% of the patients of group B complained of physical symptoms related to their obesity, compared to 37% in group A (p = 0.006). 26% of group B suffered from joints and muscles compared to 13% of group A (p = 0.003). Hyperglycemia (greater than 5,6 mmol/l) was found in 21% of group A and in 40% of group B (p less than 0.005). Hypercholesterolemia (greater than 6.5 mmol/l) was found in 20% of group A and in 32% of group B (p less than 0.05). In conclusion, obese patients who prefer fat have more general symptoms related to obesity, more abnormal physical signs, and more frequently have hyperglycemia and hypercholesterolemia than patients who prefer carbohydrates.

Stimulation of thermogenesis in men after combined glucose-long-chain triglyceride infusion.

The effect of combined long-chain triglyceride infusion (Intralipid 20%) with graded doses of insulin/glucose on energy expenditure was examined in 17 healthy young male volunteers by using the euglycemic insulin clamp technique in combination with indirect calorimetry. Intralipid was infused for 90 min at a constant rate of 0.23 g/min; plasma free fatty acids increased from base-line values of 380 +/- 8 mumol/l to steady state levels of 650 +/- 12 mumol/l. After 90 min the Intralipid was continued and insulin was infused at three rates (0.5, 2, and 4 mU/kg . min) to achieve steady state hyperinsulinemic plateaus of 63 +/- 4, 167 +/- 10, and 410 +/- 15 microU/ml. Plasma glucose concentration was maintained constant at basal euglycemic levels (insulin clamp technique) by infusing glucose at 0.24, 0.48, and 0.59 g/min, respectively. Glucose storage during the insulin clamp (ie, glucose uptake minus glucose oxidation) was 0.13, 0.33, and 0.40 g/min for each group and exogenous lipid storage was 0.17, 0.18, and 0.19 g/min, respectively. The net increment in energy expenditure was 0.15, 0.24, and 0.26 kcal/min, respectively, which represents 8.5% of the energy content of the total amount of glucose and lipid stored. The experimentally determined value (approximately 9%) for the cost of storing both glucose and lipid was found to be significantly greater than predicted by stoichiometric calculations. However, the experimental value for the combined infusion was less than that observed for glucose storage alone (12%). This finding provides support for the use of combined glucose/fat infusions in parenteral nutrition as it is used more economically than when glucose is infused alone.

Differences in glucose transporter gene expression between rat pancreatic alpha- and beta-cells are correlated to differences in glucose transport but not in glucose utilization.

Glucose exerts inverse effects upon the secretory function of islet alpha- and beta-cells, suppressing glucagon release and increasing insulin release. This diverse action may result from differences in glucose transport and metabolism between the two cell types. The present study compares glucose transport in rat alpha- and beta-cells. beta-Cells transcribed GLUT2 and, to a lesser extent, GLUT 1; alpha-cells contained GLUT1 but no GLUT2 mRNA. No other GLUT-like sequences were found among cDNAs from alpha- or beta-cells. Both cell types expressed 43-kDa GLUT1 protein which was enhanced by culture. The 62-kDa beta-cell GLUT2 protein was converted to a 58-kDa protein after trypsin treatment of the cells without detectable consequences upon glucose transport kinetics. In beta-cells, the rates of glucose transport were 10-fold higher than in alpha-cells. In both cell types, glucose uptake exceeded the rates of glucose utilization by a factor of 10 or more. Glycolytic flux, measured as D-[5(3)H]glucose utilization, was comparable in alpha- and beta-cells between 1 and 10 mmol/liter substrate. In conclusion, differences in glucose transporter gene expression between alpha- and beta-cells can be correlated with differences in glucose transport kinetics but not with different glucose utilization rates.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Impact of tight glycemic control on cerebral glucose metabolism after severe brain injury: a microdialysis study.

OBJECTIVES: To analyze the effect of tight glycemic control with the use of intensive insulin therapy on cerebral glucose metabolism in patients with severe brain injury. DESIGN: Retrospective analysis of a prospective observational cohort. SETTING: University hospital neurologic intensive care unit. PATIENTS: Twenty patients (median age 59 yrs) monitored with cerebral microdialysis as part of their clinical care. INTERVENTIONS: Intensive insulin therapy (systemic glucose target: 4.4-6.7 mmol/L [80-120 mg/dL]). MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Brain tissue markers of glucose metabolism (cerebral microdialysis glucose and lactate/pyruvate ratio) and systemic glucose were collected hourly. Systemic glucose levels were categorized as within the target "tight" (4.4-6.7 mmol/L [80-120 mg/dL]) vs. "intermediate" (6.8-10.0 mmol/L [121-180 mg/dL]) range. Brain energy crisis was defined as a cerebral microdialysis glucose <0.7 mmol/L with a lactate/pyruvate ratio >40. We analyzed 2131 cerebral microdialysis samples: tight systemic glucose levels were associated with a greater prevalence of low cerebral microdialysis glucose (65% vs. 36%, p < 0.01) and brain energy crisis (25% vs.17%, p < 0.01) than intermediate levels. Using multivariable analysis, and adjusting for intracranial pressure and cerebral perfusion pressure, systemic glucose concentration (adjusted odds ratio 1.23, 95% confidence interval [CI] 1.10-1.37, for each 1 mmol/L decrease, p < 0.001) and insulin dose (adjusted odds ratio 1.10, 95% CI 1.04-1.17, for each 1 U/hr increase, p = 0.02) independently predicted brain energy crisis. Cerebral microdialysis glucose was lower in nonsurvivors than in survivors (0.46 +/- 0.23 vs. 1.04 +/- 0.56 mmol/L, p < 0.05). Brain energy crisis was associated with increased mortality at hospital discharge (adjusted odds ratio 7.36, 95% CI 1.37-39.51, p = 0.02). CONCLUSIONS: In patients with severe brain injury, tight systemic glucose control is associated with reduced cerebral extracellular glucose availability and increased prevalence of brain energy crisis, which in turn correlates with increased mortality. Intensive insulin therapy may impair cerebral glucose metabolism after severe brain injury.

Changes in insulin secretion and glucose metabolism induced by dexamethasone in lean and obese females

Résumé But: Chez les individus sveltes et en bonne santé, les modifications de la sensibilité à l'insuline secondaires à l'administration de dexaméthasone pendant deux jours sont compensées par une modification de la sécrétion d'insuline, permettant le maintien de l'homéostasie glucidique. Cette étude évalue les modifications du métabolisme glucidique et de la sécrétion d'insuline induites par une administration limitée de dexaméthasone chez les femmes obèses. Méthode de recherche: Onze femmes obèses ayant une tolérance au glucose normale ont été étudiées à deux reprises, 1° sans dexaméthasone et 2° après deux jours d'administration de dexaméthasone à faible dose. Un clamp hyperglycémique comportant deux plateaux (taux plasmatique de glucose à 7.5, respectivement 10 mM) avec du glucose marqué (6.6 ²H2 glc) a été utilisé pour déterminer la sécrétion d'insuline et le métabolisme du glucose du corps entier. Les résultats ont été comparés à ceux d'un groupe de huit femmes sveltes. Résultats : Sans dexaméthasone, les femmes obèses avaient un taux d'insuline plasmatique supérieur à jeun, durant le premier pic de sécrétion d'insuline, et aux deux plateaux hyperglycémiques. Elles avaient toutefois un métabolisme glucidique normal comparé à celui des femmes sveltes, ce qui indique une compensation adéquate. Après administration de la dexaméthasone, les femmes obèses avaient une augmentation du taux d'insuline plasmatique de 66 à 92%, mais une baisse de stockage du glucose de 15.4%. Ceci contrastait avec l'augmentation du taux d'insuline plasmatique de 91 à 113% chez les femmes sveltes et l'absence de changement de stockage du glucose du corps entier. Discussion : L'administration de dexaméthasone conduit à une baisse significative du stockage du glucose du corps entier pour une glycémie fixée chez les femmes obèses mais non chez les femmes sveltes. Ceci indique que les femmes obèses sont incapables d'accroître adéquatement leur sécrétion d'insuline. Abstract: Objective: In healthy lean individuals, changes in insulin sensitivity occurring as a consequence of a 2-day dexamethasone administration are compensated for by changes in insulin secretion, allowing glucose homeostasis to be maintained. This study evaluated the changes in glucose metabolism and insulin secretion induced by short-term dexamethasone administration in obese women. Research Methods and Procedures: Eleven obese women with normal glucose tolerance were studied on two occasions, without and after 2 days of low-dose dexamethasone administration. A two-step hyperglycemic clamp (7.5 and 10 mr1/1 glucose) with 6,6 2H2 glucose was used to assess insulin secretion and whole body glucose metabolism. Results were compared with those obtained in a group of eight lean women. Results: Without dexamethasone, obese women had higher plasma insulin concentrations in the fasting state, during the first phase of insulin secretion, and at the two hyperglycemic plateaus. However, they had normal whole body glucose metabolism compared with lean women, indicating adequate compensation. After dexamethasone, obese women had a 66% to 92% increase in plasma insulin concentrations but a 15.4% decrease in whole body glucose disposal. This contrasted with lean women, who had a 91% to 113% increase in plasma insulin concentrations, with no change in whole body glucose disposal. Discussion: Dexamethasone administration led to a significant reduction in whole body glucose disposal at fixed glycemia in obese but not lean women. This indicates that obese women are unable to increase their insulin secretion appropriately.

Mécanismes moléculaires de la sécrétion d'insuline : implication de Slac2c/MyRIP, protéine effectrice de Rab27a, et rôle des phosphoinositides dans le processus d'exocytose

Résumé : La sécrétion de l'insuline en réponse au glucose circulant dans le sang est la fonction principale de la cellule β. La perte de cette fonction est une des caractéristiques du diabète de type 2. L'exocytose est une fonction cellulaire indispensable au renouvellement des composants lipidiques et protéiques de la membrane cellulaire, à la communication entre les cellules et au maintien d'un environnement adéquat. On peut distinguer deux types d'exocytose : l'exocytose constitutive et l'exocytose régulée. Cette dernière est déclenchée par des stimuli externes. L'exocytose régulée est contrôlée au niveau de la fusion des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Certains composants moléculaires impliqués dans ce processus font partie de la famille des GTPases Rab. Les deux membres de cette famille impliqués sont Rab3 et Rab27. Nous avons étudié le rôle de la GTPase Rab27 dans les cellules INS-1E, une lignée cellulaire pancréatique β qui sécrète de l'insuline de façon régulée. Nous avons trouvé que la diminution d'expression de la protéine en utilisant le technique de « RNA interference » diminue la sécrétion stimulée, mais que la distribution des granules n'est nullement affectées par ce changement d'activité intrinsèque. Un des effecteurs identifiés de cette GTPase est Slac2c/MyRIP. Cette protéine possède plusieurs domaines fonctionnels dont un qui lui permet de se lier à l'actine, constituant du cytosquelette cellulaire. L'ensemble de nos résultats suggèrent que Rab27 et MyRIP font partie d'un complexe permettant l'interaction de la granule de sécrétion avec le cytosquelette d'actine corticale et participent à la régulation des dernières étapes de l'exocytose d'insuline. Ensuite, nous avons étudié les phosphoinositides (PI). Les phosphoinositides sont d'importantes molécules impliquées dans le régulation du trafic vésiculaire. Nous avons trouvé que le phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) et le phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) augmentent la sécrétion sous l'action de 10µM de Ca2+ dans les cellules INS-1E perméabilisées avec la streptolysine-O. En plus, nous avons démontré que l'exocytose est diminuée dans les cellules intactes exprimant une protéine qui séquestre le PI(4,5)P2. Une diminution similaire est observée en diminuant l'expression de deux enzymes impliquées dans la production du PI(4,5)P2, la PI4Kinase β type III et la PIP5Kinase γ type I. Pour clarifier le mécanisme d'action des PI, nous avons investigué l'implication de trois cibles potentielles des PI, la PLD1, CAPS1 et Mint1. Pour ce faire, nous avons réduit le niveau d'expression endogène de ces protéines, ce qui inhibe la libération d'hormones provoquée par le glucose. Tout ceci indique donc que la production du PI(4,5)P2 est nécessaire pour le contrôle de la sécrétion et suggère qu'une partie de l'effet du PI sur la sécrétion pourrait être exercé par l'activation de la PLD1, CAPS1 et Mint1. Abstract Insulin release from pancreatic β-cells plays an essential role in the achievement of blood glucose homeostasis and defects in the regulation of this process lead to profound metabolic disorders and hyperglycaemia (eg. type 2 diabetes). Almost every cell in our organism releases proteins and other biological compounds using a fundamental cellular process known as constitutive exocytosis. In exocrine and endocrine glands, the cells are endowed with an additional and more refined release mechanism directly tuned by extracellular signals. This process, referred to as regulated exocytosis, ensures the timely delivery of molecules such as peptide hormones and digestive enzymes to match the moment¬-to-moment requirements of the organism. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including Rab3 and Rab27, two GTPases that regulate the final steps of secretion in many cells. We investigated the involvement of Rab27 GTPase in the secretory process of the insulin-secreting cell line INS-1E. We found that selective reduction of Rab27 expression by RNA interference did not alter granule distribution but impaired exocytosis triggered by insulin secretagogues. Screening for potential effectors revealed that Slac2c/MyRIP is associated with granules and attenuation of Slac2c expression severely impaired hormone release. This protein contains several functional domains, including, a binding domain for the cellular cytoskeleton constituent actin. Taken together our data suggest the Rab27 and MyRIP are part of a complex mediating the interaction of secretory granules with cortical cytoskeleton and participate to the regulation of the final steps in insulin exoctytosis. In the second part of the thesis, we studied phosphoinositides (PI). Phosphoinositides are important molecules involved in the regulation of vesicular trafficking. We found that phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) and phosphatidylinosito1-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) increase the secretory response triggered by 10µM Ca2+ in streptolysin-O permeabilized insulin-secreting INS-1E cells. In addition, nutrient-induced exocytosis was diminished in intact cells expressing constructs that sequester PI(4,5)P2. A similar decrease was observed after silencing of two enzymes involved in PI(4,5)P2 production, type III PI4Kinase β and type I PIP5Kinase γ, by RNA interference. To clarify the mechanism of action of PI, we investigated the involvement in the regulation of exocytosis of three potential PI targets, PLD1, CAPS1 and Mint1. Transfection of cells with silencers capable of reducing the endogenous levels of these proteins inhibited hormone release elicited by glucose. Our data indicate that the production PI(4,5)P2 is necessary for proper control of p-cell secretion and suggest that at least part of the effects of PI on insulin exocytosis could be exerted through the activation of PLD1, CAPS1 and Mint1.

Interactions of dietary whole-grain intake with fasting glucose- and insulin-related genetic loci in individuals of European descent: a meta-analysis of 14 cohort studies.

Whole-grain foods are touted for multiple health benefits, including enhancing insulin sensitivity and reducing type 2 diabetes risk. Recent genome-wide association studies (GWAS) have identified several single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with fasting glucose and insulin concentrations in individuals free of diabetes. We tested the hypothesis that whole-grain food intake and genetic variation interact to influence concentrations of fasting glucose and insulin. Via meta-analysis of data from 14 cohorts comprising ∼ 48,000 participants of European descent, we studied interactions of whole-grain intake with loci previously associated in GWAS with fasting glucose (16 loci) and/or insulin (2 loci) concentrations. For tests of interaction, we considered a P value <0.0028 (0.05 of 18 tests) as statistically significant. Greater whole-grain food intake was associated with lower fasting glucose and insulin concentrations independent of demographics, other dietary and lifestyle factors, and BMI (β [95% CI] per 1-serving-greater whole-grain intake: -0.009 mmol/l glucose [-0.013 to -0.005], P < 0.0001 and -0.011 pmol/l [ln] insulin [-0.015 to -0.007], P = 0.0003). No interactions met our multiple testing-adjusted statistical significance threshold. The strongest SNP interaction with whole-grain intake was rs780094 (GCKR) for fasting insulin (P = 0.006), where greater whole-grain intake was associated with a smaller reduction in fasting insulin concentrations in those with the insulin-raising allele. Our results support the favorable association of whole-grain intake with fasting glucose and insulin and suggest a potential interaction between variation in GCKR and whole-grain intake in influencing fasting insulin concentrations.

Nervous glucose sensing regulates postnatal β cell proliferation and glucose homeostasis.

How glucose sensing by the nervous system impacts the regulation of β cell mass and function during postnatal development and throughout adulthood is incompletely understood. Here, we studied mice with inactivation of glucose transporter 2 (Glut2) in the nervous system (NG2KO mice). These mice displayed normal energy homeostasis but developed late-onset glucose intolerance due to reduced insulin secretion, which was precipitated by high-fat diet feeding. The β cell mass of adult NG2KO mice was reduced compared with that of WT mice due to lower β cell proliferation rates in NG2KO mice during the early postnatal period. The difference in proliferation between NG2KO and control islets was abolished by ganglionic blockade or by weaning the mice on a carbohydrate-free diet. In adult NG2KO mice, first-phase insulin secretion was lost, and these glucose-intolerant mice developed impaired glucagon secretion when fed a high-fat diet. Electrophysiological recordings showed reduced parasympathetic nerve activity in the basal state and no stimulation by glucose. Furthermore, sympathetic activity was also insensitive to glucose. Collectively, our data show that GLUT2-dependent control of parasympathetic activity defines a nervous system/endocrine pancreas axis that is critical for β cell mass establishment in the postnatal period and for long-term maintenance of β cell function.