Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

La résistance à l’insuline en insuffisance rénale chronique et le risque de développer un diabète de type 2 : un cercle vicieux

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est caractérisée par de multiples déséquilibres homéostatiques tels que la résistance à l’insuline. Peu d’études se sont intéressées aux mécanismes sous-jacents à cette résistance à l’insuline en IRC. De plus, il est méconnu si cette résistance à l’insuline peut mener au développement d’un diabète de type II chez des patients prédisposés. Dans un modèle d’IRC, le rat Sprague-Dawley (CD) néphrectomisé 5/6e, on observe une corrélation entre la gravité de l’atteinte rénale, évaluée par la créatinine sérique, et l’hyperglycémie, évaluée par la fructosamine sérique (R2 = 0.6982, p < 0.0001). Cependant, cet état hyperglycémique n’est pas observable lors d’une glycémie à jeun. Lors d’un test de tolérance au glucose, on observe une plus grande élévation de la glycémie (AUC 1.25 fois, p < 0.0001) chez le rat atteint d’IRC. Par contre, la sécrétion d’insuline au cours de ce même test n’augmente pas significativement (AUC ≈ 1.30 fois, N.S.) en comparaison aux rats témoins. Malgré une élévation des taux d’insuline en IRC suivant un bolus de glucose, les tissus périphériques ne montrent pas d’augmentation de la captation du glucose sanguin suggérant un défaut d’expression et/ou de fonction des transporteurs de glucose chez ces rats. En effet, on observe une diminution de ces transporteurs dans divers tissus impliqués dans le métabolisme du glucose tel que le foie (≈ 0.60 fois, p < 0.01) et le muscle (GLUT1 0.73 fois, p < 0.05; GLUT4 0.69 fois, p < 0.01). En conséquence, une diminution significative du transport insulinodépendant du glucose est observable dans le muscle des rats atteint d’IRC (≈ 0.63 fois, p < 0.0001). Puisque les muscles sont responsables de la majorité de la captation insulinodépendante du glucose, la diminution de l’expression du GLUT4 pourrait être associée à la résistance à l’insuline observée en IRC. La modulation de l’expression des transporteurs de glucose pourrait être à l’origine de la résistance à l’insuline en IRC. Cela dit, d’autres mécanismes peuvent aussi être impliqués. En dépit de cette importante perturbation du transport du glucose, nous n’avons pas observé de cas de diabète de type II chez le rat CD atteint d’IRC. Dans un modèle de rat atteint d’un syndrome métabolique, le rat Zucker Leprfa/fa, l’IRC provoque une forte hyperglycémie à jeun (1.5 fois, p < 0.0001). De plus, l’IRC chez le rat Zucker provoque une réponse glycémique (AUC 1.80 fois, p < 0.0001) exagérée lors d’un test de tolérance au glucose. Une forte résistance à l’insuline est mesurée au niveau des muscles puisque la dose usuelle d’insuline (2mU/mL) n’est pas suffisante pour stimuler la captation du glucose chez le rat Zucker atteint d’IRC. De plus, une modulation similaire des transporteurs de glucose peut être observée chez ces deux espèces. Par contre, environ 30% (p < 0.001) des rats Zucker atteints d’IRC avaient une glycosurie. L’IRC en soi ne mènerait donc pas au développement d’un diabète de type II. Par contre, lorsqu’une résistance à l’insuline est présente antérieurement au développement d’une IRC, cela pourrait précipiter l’apparition d’un diabète de type II chez ces patients prédisposés.

La résistance à l’insuline en insuffisance rénale chronique et le risque de développer un diabète de type 2 : un cercle vicieux

L’insuffisance rénale chronique (IRC) est caractérisée par de multiples déséquilibres homéostatiques tels que la résistance à l’insuline. Peu d’études se sont intéressées aux mécanismes sous-jacents à cette résistance à l’insuline en IRC. De plus, il est méconnu si cette résistance à l’insuline peut mener au développement d’un diabète de type II chez des patients prédisposés. Dans un modèle d’IRC, le rat Sprague-Dawley (CD) néphrectomisé 5/6e, on observe une corrélation entre la gravité de l’atteinte rénale, évaluée par la créatinine sérique, et l’hyperglycémie, évaluée par la fructosamine sérique (R2 = 0.6982, p < 0.0001). Cependant, cet état hyperglycémique n’est pas observable lors d’une glycémie à jeun. Lors d’un test de tolérance au glucose, on observe une plus grande élévation de la glycémie (AUC 1.25 fois, p < 0.0001) chez le rat atteint d’IRC. Par contre, la sécrétion d’insuline au cours de ce même test n’augmente pas significativement (AUC ≈ 1.30 fois, N.S.) en comparaison aux rats témoins. Malgré une élévation des taux d’insuline en IRC suivant un bolus de glucose, les tissus périphériques ne montrent pas d’augmentation de la captation du glucose sanguin suggérant un défaut d’expression et/ou de fonction des transporteurs de glucose chez ces rats. En effet, on observe une diminution de ces transporteurs dans divers tissus impliqués dans le métabolisme du glucose tel que le foie (≈ 0.60 fois, p < 0.01) et le muscle (GLUT1 0.73 fois, p < 0.05; GLUT4 0.69 fois, p < 0.01). En conséquence, une diminution significative du transport insulinodépendant du glucose est observable dans le muscle des rats atteint d’IRC (≈ 0.63 fois, p < 0.0001). Puisque les muscles sont responsables de la majorité de la captation insulinodépendante du glucose, la diminution de l’expression du GLUT4 pourrait être associée à la résistance à l’insuline observée en IRC. La modulation de l’expression des transporteurs de glucose pourrait être à l’origine de la résistance à l’insuline en IRC. Cela dit, d’autres mécanismes peuvent aussi être impliqués. En dépit de cette importante perturbation du transport du glucose, nous n’avons pas observé de cas de diabète de type II chez le rat CD atteint d’IRC. Dans un modèle de rat atteint d’un syndrome métabolique, le rat Zucker Leprfa/fa, l’IRC provoque une forte hyperglycémie à jeun (1.5 fois, p < 0.0001). De plus, l’IRC chez le rat Zucker provoque une réponse glycémique (AUC 1.80 fois, p < 0.0001) exagérée lors d’un test de tolérance au glucose. Une forte résistance à l’insuline est mesurée au niveau des muscles puisque la dose usuelle d’insuline (2mU/mL) n’est pas suffisante pour stimuler la captation du glucose chez le rat Zucker atteint d’IRC. De plus, une modulation similaire des transporteurs de glucose peut être observée chez ces deux espèces. Par contre, environ 30% (p < 0.001) des rats Zucker atteints d’IRC avaient une glycosurie. L’IRC en soi ne mènerait donc pas au développement d’un diabète de type II. Par contre, lorsqu’une résistance à l’insuline est présente antérieurement au développement d’une IRC, cela pourrait précipiter l’apparition d’un diabète de type II chez ces patients prédisposés.

Rôle du facteur de transcription HNF1α dans la promotion du diabète par l’intermédiaire d’hormones intestinales

HNF1α (hepatocyte nuclear factor-1α) est un facteur de transcription exprimé dans le foie, le pancréas, les reins, l’estomac, l’intestin grêle et le côlon. Il a été démontré que des mutations du gène codant pour cette protéine sont associées à un diabète non insulinodépendant MODY3. De plus, les souris déficientes pour l’expression de Hnf1α souffrent d’hyperglycémie. Ces animaux mutants semblent produire de l’insuline mais présentent cependant une altération de la sécrétion de cette hormone au niveau du pancréas. Dans une précédente étude, nous avons démontré que certains marqueurs de cellules entéroendocrines impliqués dans l’homéostasie du glucose étaient modulés chez les animaux mutants comparativement aux animaux contrôles notamment la ghréline, le Gip, la somatostatine. Notre hypothèse de recherche est que la perte de Hnf1α conditionne la promotion du diabète par l’intermédiaire d’hormones intestinales. Nous avons observé, chez les animaux mutants, une augmentation de l’expression du transcrit, du nombre de cellules positives ainsi que des taux plasmatiques de ghréline. Cette hormone étant reliée à l’homéostasie du glucose, nous avons suivi les variations de la glycémie et des taux d’insuline chez nos animaux. Nous avons observé une hyperglycémie accompagnée d’une diminution des taux d’insuline chez nos animaux mutants. Ces souris présentent une prise alimentaire augmentée, une polyurie et une polydipsie élevées, symptômes connus du diabète. Le traitement de 6 jours sur les souris Hnf1α[indice supérieur -/-] avec un antagoniste commercial du récepteur à la ghréline GHSR1a, le (D-Lys3)-GHRP-6 de BACHEM®, montre un rétablissement de la glycémie proche des valeurs normales, de même qu’une augmentation significative des taux d’insuline plasmatiques des souris traitées, une diminution de la polyurie, de la polydipsie et de la glycosurie. Les souris mutantes traitées avec cet antagoniste voient leur tolérance au glucose améliorée même en cas de choc glycémique. Nous avons, enfin, documenté la régulation possible de Hnf1α vis-à-vis du gène codant pour la ghréline. Des infections lentivirales, réalisées sur des cellules MIN6 avec un shARN dirigé contre le transcrit Hnf1α, montrent une augmentation des taux d’expression du transcrit ghréline. Nous avons également mis en évidence l’interaction physique entre Hnf1α et le promoteur ghréline en plusieurs sites par des expériences d’immunoprécipitation de la chromatine. L’ensemble de ces résultats suggère que la perte de Hnf1α chez la souris joue un rôle dans la promotion de l’hyperglycémie par l’intermédiaire d’une dérégulation de la production de ghréline.

Effet de différents ratios d’acides linoléique/α-linolénique et de l’entérolactone sur les marqueurs du métabolisme des lipides, d’inflammation et de stress oxydatif dans un modèle in vitro de culture de tissus hépatiques bovins

Chez la vache laitière à haut rendement, la période de transition entourant la parturition est généralement accompagnée d’un déficit énergétique, d’un métabolisme des lipides perturbé et d’une augmentation de l’inflammation et du stress oxydatif. Afin d’améliorer la balance énergétique et de diminuer certains effets négatifs associés à la période de transition, il est fréquent que les producteurs administrent des diètes riches en lipides (ex. Mégalac®, riche en acide palmitique) aux vaches laitières à haut rendement. Par exemple, l’ajout de lipides saturés à la ration améliore la balance énergétique et diminue l’accumulation des triglycérides dans le foie. Cependant, plusieurs troubles métaboliques demeurent, tels que l’inflammation et le stress oxydatif, pouvant être observés entre autres au niveau du foie. Comme alternative aux lipides saturés, l’ajout d’acides gras polyinsaturés (AGPIs) pourrait contribuer à améliorer la balance énergétique tout en diminuant certains effets négatifs associés à la période de transition. Toutefois, les AGPIs sont sujets aux phénomènes de peroxydation ce qui pourrait augmenter le stress oxydatif chez l’animal. Pour limiter ces dommages oxydatifs, l’utilisation de la graine de lin entière, riche en acides gras oméga-3 (n-3) et en lignans (antioxydants), en supplément alimentaire apparaît comme une avenue prometteuse. Des travaux antérieurs rapportent qu’une supplémentation en différents dérivés de la graine de lin (ex. AGPIs, lignans) module l’expression de certains gènes impliqués dans la réponse au stress oxydatif et le métabolisme des lipides dans la glande mammaire de la vache laitière. Cependant, il n’existe aucune étude rapportant l’effet de divers composés de la graine de lin sur le métabolisme lipidique et certains marqueurs de stress oxydatif dans le foie de la vache laitière. Ce projet de recherche a été réalisé afin de déterminer les effets de différents ratios d’acides linoléique (LA)/acide alpha-linolénique (ALA) (n-6/n-3, AGPI) en présence ou non d’entérolactone (ENL, lignan mammalien) sur (1) l’expression hépatique de gènes liés au métabolisme des lipides, au processus inflammatoire et au stress oxydatif, (2) les dommages aux lipides et aux protéines et (3) l’activité de l’enzyme superoxyde dismutase (SOD) dans le foie de la vache laitière en début de lactation. Un modèle in vitro de culture de tissu hépatique en tranches minces a été utilisé puisqu’il permet de préserver les interactions cellules-matrice et entre les cellules. Les gènes sélectionnés ont été choisis en se référant à diverses études antérieures et incluent certains gènes différentiellement exprimés dans le foie et la glande mammaire de la vache laitière en période de transition. Des régulateurs de la transcription (ex. MLXIPL et SREBF1), de même que leurs gènes cibles ont été priorisés. Les tissus issus de biopsies hépatiques de vaches Holstein en début de lactation ont été mis en culture et soumis à huit traitements composés de différents ratios d’AGPIs n-6/n-3, d’ENL et d’une combinaison des deux. Suite à ces traitements, les niveaux d’ARNm des gènes sélectionnés ont été mesurés par PCR quantitatif (RT-qPCR). Les dommages aux lipides ont été mesurés par l’essai des « thiobarbituric acid reactive substances » (TBARS) et les dommages aux protéines par une analyse des protéines carbonyles. Finalement, un essai enzymatique a été effectué pour mesurer l’activité de la SOD, une enzyme jouant un rôle dans le système de défense contre les radicaux libres. Les résultats de cette étude démontrent que l’ajout d’AGPIs (LA et ALA) dans le milieu de culture augmente l’expression de certains gènes liés au stress oxydatif (NQO1, PRDX3, PTGS2 et SOD1) et diminue l’expression de plusieurs gènes liés à l’activité lipogénique (ACACA, FASN, SCD et SREBF1). L’addition d’ENL dans le milieu de culture augmente l’abondance de l’ARNm des gènes cibles de MLXIPL, soit FASN et SCD, deux gènes impliqués dans l’activité lipogénique. Cette régulation à la hausse suggère qu’une supplémentation en tourteau ou en farine de lin (riche an lignans) en début de lactation pourrait avoir des effets non désirés et augmenter le risque de stéatose hépatique. Les analyses de peroxydation des lipides ont révélés une augmentation des dommages aux lipides en présence des AGPIs et un retour aux valeurs du traitement contrôle lorsque l’ENL est ajouté aux AGPIs. Une augmentation similaire est observée pour l’activité de la SOD avec l’ajout des AGPIs au milieu de culture, ainsi qu’un retour aux valeurs contrôle lorsque l’ENL est ajouté aux AGPIs. Ces résultats suggèrent qu’une supplémentation en graines de lin entières serait bénéfique en début de lactation puisque les AGPIs pourraient diminuer l’activité lipogénique au niveau du foie, alors que les lignans présents naturellement dans l’écorce de la graine de lin, pourraient réduire le stress oxydatif et les dommages aux lipides provoqués par des niveaux élevés en AGPIs.

Rôle de SOCS1 dans l’immunogénicité de la tumeur en particulier au niveau du carcinome hépatocellulaire

Résumé : Le carcinome hépatocellulaire (HCC) est la troisième cause commune de décès de cancer et affecte plus les hommes que les femmes. Le HCC résulte d’une dérégulation des voies de signalisation impliquées dans l’initiation de l’inflammation menant ainsi à des répercussions désastreuses. De part la complexité de ce type de cancer, les traitements qui existent à ce jour ne sont pas très prometteurs et ont un faible pourcentage de « rémission ». L’immunothérapie soulève beaucoup d’espoir quant à l’orientation vers un traitement efficace plausible. En effet, plusieurs suppresseurs de tumeur se retrouvent réprimés, parmi lesquels le SOCS1. C’est dans cette optique que nos recherches se sont orientées en mettant la lumière sur le SOCS1 «suppresseur de signalisation des cytokines 1 (SOCS1) » qui est réprimé au niveau du HCC et dont la restauration pourrait contribuer à un pronostic favorable à la rémission. La protéine SOCS1 a beaucoup attisé la curiosité des chercheurs de part son rôle suppresseur de tumeur. Pour comprendre les mécanismes d’action de SOCS1 et son implication dans la neutralisation de la tumeur, nous avons généré trois types stables de la lignée cellulaire du carcinome hépatocellulaire de souris Hepa1-6, une portant un vecteur vide, l’autre exprimant le type sauvage du gène SOCS1 (SOCS1-WT; Hepa-S) et une portant une mutation au niveau du domaine SH2 (SOCS1-R105K; Hepa-R). Le mutant ne peut plus inhiber la signalisation des cytokines. Lors de l'implantation sous-cutanée des cellules Hepa1-6 modifiées, chez des souris C57BL/6 et NOD.scid.gamma (NSG). Nous avons observé que les cellules Hepa1-6 exprimant le vecteur de contrôle (Hepa-V) formaient de grosses tumeurs tandis que les cellules Hepa-S formaient de petites tumeurs chez les deux types de souris. Les cellules Hepa-R quant à elles, formaient de grosses tumeurs seulement chez des souris immunodéficientes (NSG) mais montraient une croissance nettement retardée lorsqu’elles étaient greffées aux souris (C57BL/6) immunocompétentes. Partant de ce constat intrigant, nous avons postulé que SOCS1 favorise l'immunogénicité des cellules tumorales par son domaine SOCS Box. Par conséquent, les cellules Hepa-R offrent une occasion unique de démêler le potentiel pro-immunogène de SOCS1, et ceci dans le but d'élucider les fonctions immunogènes de SOCS1 dans le cancer du foie. Jusqu'à présent aucune précédente recherche ne s’est aventurée à chercher l’implication de SOCS1 dans l’augmentation de l’immunogénicité.