Incrétines, secretion d'insuline et diabète

Nutrient ingestion triggers a complex hormonal response aimed at stimulating glucose utilization in liver, muscle and adipose tissue to minimize the raise in blood glucose levels. Insulin secretion by pancreatic beta cells plays a major role in this response. Although the beta cell secretary response is mainly controlled by blood glucose levels, gut hormones secreted in response to food intake have an important role in potentiating glucose-stimulated insulin secretion. These gluco-incretin hormones are GLP-1 (glucagon-like peptide-1) and GIP (gluco-dependent insulinotropic polypeptide). Their action on pancreatic beta cells depends on binding to specific G-coupled receptors linked to activation of the adenylyl cyclase pathway. In addition to their effect on insulin secretion both hormones also stimulate insulin production at the transcriptional and translational level and positively regulate beta cell mass. Because the glucose-dependent insulinotropic action of GLP-1 is preserved in type 2 diabetic patients, this peptide is now developed as a novel therapeutic drug for this disease.

Macrophage migration inhibitory factor deficiency leads to age-dependent impairment of glucose homeostasis in mice.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is a proinflammatory cytokine produced by many cells and tissues including pancreatic beta-cells, liver, skeletal muscle, and adipocytes. This study investigates the potential role of MIF in carbohydrate homeostasis in a physiological setting outside of severe inflammation, utilizing Mif knockout (MIF-/-) mice. Compared with wild-type (WT) mice, MIF-/- mice had a lower body weight, from birth until 4 months of age, but subsequently gained weight faster, resulting in a higher body weight at 12 months of age. The lower weight in young mice was related to a higher energy expenditure, and the higher weight in older mice was related to an increased food intake and a higher fat mass. Fasting blood insulin level was higher in MIF-/- mice compared with WT mice at any age. After i.p. glucose injection, the elevation of blood insulin level was higher in MIF-/- mice compared with WT mice, at 2 months of age, but was lower in 12-month-old MIF-/- mice. As a result, the glucose clearance during intraperitoneal glucose tolerance tests was higher in MIF-/- mice compared with WT mice until 4 months of age, and was lower in 12-month-old MIF-/- mice. Insulin resistance was estimated (euglycemic-hyperinsulinemic clamp tests), and the phosphorylation activity of AKT was similar in MIF-/- mice and WT mice. In conclusion, this mouse model provides evidence for the role of MIF in the control of glucose homeostasis.

Consequences of modified lipid and glucose metabolism on peripheral nervous system structure and function

284 million people worldwide suffered from type 2 diabetes mellitus (T2DM) in 2010, which will, in approximately half of them, lead to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). Although DPN is the most common complication of diabetes mellitus and the leading cause of non-traumatic amputations its pathophysiology is still poorly understood. To get more insight into the molecular mechanism underlying DPN in T2DM, I used a rodent model of T2DM, the db/db mice.¦ln vivo electrophysiological recordings of diabetic animals indicated that in addition to reduced nerve conduction velocity db/db mice also present increased nerve excitability. Further ex vivo evaluation of the electrophysiological properties of db/db nerves clearly established a presence of the peripheral nerve hyperexcitability (PNH) phenotype in diabetic animals. Using pharmacological inhibitors we demonstrated that PNH is mostly mediated by the decreased activity of Kv1 channels. ln agreement with these data 1 observed that the diabetic condition led to a reduced presence of the Kv1.2 subunits in juxtaparanodal regions of db/db peripheral nerves whereas its mANA and protein expression levels were not affected. Lmportantly, I confirmed a loss of juxtaparanodal Kv1.2 subunits in nerve biopsies from type 2 diabetic patients. Together these observations indicate that the type 2 diabetic condition leads to potassium-channel mediated changes of nerve excitability thus identifying them as potential drug targets to treat sorne of the DPN related symptoms.¦Schwann cells ensheath and isolate peripheral axons by the production of myelin, which consists of lipids and proteins in a ratio of 2:1. Peripheral myelin protein 2 (= P2, Pmp2 or FABP8) was originally described as one of the most abundant myelin proteins in the peripheral nervous system. P2, which is a member of the fatty acid binding protein (FABP) family, is a 14.8 kDa cytosolic protein expressed on the cytoplasmic side of compact myelin membranes. As indicated by their name, the principal role of FABPs is thought to be the binding and transport of fatty acids.¦To study its role in myelinating glial cells I have recently generated a complete P2 knockout mouse model (P2-/-). I confirmed the loss of P2 in the sciatic nerve of P2-/- mice at the mRNA and protein level. Electrophysiological analysis of the adult (P56) mutant mice revealed a mild but significant reduction in the motor nerve conduction velocity. lnterestingly, this functional change was not accompanied by any detectable alterations in general myelin structure. However, I have observed significant alterations in the mRNA expression level of other FABPs, predominantly FABP9, in the PNS of P2-/- mice as compared to age-matched P2+/+ mice indicating a role of P2 in the glial myelin lipid metabolism.¦Le diabète de type 2 touche 284 million de personnes dans le monde en 2010 et son évolution conduit dans la moitié des cas à une neuropathie périphérique diabétique. Bien que la neuropathie périphérique soit la complication la plus courante du diabète pouvant conduire jusqu'à l'amputation, sa physiopathologie est aujourd'hui encore mal comprise. Dans le but d'améliorer les connaissances moléculaires expliquant les mécanismes de la neuropathie liée au diabète de type 2, j'ai utilisé un modèle murin du diabète de type 2, les souris db/db.¦ln vivo, les enregistrements éléctrophysiologiques des animaux diabétiques montrent qu'en plus d'une diminution de la vitesse de conduction nerveuse, les souris db/db présentent également une augmentation de l'excitabilité nerveuse. Des mesures menées Ex­ vivo ont montré l'existence d'un phénotype d'hyperexcitabilité sur les nerfs périphériques isolés d'animaux diabétiques. Grâce à l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques, nous avons pu démontrer que l'hyperexcitabilité démontrée était due à une réduction d'activité des canaux Kv1. En accord avec ces données, j'ai observé qu'une situation de diabète conduisait à une diminution des canaux Kv1.2 aux régions juxta-paranodales des nerfs périphériques db/db, alors que l'expression du transcrit et de la protéine restait stable. J'ai également confirmé l'absence de canaux Kv1.2 aux juxta-paranoeuds de biopsies de nerfs de patients diabétiques. L'ensemble de ces observations montrent que les nerfs périphériques chez les patients atteints de diabète de type 2 est due à une diminution des canaux potassiques rapides juxtaparanodaux les identifiant ainsi comme des cibles thérapeutiques potentielles.¦Les cellules de Schwann enveloppent et isolent les axones périphériques d'une membrane spécialisée, la myéline, composée de deux fois plus de lipides que de protéines. La protéine P2 (Pmp2 "peripheral myelin protein 2" ou FABP8 "fatty acid binding protein") est l'une des protéines les plus abondantes au système nerveux périphérique. P2 appartient à la famille de protéines FABP liant et transportant les acides gras et est une protéine cytosolique de 14,8 kDa exprimée du côté cytoplasmique de la myéline compacte.¦Afin d'étudier le rôle de P2 dans les cellules de Schwann myélinisantes, j'ai généré une souris knockout (P2-/-). Après avoir validé l'absence de transcrit et de protéine P2 dans les nerfs sciatiques P2-/-, des mesures électrophysiologiques ont montré une réduction modérée mais significative de la vitesse de conduction du nerf moteur périphérique. Il est important de noter que ces changements fonctionnels n'ont pas pu être associés à quelconque changement dans la structure de la myéline. Cependant, j'ai observé dans les nerfs périphériques P2-/-, une altération significative du niveau d'expression d'ARNm d'autres FABPs et en particulier FABP9. Ce dernier résultat démontre l'importance du rôle de la protéine P2 dans le métabolisme lipidique de la myéline.

Evolution of glucose induced thermogenesis in obese subjects with and without diabetes: a six-year follow-up study.

The thermogenic response to a 100 g oral glucose load was measured prospectively (by indirect calorimetry) in three groups of obese subjects: (1) normal glucose tolerance (n = 12, initial weight 86.4 +/- 3.9 kg, BMI 30.4 +/- 1.1 kg/m2; (2) impaired glucose tolerance (n = 8, initial weight 105.3 +/- 7.6 kg, body mass index (BMI) 37.6 +/- 2.9 kg/m2; (3) diabetes (n = 12), initial weight 102.1 +/- 5.3 kg, BMI 36.2 +/- 2.0 kg/m2). The thermogenic response to glucose averaged 6.8 +/- 1.1 and 7.0 +/- 1.0 per cent, in the two non-diabetic obese groups respectively, and was significantly lower in the obese diabetic group (3.1 +/- 0.8 per cent). With the evolution of obesity (i.e. 6 years later), the glucose-induced thermogenesis (GIT) was significantly reduced in the non-diabetic groups (P less than 0.05) to 4.1 +/- 0.8 and 3.0 +/- 1.1 per cent respectively, and was still blunted in the diabetic group (2.1 +/- 0.7 per cent). The decrease in GIT was accompanied by a reduction in glucose tolerance and insulin response with no change in fasting plasma insulin. These effects were observed despite the fact that the body weight of the subject did not change significantly over the 6-year period. It is concluded that the decrease in GIT which accompanies the worsening of glucose tolerance and the occurrence of diabetes is a mechanism which may contribute to maintain the obesity state by a reduction of energy expenditure.

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.