Intestin et défauts métaboliques dans la résistance à l'insuline

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2.

The nuclear pore complex and its transporters : from virus-host interactors to subverting the innate antiviral immunity

Les virus ont besoin d’interagir avec des facteurs cellulaires pour se répliquer et se propager dans les cellules d’hôtes. Une étude de l'interactome des protéines du virus d'hépatite C (VHC) par Germain et al. (2014) a permis d'élucider de nouvelles interactions virus-hôte. L'étude a également démontré que la majorité des facteurs de l'hôte n'avaient pas d'effet sur la réplication du virus. Ces travaux suggèrent que la majorité des protéines ont un rôle dans d'autres processus cellulaires tel que la réponse innée antivirale et ciblées pas le virus dans des mécanismes d'évasion immune. Pour tester cette hypothèse, 132 interactant virus-hôtes ont été sélectionnés et évalués par silençage génique dans un criblage d'ARNi sur la production interferon-beta (IFNB1). Nous avons ainsi observé que les réductions de l'expression de 53 interactants virus-hôte modulent la réponse antivirale innée. Une étude dans les termes de gène d'ontologie (GO) démontre un enrichissement de ces protéines au transport nucléocytoplasmique et au complexe du pore nucléaire. De plus, les gènes associés avec ces termes (CSE1L, KPNB1, RAN, TNPO1 et XPO1) ont été caractérisé comme des interactant de la protéine NS3/4A par Germain et al. (2014), et comme des régulateurs positives de la réponse innée antivirale. Comme le VHC se réplique dans le cytoplasme, nous proposons que ces interactions à des protéines associées avec le noyau confèrent un avantage de réplication et bénéficient au virus en interférant avec des processus cellulaire tel que la réponse innée. Cette réponse innée antivirale requiert la translocation nucléaire des facteurs transcriptionnelles IRF3 et NF-κB p65 pour la production des IFNs de type I. Un essai de microscopie a été développé afin d'évaluer l’effet du silençage de 60 gènes exprimant des protéines associés au complexe du pore nucléaire et au transport nucléocytoplasmique sur la translocation d’IRF3 et NF-κB p65 par un criblage ARNi lors d’une cinétique d'infection virale. En conclusion, l’étude démontre qu’il y a plusieurs protéines qui sont impliqués dans le transport de ces facteurs transcriptionnelles pendant une infection virale et peut affecter la production IFNB1 à différents niveaux de la réponse d'immunité antivirale. L'étude aussi suggère que l'effet de ces facteurs de transport sur la réponse innée est peut être un mécanisme d'évasion par des virus comme VHC.

Effets d'un programme d'exercices aérobie et en résistance, combinés, chez les patients atteints de fibrose kystique, intolérants au glucose ou diabétiques

La fibrose kystique (FK) est une des maladies rares la plus fréquente au Canada avec un âge médian de survie de 50.9 ans. Toutefois, l'amélioration de l’espérance de vie est associée à l'émergence de complications secondaires telles que le diabète associé à la FK (DAFK). Présent chez 25 à 40% des adultes, il augmente de 6 fois le risque de morbidité et de mortalité. Plusieurs études sur des populations atteintes de diabète de type 2 ont démontrés les bienfaits de programmes d’exercices combinés (aérobie et résistance) sur l’amélioration du contrôle glycémique. L’objectif de l’étude visait à déterminer si un programme d’exercices combinés permettait d’améliorer les anomalies de la tolérance au glucose et le contrôle glycémique chez les patients atteints de FK. Méthodologie: 18 adultes atteints de FK, sédentaires avec une intolérance au glucose ont été recrutés pour cette étude (8 hommes, 10 femmes, âge: 33 ± 9.4 ans, FEV1 71.5% pred ± 12.5, IMC 23.57 kg/m2 ± 3,4). Les participants ont été assignés au hasard à un groupe contrôle ou exercice. Les tests suivants ont été réalisés avant et après l’intervention : VO2max, HGPO, mesure de l'endurance et de la force musculaire, ainsi qu’un questionnaire sur la qualité de vie. Résultats: 14 participants ont complété le protocole. Les participants du groupe exercice ont amélioré leur valeur de glycémie plasmatique à la 2e heure de l’HGPO (-2.34 +/- 0.87 mmol/L; p <0.01; CI 99.22%), à la 1re heure de l’HGPO (-2.0 mmol/L; p<0.05) et ont présenté une réduction de 17.2% (p<0.05) de l’aire sous la courbe de glucose. Conclusion: Un programme d'exercices combinés améliore le contrôle glycémique chez les patients atteints de FK. Cette approche thérapeutique non-pharmacologique pourrait offrir une intervention ayant le potentiel de retarder l'apparition de DAFK.

Dopaminergic Regulation of Glucose-induced Insulin Secretion through Dopamine D2 Receptors in the Pancreatic Islets In Vitro

The stimulatory effect of dopamine through dopamine 1)2 receptor on glucose - induced insulin secretion was studied in the pancreatic islets in nitro. I)oparnilie signifieanlly stimula(ed insulin secretion at a concentration of 10 a N1 in the presence of high,glucose ( 20 nii1 ). ' fhe higher concentrations of dopamine (111 -1() 4) inhibited glucose- induced insulin secretion in the presence of both 4 mM1 and 20 m M glucose. Stimulatory and inhibitory effect of dopamine on glucose - induced insulin secretion was reverted by the addition of dopamine 1)2 receptor antagonists such as butaclamol and sulpiride . Norepinephrine (NE) at 111 4 11 concentration inhibited the dopamine uptake as well as its stimulatory effect at 11) - 8 IN1 concentration on glucose induced insulin secretion. Our results suggest that dopamine exerts a differential effect on glucose -induced insulin secretion through dopamine D2 receptor and it is essential for the regulation of glucose-induced insulin secretion by pancreatic islets.

Decreased GABAA Receptors Functional Regulation 3 in the Cerebral Cortex and Brainstem of Hypoxic Neonatal Rats: 4 Effect of Glucose and Oxygen Supplementation

Hypoxia in neonates can lead to biochemical and molecular alterations mediated through changes in neurotransmitters resulting in permanent damage to brain. In this study, we evaluated the changes in the receptor status of GABAA in the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats and hypoxic rats supplemented with glucose and oxygen using binding assays and gene expression of GABAAa1 and GABAAc5. In the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats, a significant decrease in GABAA receptors was observed, which accounts for the respiratory inhibition. Hypoxic rats sup- plemented with glucose alone and with glucose and oxygen showed, respectively, a reversal of the GABAA receptors, andGABAAa1 and GABAAc5 gene expression to control. Glucose acts as an immediate energy source thereby reducing the ATP-depletion-induced increase in GABA and oxygenation, which helps in encountering anoxia. Resuscitation with oxygen alone was less effective in reversing the receptor alterations. Thus, the results of this study suggest that reduction in the GABAA receptors functional regulation during hypoxia plays an important role in mediating the brain damage. Glucose alone and glucose and oxygen supplementation to hypoxic neonatal rats helps in protecting the brain from severe hypoxic damage.

Dopamine D1 and D2 Receptor Gene Expression and cGMP, IP3 and Ca2+ Regulation in the Brain Regions of Hypoxic Neonatal Rats: Role of Glucose, Oxygen and Epinephrine Supplementation

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

GABA, serotonin, muscarinic receptors - their second messengers and transcription factors functional regulation in the brain regions of hypoxic neonatal rats: Resuscitation with glucose, oxygen and epinephrine

The present study was designed to investigate the protective effect of glucose, oxygen and epinephrine resuscitation on impairment in the functional role of GABAergic, serotonergic, muscarinic receptors, PLC, BAX, SOD, CAT and GPx expression in the brain regions of hypoxia induced neonatal rats. Also, the role of hormones - Triiodothyronine (T3) and insulin, second messengers – cAMP, cGMP and IP3 and transcription factors – HIF and CREB in the regulation of neonatal hypoxia and its resuscitation methods were studied. Behavioural studies were conducted to evaluate the motor function and cognitive deficit in one month old control and experimental rats. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The sequence of glucose, epinephrine and oxygen administration at the molecular level is an important aspect of the study. The additive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures by initial supply of glucose to hypoxic neonatal rats showed from the molecular study when brought to practice will lead to healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

Adrenergic and Glutamergic Receptor Gene Expression and Their Functional regulation in the Cerebral Cortex of Hypoxia Induced Neonatal Rats:Role of Oxygen,Epinephrine and Glucose Supplementation

In the present work, the role of oxygen, epinephrine and glucose supplementation in regulating neurotransmitter contents, adrenergic and glutamate receptor binding parameters in the cerebral cortex of experimental groups of neonatal rats were investigated. The study of neurotransmitters and their receptors in the cerebral cortex and the EEG pattern in the brain regions of neonatal rats were taken as index for brain damage due to hypoxia, oxygen and epinephrine. Real-Time PCR work was done to confirm the binding parameters. Second messenger, cyclic Adenosine Monophosphate (cAMP) was assayed to find the functional correlation of the receptors. Behavioural studies were carried out to confirm the biochemical and molecular studies. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The addictive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures from the molecular study brought to practice will lead to maintain healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

“Studies on glucose tolerant β-glucosidases from a novel Byssochlamys fulva and their applications in biomass to ethanol conversion”

Beta-glucosidases are critical enzymes in biomass hydrolysis process and is important in creating highly efficient enzyme cocktails for the bio-ethanol industry. Among the two strategies proposed for overcoming the glucose inhibition of commercial cellulases, one is to use heavy dose of BGL in the enzyme blends and the second is to do simultaneous saccharification and fermentation where glucose is converted to alcohol as soon as it is being generated. While the former needs extremely high quantities of enzyme, the latter is inefficient since the conditions for hydrolysis and fermentation are different. This makes the process technically challenging and also in this case, the alcohol generation is lesser, making its recovery difficult. A third option is to use glucose tolerant β-glucosidases which can work at elevated glucose concentrations. However, there are very few reports on such enzymes from microbial sources especially filamentous fungi which can be cultivated on cheap biomass as raw material. There has been very less number of studies directed at this, though there is every possibility that filamentous fungi that are efficient degraders of biomass may harbor such enzymes. The study therefore aimed at isolating a fungus capable of secreting glucose tolerant β- glucosidase enzyme. Production, characterization of β-glucosidases and application of BGL for bioethanol production were attempted.

Dopamine receptor subtypes functional regulation in insulin induced hypoglycemic neonatal rats: Effect of Glucose, Bacopa monnieri and Bacoside A resuscitation

In the present work we studied the potential of Bacopa monnieri and Bacoside A treatment to enhance the antioxidant system and support the neuronal survival in the hypoglycemic neonatal brain. For achieving the aim, DAD1 and DAD2 receptors functional regulation, gene expression of growth factors, neuronal survival and apoptotic factors during insulin induced hypoglycemic neonatal brain in rats were studied.

A Gain Scheduling Model Predictive Controller for Blood Glucose Control in Type 1 Diabetes

This paper presents a control strategy for blood glucose(BG) level regulation in type 1 diabetic patients. To design the controller, model-based predictive control scheme has been applied to a newly developed diabetic patient model. The controller is provided with a feedforward loop to improve meal compensation, a gain-scheduling scheme to account for different BG levels, and an asymmetric cost function to reduce hypoglycemic risk. A simulation environment that has been approved for testing of artificial pancreas control algorithms has been used to test the controller. The simulation results show a good controller performance in fasting conditions and meal disturbance rejection, and robustness against model–patient mismatch and errors in meal estimation

Prediction of glucose excursions under uncertain parameters and food intake in intensive insulin therapy for type 1 diabetes mellitus

Considering the difficulty in the insulin dosage selection and the problem of hyper- and hypoglycaemia episodes in type 1 diabetes, dosage-aid systems appear as tremendously helpful for these patients. A model-based approach to this problem must unavoidably consider uncertainty sources such as the large intra-patient variability and food intake. This work addresses the prediction of glycaemia for a given insulin therapy face to parametric and input uncertainty, by means of modal interval analysis. As result, a band containing all possible glucose excursions suffered by the patient for the given uncertainty is obtained. From it, a safer prediction of possible hyper- and hypoglycaemia episodes can be calculated

Prediction of postprandial blood glucose under intra-patient variability and uncertainty and its use in the design of insulin dosing strategies for type 1 diabetic patients

In this thesis I propose a novel method to estimate the dose and injection-to-meal time for low-risk intensive insulin therapy. This dosage-aid system uses an optimization algorithm to determine the insulin dose and injection-to-meal time that minimizes the risk of postprandial hyper- and hypoglycaemia in type 1 diabetic patients. To this end, the algorithm applies a methodology that quantifies the risk of experiencing different grades of hypo- or hyperglycaemia in the postprandial state induced by insulin therapy according to an individual patient’s parameters. This methodology is based on modal interval analysis (MIA). Applying MIA, the postprandial glucose level is predicted with consideration of intra-patient variability and other sources of uncertainty. A worst-case approach is then used to calculate the risk index. In this way, a safer prediction of possible hyper- and hypoglycaemic episodes induced by the insulin therapy tested can be calculated in terms of these uncertainties.