Tetracycline-regulated expression of VEGF-A in beta cells induces angiogenesis: improvement of engraftment following transplantation.

Early revascularization of pancreatic islet cells after transplantation is crucial for engraftment, and it has been suggested that vascular endothelial growth factor-A (VEGF-A) plays a significant role in this process. Although VEGF gene therapy can improve angiogenesis, uncontrolled VEGF secretion can lead to vascular tumor formation. Here we have explored the role of temporal VEGF expression, controlled by a tetracycline (TC)-regulated promoter, on revascularization and engraftment of genetically modified beta cells following transplantation. To this end, we modified the CDM3D beta cell line using a lentiviral vector to promote secretion of VEGF-A either in a TC-regulated (TET cells) or a constitutive (PGK cells) manner. VEGF secretion, angiogenesis, cell proliferation, and stimulated insulin secretion were assessed in vitro. VEGF secretion was increased in TET and PGK cells, and VEGF delivery resulted in angiogenesis, whereas addition of TC inhibited these processes. Insulin secretion by the three cell types was similar. We used a syngeneic mouse model of transplantation to assess the effects of this controlled VEGF expression in vivo. Time to normoglycemia, intraperitoneal glucose tolerance test, graft vascular density, and cellular mass were evaluated. Increased expression of VEGF resulted in significantly better revascularization and engraftment after transplantation when compared to control cells. In vivo, there was a significant increase in vascular density in grafted TET and PGK cells versus control cells. Moreover, the time for diabetic mice to return to normoglycemia and the stimulated plasma glucose clearance were also significantly accelerated in mice transplanted with TET and PGK cells when compared to control cells. VEGF was only needed during the first 2-3 weeks after transplantation; when removed, normoglycemia and graft vascularization were maintained. TC-treated mice grafted with TC-treated cells failed to restore normoglycemia. This approach allowed us to switch off VEGF secretion when the desired effects had been achieved. TC-regulated temporal expression of VEGF using a gene therapy approach presents a novel way to improve early revascularization and engraftment after islet cell transplantation.

The use of the vac in complex wounds - does it work and how?

Background: Complex wounds pose a major challenge in reconstructive and trauma surgery. Several approaches to increase the healing process have been proposed in the last decades. In this study we study the mechanism of action of the Vacuum Assisted Closure device in diabetic wounds. Methods: Full-thickness wounds were excised in diabetic mice and treated with the VAC device or its isolated components: an occlusive dressing (OD) alone, subathmospheric pressure at 125 mm Hg (Suction), and a polyurethane foam without (Foam) and with (Foamc) downward compression of approximately 125 mm Hg. The last goups were treated with either the complete VAC device (VAC) or with a silicne interface that alows fluid removel (Mepithel-VAC). The effects of the treatment modes on the wound surface were quantified by a two-dimensional immunohistochemical staging system based on vasculature, as defined by blood vessel density (CD31) and cell proliferation (defined by ki67 positivity), 7 days post wounding. Finite element modelling was used to predict wound surface deformation under dressing modes and cross sections of in situ fixed tissues were used to measure actual microstrain. Results: The foam-wound interface of the Vacuum Assisted Closure device causes significant wound stains (60%) causing a deformation of the single cell level leading to a profound upregulation of cell proliferation (4-fold) and angiogenisis (2.2-fold) compared to OD treated wounds. Polyurethane foam exposure itself causes a frather unspecific angiogenic response (Foamc, 2 - fold, Foam, 2.2 - fold) without changes of the cell proliferation rate of the wound bed. Suction alone without a specific interface does not have an effect on meassured parameters, showing similar results to untreated wounds. A perforated silicone interface caused a significant lower microdeforamtion of the wound bed correlating to changes of the wound tissues. Conclusion: The Vacuum Assisted Closure device induce significanttissue growth in diabetic wounds. The wound foam interface under suction causes profound macrodeformation that stimulates tissue growth by angiogenesis and cell proliferation. It needs to be taken in consideration that in the clinical setting different wound types may profit from different elements of this suction device.

Lentivirus-mediated Bcl-2 expression in betaTC-tet cells improves resistance to hypoxia and cytokine-induced apoptosis while preserving in vitro and in vivo control of insulin secretion.

betaTC-tet cells are conditionally immortalized pancreatic beta cells which can confer long-term correction of hyperglycemia when transplanted in syngeneic streptozocin diabetic mice. The use of these cells for control of type I diabetes in humans will require their encapsulation and transplantation in non-native sites where relative hypoxia and cytokines may threaten their survival. In this study we genetically engineered betaTC-tet cells with the anti-apoptotic gene Bcl-2 using new lentiviral vectors and showed that it protected this cell line against apoptosis induced by hypoxia, staurosporine and a mixture of cytokines (IL-1beta, IFN-gamma and TNF-alpha). We further demonstrated that Bcl-2 expression permitted growth at higher cell density and with shorter doubling time. Expression of Bcl-2, however, did not inter- fere either with the intrinsic mechanism of growth arrest present in the betaTC-tet cells or with their normal glucose dose-dependent insulin secretory activity. Furthermore, Bcl-2 expressing betaTC-tet cells retained their capacity to secrete insulin under mild hypoxia. Finally, transplantation of these cells under the kidney capsule of streptozocin diabetic C3H mice corrected hyperglycemia for several months. These results demonstrate that the murine betaTC-tet cell line can be genetically modified to improve its resistance against different stress-induced apoptosis while preserving its normal physiological function. These modified cells represent an improved source for cell transplantation therapy of type I diabetes.

Loss of glucose-induced insulin secretion and GLUT2 expression in transplanted beta-cells.

Either 200 or 400 syngeneic islets were transplanted under the kidney capsule of normal or streptozocin-induced diabetic B6/AF1 mice. The diabetic mice with 400 islets became normoglycemic, but those with 200 islets, an insufficient number, were still diabetic after the transplantation (Tx). Two weeks after Tx, GLUT2 expression in the islet grafts was evaluated by immunofluorescence and Western blots, and graft function was examined by perfusion of the graft-bearing kidney. Immunofluorescence for GLUT2 was dramatically reduced in the beta-cells of grafts with 200 islets exposed to hyperglycemia. However, it was plentiful in grafts with 400 islets in a normoglycemic environment. Densitometric analysis of Western blots on graft homogenates demonstrated that GLUT2 protein levels in the islets, when exposed to chronic hyperglycemia for 2 weeks, were decreased to 16% of those of normal recipients. Moreover, these grafts had defective glucose-induced insulin secretion, while the effects of arginine were preserved. We conclude that GLUT2 expression in normal beta-cells is promptly down-regulated during exposure to hyperglycemia and may contribute to the loss of glucose-induced secretion of diabetes.

Foam pore size is a critical interface parameter of suction-based wound healing devices.

BACKGROUND: Suction-based wound healing devices with open-pore foam interfaces are widely used to treat complex tissue defects. The impact of changes in physicochemical parameters of the wound interfaces has not been investigated. METHODS: Full-thickness wounds in diabetic mice were treated with occlusive dressing or a suction device with a polyurethane foam interface varying in mean pore size diameter. Wound surface deformation on day 2 was measured on fixed tissues. Histologic cross-sections were analyzed for granulation tissue thickness (hematoxylin and eosin), myofibroblast density (α-smooth muscle actin), blood vessel density (platelet endothelial cell adhesion molecule-1), and cell proliferation (Ki67) on day 7. RESULTS: Polyurethane foam-induced wound surface deformation increased with polyurethane foam pore diameter: 15 percent (small pore size), 60 percent (medium pore size), and 150 percent (large pore size). The extent of wound strain correlated with granulation tissue thickness that increased 1.7-fold in small pore size foam-treated wounds, 2.5-fold in medium pore size foam-treated wounds, and 4.9-fold in large pore size foam-treated wounds (p < 0.05) compared with wounds treated with an occlusive dressing. All polyurethane foams increased the number of myofibroblasts over occlusive dressing, with maximal presence in large pore size foam-treated wounds compared with all other groups (p < 0.05). CONCLUSIONS: The pore size of the interface material of suction devices has a significant impact on the wound healing response. Larger pores increased wound surface strain, tissue growth, and transformation of contractile cells. Modification of the pore size is a powerful approach for meeting biological needs of specific wounds.

Short-term overexpression of a constitutively active form of AMP-activated protein kinase in the liver leads to mild hypoglycemia and fatty liver.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is a major therapeutic target for the treatment of diabetes. We investigated the effect of a short-term overexpression of AMPK specifically in the liver by adenovirus-mediated transfer of a gene encoding a constitutively active form of AMPKalpha2 (AMPKalpha2-CA). Hepatic AMPKalpha2-CA expression significantly decreased blood glucose levels and gluconeogenic gene expression. Hepatic expression of AMPKalpha2-CA in streptozotocin-induced and ob/ob diabetic mice abolished hyperglycemia and decreased gluconeogenic gene expression. In normal mouse liver, AMPKalpha2-CA considerably decreased the refeeding-induced transcriptional activation of genes encoding proteins involved in glycolysis and lipogenesis and their upstream regulators, SREBP-1 (sterol regulatory element-binding protein-1) and ChREBP (carbohydrate response element-binding protein). This resulted in decreases in hepatic glycogen synthesis and circulating lipid levels. Surprisingly, despite the inhibition of hepatic lipogenesis, expression of AMPKalpha2-CA led to fatty liver due to the accumulation of lipids released from adipose tissue. The relative scarcity of glucose due to AMPKalpha2-CA expression led to an increase in hepatic fatty acid oxidation and ketone bodies production as an alternative source of energy for peripheral tissues. Thus, short-term AMPK activation in the liver reduces blood glucose levels and results in a switch from glucose to fatty acid utilization to supply energy needs.

Long-lasting antidiabetic effect of a dipeptidyl peptidase IV-resistant analog of glucagon-like peptide-1.

Glucagon-like peptide-1(7-37) (GLP-1) is the most potent insulinotropic hormone characterized thus far. Because its activity is preserved in non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) patients, it is considered a potential new drug for the treatment of this disease. One limitation in its therapeutic use is a short half-life in vivo (5 minutes), due in part to a fast degradation by the endoprotease dipeptidylpeptidase IV (DPPIV). Recently, it was reported that GLP-1 became resistant to DPPIV when the alanine residue at position 8 was replaced by a glycine (GLP-1-Gly8). We report here that this change slightly decreased the affinity of the peptide for its receptor (IC50, 0.41 +/- 0.14 and 1.39 +/- 0.61 nmol/L for GLP-1 and GLP-1-Gly8, respectively) but did not change the efficiency to stimulate accumulation of intracellular cyclic adenosine monophosphate (cAMP) (EC50, 0.25 +/- 0.05 and 0.36 +/- 0.06 nmol/L for GLP-1 and GLP-1-Gly8, respectively). Second, we demonstrate for the first time that this mutant has an improved insulinotropic activity compared with the wild-type peptide when tested in vivo in an animal model of diabetes. A single injection of 0.1 nmol GLP-1-Gly8 in diabetic mice fed a high-fat diet can correct fasting hyperglycemia and glucose intolerance for several hours, whereas the activity of 1 nmol GLP-1 vanishes a few minutes after injection. These actions were correlated with increased insulin and decreased glucagon levels. Interestingly, normoglycemia was maintained over a period that was longer than the predicted peptide half-life, suggesting a yet undescribed long-term effect of GLP-1-Gly8. GLP-1-Gly8 thus has a markedly improved therapeutic potential compared with GLP-1, since it can be used at much lower doses and with a more flexible schedule of administration.

Liver Glucokinase A456V induces potent hypoglycemia without dyslipidemia through a paradoxical induction of the catalytic subunit of glucose-6-phosphatase

Recent reports point out the importance of the complex GK-GKRP in controlling glucose and lipid homeostasis. Several GK mutations affect GKRP binding, resulting in permanent activation of the enzyme. We hypothesize that hepatic overexpression of a mutated form of GK, GKA456V, described in a patient with persistent hyperinsulinemic hypoglycemia of infancy (PHHI) and could provide a model to study the consequences of GK-GKRP deregulation in vivo. GKA456V was overexpressed in the liver of streptozotocin diabetic mice. Metabolite profiling in serum and liver extracts, together with changes in key components of glucose and lipid homeostasis, were analyzed and compared to GK wild-type transfected livers. Cell compartmentalization of the mutant but not the wild-type GK was clearly affected in vivo, demonstrating impaired GKRP regulation. GKA456V overexpression markedly reduced blood glucose in the absence of dyslipidemia, in contrast to wild-type GK-overexpressing mice. Evidence in glucose utilization did not correlate with increased glycogen nor lactate levels in the liver. PEPCK mRNA was not affected, whereas the mRNA for the catalytic subunit of glucose-6-phosphatase was upregulated ~4 folds in the liver of GKA456V-treated animals, suggesting that glucose cycling was stimulated. Our results provide new insights into the complex GK regulatory network and validate liver-specific GK activation as a strategy for diabetes therapy.

The starch from Solanum lycocarpum St. Hill. fruit is not a hypoglycemic agent

We have investigated the hypoglycemic effect induced by the starch obtained from the unripe fruits of Solanum lycocarpum (Solanaceae). Per os administration of the starch (1000 or 2000 mg/kg, twice daily for 7 days, N = 6) did not change glycemia levels of nondiabetic female Swiss mice weighing 25-30 g. In streptozotocin-induced diabetic mice, similar treatment with the starch did not change the elevated glycemia 3 h after the last dose (diabetic treated with saline = 288 ± 17/309 ± 18; starch 1000 mg/kg = 295 ± 33; starch 2000 mg/kg = 258 ± 37; N = 5). In animals fasted for 15 h, per os administration of glucose (600 mg/kg) significantly increased glycemia 1 h later. Previous (-30 min) treatment of the animals with the starch (1000 or 2000 mg/kg; N = 5) did not change the increase of glycemia. Per os administration of the starch (1000 or 2000 mg kg-1 day-1, twice daily for 7 days) did not induce body weight gain or loss. The chemical analysis of the starch indicated the presence of glycoalkaloids, a finding that represents a reason for concern since many of these substances are generally toxic. In interviews with 56 diabetic patients, 29 medicinal plants were reported as useful in their treatment of diabetes and S. lycocarpum was the sixth most frequently mentioned. All patients interviewed reported that they also used insulin or oral hypoglycemic drugs. The results of the present study do not provide evidence for a hypoglycemic effect associated with the polysaccharide fraction of S. lycocarpum in either normal or hyperglycemic mice. These data demonstrate the need for adequate pharmacological investigation of the natural products widely used in folk medicine.

Isolation and intracellular localization of insulin-like proteins from leaves of Bauhinia variegata

Evidence based on immunological cross-reactivity and anti-diabetic properties has suggested the presence of insulin-like peptides in plants. The objective of the present study was to investigate the presence of insulin-like proteins in the leaves of Bauhinia variegata ("pata-de-vaca", "mororó"), a plant widely utilized in popular medicine as an anti-diabetic agent. We show that an insulin-like protein was present in the leaves of this plant. A chloroplast protein with a molecular mass similar to that of bovine insulin was extracted from 2-mm thick 15% SDS-PAGE gels and fractionated with a 2 x 24 cm Sephadex G-50 column. The activity of this insulin-like protein (0.48 mg/mL) on serum glucose levels of four-week-old Swiss albino (CF1) diabetic mice was similar to that of commercial swine insulin used as control. Further characterization of this molecule by reverse-phase hydrophobic HPLC chromatographic analysis as well as its antidiabetic activity on alloxan-induced mice showed that it has insulin-like properties. Immunolocalization of the insulin-like protein in the leaves of B. variegata was performed by transmission electron microscopy using a polyclonal anti-insulin human antibody. Localization in the leaf blades revealed that the insulin-like protein is present mainly in chloroplasts where it is also found associated with crystals which may be calcium oxalate. The presence of an insulin-like protein in chloroplasts may indicate its involvement in carbohydrate metabolism. This finding has strengthened our previous results and suggests that insulin-signaling pathways have been conserved through evolution.

Activités antidiabétiques et neuroprotectrices du jus de bleuet biostransformé

Le bleuet démontre un potentiel thérapeutique dans le traitement du cancer et des maladies cardiovasculaires et neurodégénératives. Ces effets bénéfiques sont attribuables aux composés phénoliques abondants dans le bleuet, tels que les anthocyanines et les flavonoïdes. La biotransformation du jus de bleuet avec les bactéries Serratia vaccinii augmente sa teneur en composés phénoliques et son activité anti-oxydante, et modifie ses activités physiologiques. L’objectif de la présente étude est d’évaluer l’activité neuroprotectrice et le potentiel antidiabétique du jus de bleuet biostranformé (BJ). Le BJ est étudié dans différents tests dont : 1) La protection des neurones (N2a) contre le stress oxydatif (SO) induit par le peroxyde d’hydrogène; 2) La stimulation de la prise de glucose par les cellules musculaires (C2C12) et adipeuses (3T3-L1); 3) L’activité anti-hyperglycémique chez les souris obèses diabétiques KKAy. En effet, tandis que le jus de bleuet normal n’a aucun effet, le BJ augmente l’activité des enzymes anti-oxydantes, comme la catalase et la SOD (Superoxide Dimutase) et protège les neurones contre les changements de la signalisation des MAPKs et contre la toxicité induite par le peroxyde d’hydrogène. Le BJ augmente aussi la prise de glucose de 48% dans les cellules C2C12 et de 142% dans les cellules 3T3-L1. Cette augmentation n’est pas expliquée par une augmentation du calcium cytosolique mais plutôt par une stimulation de la phosphorylation de l’AMPK. De plus, le BJ inhibe l’adipogenèse chez les 3T3-L1. Le BJ diminue également l’hyperglycémie chez les souris obèses diabétiques KKAy et protège les jeunes souris pré-diabétiques contre le développement de l’obésité et du diabète. L’activité anti-hyperglycémique du BJ pourrait impliquer les adipokines puisque le BJ augmente le niveau d’adiponectine chez les souris diabétiques. Le BJ représente ainsi une approche prometteuse pour le traitement du diabète et les maladies neurodégénératives et une source de nouveaux agents thérapeutiques contre ces maladies.

Le diabète maternel influence la morphogenèse rénale et la programmation périnatale

Le diabète maternel est un facteur de risque majeur pour le développement de malformations congénitales. Dans le syndrome de l’embryopathie diabétique, l’exposition prolongée du fœtus à de hautes concentrations ambientes de glucose induit des dommages qui peuvent affecter plusieurs organes, dont les reins. Les malformations rénales sont la cause de près de 40 pourcent des cas d’insuffisance rénale infantile. L’hyperglycémie constitue un environnement utérin adverse qui nuit à la néphrogenèse et peut causer l’agenèse, la dysplasie (aplasie) ou l’hypoplasie rénale. Les mécanismes moléculaires par lesquels les hautes concentrations ambientes de glucose mènent à la dysmorphogenèse et aux malformations demeurent toutefois mal définis. Le diabète maternel prédispose aussi la progéniture au développement d’autres problèmes à l’âge adulte, tels l’hypertension, l’obésité et le diabète de type 2. Ce phénomène appelé ‘programmation périnatale’ a suscité l’intérêt au cours des dernières décennies, mais les mécanismes responsables demeurent mal compris. Mes études doctorales visaient à élucider les mécanismes moléculaires par lesquels le diabète maternel ou un environnement in utero hyperglycémique affecte la néphrogenèse et programme par la suite la progéniture a développer de l’hypertension par des observations in vitro, ex vivo et in vivo. Nous avons utilisé les cellules MK4, des cellules embryonnaires du mésenchyme métanéphrique de souris, pour nos études in vitro et deux lignées de souris transgéniques (Tg) pour nos études ex vivo et in vivo, soient les souris HoxB7-GFP-Tg et Nephrin-CFP-Tg. Les souris HoxB7-GFP-Tg expriment la protéine fluorescente verte (GFP) dans le bourgeon urétérique (UB), sous le contrôle du promoteur HoxB7. Les souris Nephrin-CFP expriment la protéine fluorescente cyan (CFP) dans les glomérules, sous le contrôle du promoteur nephrin spécifique aux podocytes. Nos études in vitro visaient à déterminer si les hautes concentrations de glucose modulent l’expression du gène Pax2 dans les cellules MK4. Les cellules MK4 ont été traitées pendant 24h avec du milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants ou inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK, PKC et NF-kB. Nos résultats ont démontré que le D-glucose élevé (25mM) augmente la génération des espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules MK4 et induit spécifiquement l’expression du gène Pax2. Des analogues du glucose tels le D-mannitol, L-glucose ou le 2-Deoxy-D-glucose n’induisent pas cette augmentation dans les cellules MK4. La stimulation de l’expression du gène Pax2 par le D-glucose dans les cellules MK4 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de NF-kB, mais pas par des inhibiteurs de p38 MAPK, p44/42 MAPK ou PKC. Ces résultats indiquent que la stimulation de l’expression du gène Pax2 par les concentrations élevées de glucose est due, au moins en partie, à la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation NF-kB, et non pas via les voies PKC, p38 MAPK et p44/42 MAPK. Nos études ex vivo s’intéressaient aux effets d’un milieu hyperglycémique sur la morphogenèse de la ramification du bourgeon urétérique (UB). Des explants de reins embryonnaires (E12 à E18) ont été prélevés par micro-dissection de femelles HoxB7-GFP gestantes. Les explants ont ensuite été cultivés dans un milieu contenant soit 5mM D-glucose et 20mM D-mannitol ou 25mM D-glucose et avec ou sans antioxydants, catalase ou inhibiteur de PI3K/AKT pour diverses durées. Nos résultats ont démontré que le D-glucose stimule la ramification du UB de manière spécifique, et ce via l’expression du gène Pax2. Cette augmentation de la ramification et de l’expression du gène Pax2 peut être bloquée par des inhibiteurs des ROS et de PI3K/AKT. Ces études ont démontré que les hautes concentrations de glucose altèrent la morphogenèse de la ramification du UB via l’expression de Pax2. L’effet stimulant du glucose semble s’effectuer via la génération des ROS et l’activation de la voie de signalisation Akt. Nos études in vivo visaient à déterminer le rôle fondamental du diabète maternel sur les défauts de morphogenèse rénale chez la progéniture. Dans notre modèle animal, le diabète maternel est induit par le streptozotocin (STZ) chez des femelles HoxB7-GFP gestantes (E13). Les souriceaux ont été étudiés à différents âges (naissants et âgés de une, deux ou trois semaines). Nous avons examiné leurs morphologie rénale, nombre de néphrons, expression génique et les événements apoptotiques lors de cette étude à court terme. La progéniture des mères diabétiques avait un plus faible poids, taille et poids des reins, et possédait des glomérules plus petits et moins de néphrons par rapport à la progéniture des mères contrôles. La dysmorphogenèse rénale observée est peut-être causée par l’augmentation de l’apoptose des cellules dans la région du glomérule. Nos résultats ont montré que les souriceaux nés de mères diabétiques possèdent plus de podocytes apoptotiques et plus de marquage contre la caspase-3 active dans leurs tubules rénaux que la progéniture des mères contrôles. Les souriceaux des mères diabétiques montrent une augmentation de l’expression des composants du système rénine angiotensine (RAS) intrarénal comme l’angiotensinogène et la rénine, ainsi qu’une augmentation des isoformes p50 et p65 de NF-kB. Ces résultats indiquent que le diabète maternel active le RAS intrarénal et induit l’apoptose des glomérules, menant à une altération de la morphogenèse rénale de la progéniture. En conclusion, nos études ont permis de démontrer que le glucose élevé ou l’environnement in utero diabétique altère la morphogenèse du UB, qui résulte en un retard dans la néphrogenèse et produit des reins plus petits. Cet effet est dû, au moins en partie, à la génération des ROS, à l’activation du RAS intrarénal et à la voie NF-kB. Nos études futures se concentreront sur les mécanismes par lesquels le diabète maternel induit la programmation périnatale de l’hypertension chez la progéniture adulte. Cette étude à long terme porte sur trois types de progénitures : adultes nés de mères contrôles, diabétiques ou diabétiques traitées avec insuline pendant la gestation. Nous observerons la pression systolique, la morphologie rénale et l’expression de divers gènes et protéines. Nous voulons de plus déterminer si la présence d’un système antioxydant (catalase) peut protéger la progéniture des effets néfastes des ROS causés par l’environnement in utero hyperglycémique. Les souris Catalase-Tg expriment la catalase spécifiquement dans les tubules proximaux et nous permettrons d’explorer notre hypothèse sur le rôle des ROS dans notre modèle expérimental de diabète maternel.

Identification et caractérisation de gènes différemment exprimés dans les tubules proximaux de reins diabétiques et impliqués dans le développement de la néphropathie diabétique

La néphropathie diabétique est une maladie rénale caractérisée par un syndrome néphrotique et de la glomérulosclérose. Celle-ci est reliée à l’angiopathie de capillaires suite au diabète. Il s’agit d’une importante cause d’insuffisance rénale en Amérique. Or, les anomalies tubulaires comme l’apoptose ou le détachement de tubules des glomérules sont reconnues comme étant de bons marqueurs de progression de cette maladie. Ainsi, il a été proposé au cours des travaux reliés à cette thèse d’étudier les différents mécanismes moléculaires reliés à l’apoptose des tubules proximaux, en particulier dans un thème de relation avec les dommages reliés aux espèces réactives oxygénées (ROS). Une des hypothèses développée au cours de précédents travaux faisait état que l’une des sources initiales qui entrainent le développement de dommages tubulaires soit régulée à travers la production de ROS dérivés des NADPH oxydases. Ainsi, une des premières séries d’expériences entreprises au cours de cette thèse a été effectuée sur un modèle animal de diabète de type 2, la souris db/db. Suite à la caractérisation des différentes pathologies rénales et leur réduction par la surexpression de l’enzyme antioxydante catalase dans les tubules proximaux, des expériences de micro-puces d’expression génétiques furent effectuées. À l’aide de cet outil et par des analyses bioinformatiques, il a été possible d’établir un profilage de gènes reliés à différentes voies de signalisation modulées par le diabète et la catalase. Ainsi, il a été possible d’effectuer de plus amples études sur des gènes reliés à l’apoptose surexprimé dans les tubules proximaux de souris diabétiques. Un des gènes pro-apoptotique mieux caractérisé durant cette thèse fut le gène Bmf, un membre de la famille des régulateurs de Bcl-2 impliqués dans l’apoptose via le relâchement de cytochrome c de la mitochondrie. Ainsi, il a été déterminé que ce gène est surexprimé dans les tubules proximaux de souris diabétiques, et que celui-ci était augmenté dans différents modèles in vitro de diabète. Cela a permis de conclure que Bmf joue sans doute un rôle important la régulation de l’apoptose et de l’atrophie des tubules proximaux. Une autre étude effectuée dans le cadre de cette thèse était reliée avec l’utilisation d’un modèle transgénique afin de mieux définir le rôle que jouent les dommages reliés au stress oxydatif dans la progression des pathologies rénales reliées à l’induction du système rénine-angiotensine. Les résultats obtenus ont permis de déterminer que la surexpression de l’enzyme antioxydante catalase a permis de réduire les différentes pathologies rénales observées dans les souris transgéniques, ce qui permet de conclure que les espèces réactives oxygénées jouen un rôle important dans le développement de l’hypertension et des dommages rénaux.

Étude de l’expression de « Bcl-2 modifying factor » (Bmf) et son implication dans la néphropathie diabétique

Objectif : Étudier les mécanismes apoptotiques impliqués dans la néphropathie diabétique en identifiant les gènes responsables de l’apoptose et activés par les espèces réactives de l’oxygène (ROS) dans les cellules de tubules proximaux rénaux (RPTC) de différents modèles diabétiques. Méthodes : Une hybridation par puce à AND a été réalisée sur les ARN extraits à partir de RPTC de souris heterozygotes db/m+, db/db and db/db catalase (CAT)-transgénique (Tg) de 20 semaines. Des expériences de PCR en temps réel et d’immunohistochimie réalisées sur ces modèles et sur le modèle ou le diabète avait été induit par traitement au streptozotocin (STZ) ont permis de valider les gènes apoptotiques identifiés par puce à ADN. Des RPTC immortalisées de rat ont été utilisées pour montrer l’activité de ces gènes apoptotique et la régulation de leur expression. De plus, une étude additionnelle réalisée sur des sections rénales provenant de patients diabétiques et non diabétiques a démontré également une surexpression de ces gènes apoptotiques dans les IRPTC. Résultats: L’expression de Bcl-2-modifying factor (Bmf), une protéine apoptotique, semble augmentée dans les RPTC de souris db/db comparé aux souris contrôles db/m+, ou aux souris db/db CAT-tg. La surexpression de Bmf a également été identifiée dans les RPTC du modèle diabétique STZ. La normalisation de l’hyperglycémie chez ces souris par traitement à l’insuline semble normaliser également l’expression de Bmf. In vitro, la surexpression du cDNA de Bmf dans les RPTC promouvoit l’apoptose et augmente l’activité de caspase 3. La stimulation de RPTC de Rat avec le glucose élevé (25mM de D-glucose) semble augmenter l’expression de Bmf et le traitement de ces cellules avec la roténone, les Diphénylène iodonium, la catalase et l’apocynine semble renverser cette stimulation. L’inhibition de Bmf avec un siRNA semble réduire l’apoptose induite par le glucose élevé. L’expression de Bmf a également été démontrée dans les RPTC de patients diabétiques. Conclusion: Ces résultats ont démontré une surexpression de Bmf dans les RPTC de différents modèles diabétiques et suggèrent son potentiel rôle dans la régulation de l’apoptose et de l’atrophie tubulaire chez les diabétiques.

Hypertension et régulation de l'expression moléculaire de l'angiotensinogène par la ribonucléoprotéine hétérogène nucléaire K

Le diabète est une maladie chronique dont la principale caractéristique est un niveau plasmatique élevé de glucose, qui est causé soit par un défaut dans la production d’insuline, l’action de l’insuline, ou les deux à la fois. Plusieurs études ont démontré que l’hyperglycémie chronique peut mener à la dysfonction et même la défaillance de plusieurs organes, dont le coeur, le système vasculaire, les yeux et les reins, se traduisant par des infarctus du myocarde, des accidents cérébro-vasculaires et des complications rétinales et rénales, respectivement. La néphropathie diabétique (DN) est la principale cause de déficience rénale et affecte près de 25-40% des patients diabétiques. La DN est invariablement associée à un risque élevé d’accident cérébrovasculaire et de dysfonction cardivasculaire. L’angiotensinogène (Agt) est l’unique précurseur de tous les types d’angiotensines. En plus du système rénine-angiotensine (RAS) sytémique, le rein possède son propre système intrarénal et exprime tous les composants du RAS. L’Agt est fortement exprimé dans les cellules du tubule proximal rénal (RPTC) et y est converti en angiotensine II (AngII), le peptide biologiquement actif du RAS. Les patients diabétiques présentent de hauts niveaux d’AngII et une augmentation de l’expression des gènes du RAS, suggérant que l’activation du RAS intrarénal joue un rôle important dans la progression de la DN. Les mécanismes qui contrôlent la régulation du niveau rénal d’Agt par l’hyperglycémie et l’insuline demeurent mal compris. Le but global de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression du gène Agt chez la souris Akita (un modèle murin de diabète de type 1). Dans cette optique, la première partie de la thèse se concentre sur deux facteurs de transcription de la famille des ribonucléoprotéines nucléaires hétérogènes (hnRNP). Chan et collaborateurs ont déjà identifié 2 protéines nucléaires hnRNP F et hnRNP K, de 48kD et 70kD respectivement. HnRNP F et hnRNP K forment un hétérodimère et se lient à l’élément de réponse à l’insuline (IRE) présent dans le promoteur du gène Agt du rat et inhibent la transcription du gène Agt in vitro. Afin de déterminer si hnRNP F / K sont responsables de l’inhibition de l’expression rénale de Agt par l’insuline in vivo, nous avons étudié des souris Akita males traités ou non avec des implants d’insuline pour une période de 4 semaines. Des souris non-Akita males ont été employées comme contrôles. Les souris Akita développent de l’hypertension et de l’hypertrophie rénale. Le traitement à l’insuline rétablit les niveaux de glucose plasmatiques et la pression systolique (SBP), et atténue l’hypertrophie rénale, l’albuminurie (ratio albumine/créatinine urinaire, ACR) et les niveaux urinaires d’Agt et AngII chez les souris Akita. De plus, le traitement à l’insuline inhibe l’expression rénale du gène Agt, tout en augmentant l’expression des gènes hnRNP F, hnRNP K et ACE2 (enzyme de conversion de l’angiotensine-2). Dans des RPTC in vitro, l’insuline inhibe Agt, mais stimule l’expression de hnRNP F et hnRNP K en présence de hautes concentrations de glucose, et ce via la voie de signalisation MAPK p44/42 (protéine kinase activée par un mitogène). La transfection avec des petits ARN interférents (siRNA) contre hnRNP F et hnRNP K prévient l’inhibition de l’expression d’Agt par l’insuline dans les RPTC. Cette étude démontre bien que l’insuline prévient l’hypertension et atténue les dommages rénaux observés chez les souris Akita diabétiques, en partie grâce à la suppression de la transcription rénale de Agt, via une augmentation de l’expression de hnRNP F et hnRNP K. La seconde partie de cette thèse change de focus et se tourne vers le facteur Nrf2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2). Nrf2 est un facteur de transcription qui contrôle les gènes de la réponse antioxydante cellulaire en réponse au stress oxydant ou aux électrophiles. Le but de cette étude est d’examiner l’impact de la surexpression de la catalase (Cat) dans les RPTC sur l’expression du gène Agt via Nrf2 et sur le développement de l’hypertension et des dommages rénaux résultants chez les souris diabétiques Akita transgéniques (Tg). Nos études ont démontré que la surexpression de Cat dans les souris Akita Cat-Tg normalise la SBP, atténue les dommages rénaux et inhibe l’expression des gènes Nrf2 et Agt dans les RPTC. In vitro, le glucose élevé (HG) et l’oltipraz (un activateur de Nrf2) stimulent l’expression de Nrf2 et Agt, et cet effet peut être bloqué par la trigonelline (inhibiteur de Nrf2), des siRNA contre Nrf2, des antioxydants ou des inhibiteurs pharmacologiques NF-κB et MAPK p38. La suppression de sites de réponse à Nrf2 présents dans le promoteur du gène Agt du rat abolit la stimulation par l’oltipraz. Finalement, des souris males adultes non-transgéniques traitées avec l’oltipraz montrent une augmentation de l’expression de Nrf2 et Agt dans leurs RPTC et cette augmentation peut être normalisée par la trigonelline. Ces données permettent d’identifier un nouveau mécanisme d’action de Nrf2, par la stimulation du gène Agt intrarénal et l’activation du RAS, qui induisent l’hypertension et les dommages rénaux par le glucose élevé et les espèces réactives de l’oxygène chez les souris diabétiques. Nos conclusions permettent de démontrer que l’insuline induit l’expression de hnRNP F et hnRNP K, qui jouent ensuite un rôle protecteur en prévenant l’hypertension. La surexpression de la catalase dans les RPTC vient quant à elle atténuer l’activation de Nrf2 et ainsi réduit la SBP chez les souris Akita.