Bioexploration of wild Alaskan berries: From field screening to functional food

Wild berries are fundamental components of traditional diet and medicine for Native American and Alaska Native tribes and contain a diverse array of phytochemicals, including anthocyanins and proanthocyanidins, with known efficacy against metabolic disorders. Bioexploration represents a new paradigm under which bioactive preparations are screened in coordination with indigenous communities, to prepare for subsequent in-depth chemical and biological analysis. The inclusive, participatory philosophical approach utilized in bioexploration has additional benefits that could be realized in seemingly disparate areas, such as education and economics. Five species of wild Alaskan berries (Vaccinium uliginosum, V. ovalifolium, Empetrum nigrum, Rubus chamaemorus, and R. spectabilis) were tested using “Screens-to-Nature” (STN), a community-participatory approach to screen for potential bioactivity, in partnership with tribal members from three geographically distinct Alaskan villages: Akutan, Seldovia, and Point Hope. Berries were subsequently evaluated via HPLC and LC-MS2, yielding significant species and location-based variation in anthocyanins (0.9-438.6 mg eq /100g fw) and proanthocyanins (73.7-625.2 mg eq /100g fw). A-type proanthocyanidin dimers through tetramers were identified in all species tested. Berries were analyzed for in vitro and in vivo activity related to diabetes and obesity. R. spectabilis samples increased preadipocyte-factor-1 levels by 82% over control, and proanthocyanidin-rich fractions from multiple species reduced lipid accumulation in 3T3-L1 adipocytes. Furthermore, extracts of V. uliginosum and E. nigrum (Point Hope) reduced serum glucose levels in C57bl/6j mice up to 45%. The same precepts of bioexploration, especially the inclusion of indigenous community perspectives and knowledge, have relevance in other areas of study, such as education and economics. Studies have established the apathetic, low-motivational environment characteristic of many introductory science laboratory classes is detrimental to student interest, learning, and continuation in scientific education. A primary means of arresting this decline and stimulating the students’ attention and excitement is via engagement in hands-on experimentation and research. Using field workshops, the STN system is investigated as to its potential as a novel participatory educational tool, using assays centered around bioexploration and bioactive plant compounds that hold the potential to offset human health conditions. This evaluation of the STN system provided ample evidence as to its ability to augment and improve science education. Furthermore, Strengths, Weaknesses, Opportunities, and Threats (SWOT) analysis was employed as a theoretical framework to review the potential benefits and hurdles associated with developing a wild Alaskan berry commodity. Synthesizing various sources of information – including logistics and harvest costs, sources of initial capital, opportunities in the current superfruit industry, and socioeconomic factors – the development of a berry commodity proves to be a complex amalgam of competing factors which would require a delicate balance before proceeding.

Rab18 dynamics in adipocytes in relation to lipogenesis, lipolysis and obesity.

Lipid droplets (LDs) are organelles that coordinate lipid storage and mobilization, both processes being especially important in cells specialized in managing fat, the adipocytes. Proteomic analyses of LDs have consistently identified the small GTPase Rab18 as a component of the LD coat. However, the specific contribution of Rab18 to adipocyte function remains to be elucidated. Herein, we have analyzed Rab18 expression, intracellular localization and function in relation to the metabolic status of adipocytes. We show that Rab18 production increases during adipogenic differentiation of 3T3-L1 cells. In addition, our data show that insulin induces, via phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K), the recruitment of Rab18 to the surface of LDs. Furthermore, Rab18 overexpression increased basal lipogenesis and Rab18 silencing impaired the lipogenic response to insulin, thereby suggesting that this GTPase promotes fat accumulation in adipocytes. On the other hand, studies of the β-adrenergic receptor agonist isoproterenol confirmed and extended previous evidence for the participation of Rab18 in lipolysis. Together, our data support the view that Rab18 is a common mediator of lipolysis and lipogenesis and suggests that the endoplasmic reticulum (ER) is the link that enables Rab18 action on these two processes. Finally, we describe, for the first time, the presence of Rab18 in human adipose tissue, wherein the expression of this GTPase exhibits sex- and depot-specific differences and is correlated to obesity. Taken together, these findings indicate that Rab18 is involved in insulin-mediated lipogenesis, as well as in β-adrenergic-induced lipolysis, likely facilitating interaction of LDs with ER membranes and the exchange of lipids between these compartments. A role for Rab18 in the regulation of adipocyte biology under both normal and pathological conditions is proposed.

Enhanced fatty acid oxidation in adipocytes and macrophages reduces lipid-induced triglyceride accumulation and inflammation

Lipid overload in obesity and type 2 diabetes is associated with adipocyte dysfunction, inflammation, macrophage infiltration, and decreased fatty acid oxidation (FAO). Here, we report that the expression of carnitine palmitoyltransferase 1A (CPT1A), the rate-limiting enzyme in mitochondrial FAO, is higher in human adipose tissue macrophages than in adipocytes and that it is differentially expressed in visceral vs. subcutaneous adipose tissue in both an obese and a type 2 diabetes cohort. These observations led us to further investigate the potential role of CPT1A in adipocytes and macrophages. We expressed CPT1AM, a permanently active mutant form of CPT1A, in 3T3-L1 CARΔ1 adipocytes and RAW 264.7 macrophages through adenoviral infection. Enhanced FAO in palmitate-incubated adipocytes and macrophages reduced triglyceride content and inflammation, improved insulin sensitivity in adipocytes, and reduced endoplasmic reticulum stress and ROS damage in macrophages. We conclude that increasing FAO in adipocytes and macrophages improves palmitate-induced derangements. This indicates that enhancing FAO in metabolically relevant cells such as adipocytes and macrophages may be a promising strategy for the treatment of chronic inflammatory pathologies such as obesity and type 2 diabetes.

Enhanced fatty acid oxidation in adipocytes and macrophages reduces lipid-induced triglyceride accumulation and inflammation

Lipid overload in obesity and type 2 diabetes is associated with adipocyte dysfunction, inflammation, macrophage infiltration, and decreased fatty acid oxidation (FAO). Here, we report that the expression of carnitine palmitoyltransferase 1A (CPT1A), the rate-limiting enzyme in mitochondrial FAO, is higher in human adipose tissue macrophages than in adipocytes and that it is differentially expressed in visceral vs. subcutaneous adipose tissue in both an obese and a type 2 diabetes cohort. These observations led us to further investigate the potential role of CPT1A in adipocytes and macrophages. We expressed CPT1AM, a permanently active mutant form of CPT1A, in 3T3-L1 CARΔ1 adipocytes and RAW 264.7 macrophages through adenoviral infection. Enhanced FAO in palmitate-incubated adipocytes and macrophages reduced triglyceride content and inflammation, improved insulin sensitivity in adipocytes, and reduced endoplasmic reticulum stress and ROS damage in macrophages. We conclude that increasing FAO in adipocytes and macrophages improves palmitate-induced derangements. This indicates that enhancing FAO in metabolically relevant cells such as adipocytes and macrophages may be a promising strategy for the treatment of chronic inflammatory pathologies such as obesity and type 2 diabetes.

Combined transcriptomic-(1)H NMR metabonomic study reveals yhat monoethylhexyl phthalate stimulates adipogenesis and glyceroneogenesis in human adipocytes

Adipose tissue is a major storage site for lipophilic environmental contaminants. The environmental metabolic disruptor hypothesis postulates that some pollutants can promote obesity or metabolic disorders by activating nuclear receptors involved in the control of energetic homeostasis. In this context, monoethylhexyl phthalate (MEHP) is of particular concern since it was shown to activate the peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) in 3T3-L1 murine preadipocytes. In the present work, we used an untargeted, combined transcriptomic-(1)H NMR-based metabonomic approach to describe the overall effect of MEHP on primary cultures of human subcutaneous adipocytes differentiated in vitro. MEHP stimulated rapidly and selectively the expression of genes involved in glyceroneogenesis, enhanced the expression of the cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase, and reduced fatty acid release. These results demonstrate that MEHP increased glyceroneogenesis and fatty acid reesterification in human adipocytes. A longer treatment with MEHP induced the expression of genes involved in triglycerides uptake, synthesis, and storage; decreased intracellular lactate, glutamine, and other amino acids; increased aspartate and NAD, and resulted in a global increase in triglycerides. Altogether, these results indicate that MEHP promoted the differentiation of human preadipocytes to adipocytes. These mechanisms might contribute to the suspected obesogenic effect of MEHP.

Proteomic analysis of the influence of the adipocyte secretome on Glioma Gl261 cells

Glioma is the most frequent form of malignant brain tumor in the adults and childhood. There is a global tendency toward a higher incidence of gliomas in highly developed and industrialized countries. Simultaneously obesity is reaching epidemic proportions in such developed countries. It has been highly accepted that obesity may play an important role in the biology of several types of cancer. We have developed an in vitro method for the understanding of the influence of obesity on glioma mouse cells (Gl261). 3T3-L1 mouse pre-adipocytes were induced to the maturity. The conditioned medium was harvested and used into the Gl261 cultures. Using two-dimension electrophoresis it was analyzed the proteome content of Gl261 in the presence of conditioned medium (CGl) and in its absence (NCGl). The differently expressed spots were collected and analyzed by means of mass spectroscopy (MALDI-TOF-MS). Significantly expression pattern changes were observed in eleven proteins and enzymes. RFC1, KIF5C, ANXA2, N-RAP, RACK1 and citrate synthase were overexpressed or only present in the CGl. Contrariwise, STI1, hnRNPs and phosphoglycerate kinase 1 were significantly underexpressed in CGl. Aldose reductase and carbonic anhydrase were expressed only in NCGl. Our results show that obesity remodels the physiological and metabolic behavior of glioma cancer cells. Also, proteins found differently expressed are implicated in several signaling pathways that control matrix remodeling, proliferation, progression, migration and invasion. In general our results support the idea that obesity may increase glioma malignancy, however, some interesting paradox finding were also reported and discussed.

Cavin 1 and cavin 2 roles on adipocyte cell function

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Breast cancer 1 (BrCa1) may be behind decreased lipogenesis in adipose tissue from obese subjects.

CONTEXT Expression and activity of the main lipogenic enzymes is paradoxically decreased in obesity, but the mechanisms behind these findings are poorly known. Breast Cancer 1 (BrCa1) interacts with acetyl-CoA carboxylase (ACC) reducing the rate of fatty acid biosynthesis. In this study, we aimed to evaluate BrCa1 in human adipose tissue according to obesity and insulin resistance, and in vitro cultured adipocytes. RESEARCH DESIGN AND METHODS BrCa1 gene expression, total and phosphorylated (P-) BrCa1, and ACC were analyzed in adipose tissue samples obtained from a total sample of 133 subjects. BrCa1 expression was also evaluated during in vitro differentiation of human adipocytes and 3T3-L1 cells. RESULTS BrCa1 gene expression was significantly up-regulated in both omental (OM; 1.36-fold, p = 0.002) and subcutaneous (SC; 1.49-fold, p = 0.001) adipose tissue from obese subjects. In parallel with increased BrCa1 mRNA, P-ACC was also up-regulated in SC (p = 0.007) as well as in OM (p = 0.010) fat from obese subjects. Consistent with its role limiting fatty acid biosynthesis, both BrCa1 mRNA (3.5-fold, p<0.0001) and protein (1.2-fold, p = 0.001) were increased in pre-adipocytes, and decreased during in vitro adipogenesis, while P-ACC decreased during differentiation of human adipocytes (p = 0.005) allowing lipid biosynthesis. Interestingly, BrCa1 gene expression in mature adipocytes was restored by inflammatory stimuli (macrophage conditioned medium), whereas lipogenic genes significantly decreased. CONCLUSIONS The specular findings of BrCa1 and lipogenic enzymes in adipose tissue and adipocytes reported here suggest that BrCa1 might help to control fatty acid biosynthesis in adipocytes and adipose tissue from obese subjects.

Irisin is expressed and produced by human muscle and adipose tissue in association with obesity and insulin resistance.

CONTEXT Recently irisin (encoded by Fndc5 gene) has been reported to stimulate browning and uncoupling protein 1 expression in sc adipose tissue of mice. OBJECTIVE The objective of the study was to investigate FNDC5 gene expression in human muscle and adipose tissue and circulating irisin according to obesity, insulin sensitivity, and type 2 diabetes. DESIGN, PATIENTS, AND MAIN OUTCOME MEASURE Adipose tissue FNDC5 gene expression and circulating irisin (ELISA) were analyzed in 2 different cohorts (n = 125 and n = 76); muscle FNDC5 expression was also evaluated in a subcohort of 34 subjects. In vitro studies in human preadipocytes and adipocytes and in induced browning of 3T3-L1 cells (by means of retinoblastoma 1 silencing) were also performed. RESULTS In both sc and visceral adipose tissue, FNDC5 gene expression decreased significantly in association with obesity and was positively associated with brown adipose tissue markers, lipogenic, insulin pathway-related, mitochondrial, and alternative macrophage gene markers and negatively associated with LEP, TNFα, and FSP27 (a known repressor of brown genes). Circulating irisin and irisin levels in adipose tissue were significantly associated with FNDC5 gene expression in adipose tissue. In muscle, the FNDC5 gene was 200-fold more expressed than in adipose tissue, and its expression was associated with body mass index, PGC1α, and other mitochondrial genes. In obese participants, FNDC5 gene expression in muscle was significantly decreased in association with type 2 diabetes. Interestingly, muscle FNDC5 gene expression was significantly associated with FNDC5 and UCP1 gene expression in visceral adipose tissue. In men, circulating irisin levels were negatively associated with obesity and insulin resistance. Irisin was secreted from human adipocytes into the media, and the induction of browning in 3T3-L1 cells led to increased secreted irisin levels. CONCLUSIONS Decreased circulating irisin concentration and FNDC5 gene expression in adipose tissue and muscle from obese and type 2 diabetic subjects suggests a loss of brown-like characteristics and a potential target for therapy.

Nuclear receptor PPARS function in stem cell differentiation and bone physiology

In adult, bone remodeling is a permanent process, reaching an annual turnover of about 10% of the skeleton. Bone remodeling requires the sequential and coordinated actions of the hematopoietic origin osteoclasts, to remove bone and the mesenchymal origin osteoblasts to replace it. An increased level of bone resorption is the primary cause of age-related bone loss often resulting in osteopenia, and is the major cause of osteoporosis.¦Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs), which are expressed in three isotypes, PPARa, PPARp and PPARy, are ligand-activated transcription factors that control many cellular and metabolic processes, more particularly linked to lipid metabolism. In bone, previous works has shown that PPARy inhibits osteogenesis by favoring adipogenesis from common mesenchymal progenitors. In addition, the pro-osteoclastogenesis activity of PPARy results in an increased bone resorption. Accordingly, treatment with PPARy agonist such as the anti-diabetic drug TZD causes bone loss and accumulation of marrow adiposity in mice as well as in postmenopausal women. The aim of the present thesis work was to elucidate the PPARs functions in bone physiology.¦The initial characterization of the PPARP" bone phenotype mainly revealed a decreased BMD. In vitro studies exploring the potency of mesenchymal stem cells to differentiate in osteoblast showed no differences depending on the genotype. However, we could demonstrate an effect of PPARp in partially inhibiting osteoclastogenesis. These results are further sustained by a study made in collaboration with the group of Dr Kronke, which showed an impressive protection against ovariectomy-generated bone loss when the females are treated with a PPARp agonist.¦Observations in PPARy null mice are more complex. The lab has recently been able to generate mice carrying a total deletion of PPARy. Intriguingly, the exploration of the bone phenotype of these mice revealed paradoxical findings. Whereas short bones such as vertebrae exhibit an elevated BMD as expected, long bones (tibia and femur) are clearly osteoporotic. According to their activity when set in culture, osteoblast differentiation normally occurs. Indeed the phenotype can be mainly attributed to a high density of osteoclasts in the cortical bone of PPARy null mice, associated to large bone resorption areas.¦Our explorations suggest a mechanism that involves regulatory processes linking osteoclastogenesis to adipogenesis, the latter being totally absent in PPARy null mice. Indeed, the lack of adipose tissue creates a favorable niche for osteoclastogenesis since conditioned medium made from differentiated adipocyte 3T3L1 inhibited osteoclastogenesis from both PPARy-/- and WT cells. Thus, adipokines deficiency in PPARy-/- mice contributes to de- repress osteoclastogenesis. Using specific blocking antibody, we further identified adiponectin as the major player among dozens of adipokines. Using flow cytometry assay, we explored the levels at which the osteoclastic commitment was perturbed in the bone marrow of PPARy-/- mice. Intriguingly, we observe a general decrease for hematopoietic stem cell and lineage progenitors but increased proportion of osteoclast progenitor in PPARy-/- bone marrow. The general decrease of HSC in the bone marrow is however largely compensated by an important extra-medullary hematopoeisis, taking place in the liver and in the spleen.¦These specific characteristics emphasize the key role of PPARy on a cross road of osteogenesis, adipogenesis and hematopoiesis/osteoclastogenesis. They underline the complexity of the bone marrow niche, and demonstrate the inter-dependance of different cell types in defining bone homeostasis, that may be overseen when experimental design single out pure cell populations.¦Chez l'adulte, même après la fin de la croissance, le renouvellement des os se poursuit et porte sur environ 10% de l'ensemble du squelette adulte, par année. Ce renouvellement implique à la fois des mécanismes séquentiels et coordonnés des ostéoclastes d'origine hématopoïetique, qui dégradent l'os, et des ostéoblastes d'origine mésenchymale, qui permettent la régénération de l'os. La perte en densité osseuse due à l'âge entraîne un fort niveau de résorption, conduisant souvent à une ostéopénie, elle-même cause de l'ostéoporose.¦Les trois isotypes PPAR (Peroxisome proliferator-activated receptor, PPARa, PPARp, et PPARy) sont des récepteurs nucléaires qui contrôlent de nombreux mécanismes cellulaires et métaboliques, plus particulièrement liés au métabolisme lipidique. Au niveau osseux, des travaux précédents ont montré que PPARy inhibe l'ostéoblastogenèse en favorisant la formation d'adipocytes à partir de la cellule progénitrice commune. De plus, l'activité pro- ostéoclastogénique de PPARy induit une résorption osseuse accrue. Condormément à ces observations, les patients diabétiques traités par les thiazolidinediones qui agissent sur PPARy, ont un risque accrue d'ostéoporose liée à une perte osseuse accrue et un accroissement de l'adiposité au niveau de la moelle osseuse. Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été d'élucider le rôle des PPAR dans la physiologie osseuse, en s'appuyant sur le phénotype des souris porteuses de mutation pour PPAR.¦La caractérisation initiale des os des souris porteuses d'une délétion de ΡΡΑΕφ a principalement révélé une diminution de la densité minérale osseuse (DMO). Alors que l'ostéogenèse n'est pas significativement altérée chez ces souris, l'ostéoclastogenèse est elle augmentée, suggérant un rôle modérateur de ce processus par ΡΡΑΕΙβ. Ces résultats sont par ailleurs soutenus par une étude menée par le groupe du Dr Krônke en collaboration avec notre groupe, et qui monte une protection très importante des souris traitées par un activateur de PPARP contre l'ostéoporose provoquée par l'ovariectomie.¦Les observations concernant PPARy donnent des résultats plus complexes. Le laboratoire a en effet été capable récemment de générer des souris portant une délétion totale de PPARy. Alors que les os courts chez ces souris présentent une augmentation de la DMO, comme attendu, les os longs sont clairement ostéoporotiques. Ce phénotype corrèle avec une densité élevée d'ostéoclastes dans l'os cortical de ces os longs. Deux processus semblent contribuer à ce phénotype. En premier lieu, nous démontrons qu'un milieu conditionné provenant de cultures de cellules 3T3-L1 différenciées en adipocytes contiennent une forte activité inhibitrice d'osteoclastogenesis. L'utilisation d'anticorps neutralisant permet d'identifier l'adiponectine comme l'un des facteurs principaux de cette inhibition. Les souris PPARy étant totalement dépourvues d'adipocytes et donc de tissu adipeux, la sécrétion locale d'adiponectine dans la moelle osseuse est donc également absente, entraînant une désinhibition de l'ostéoclastogenèse. En second lieu, des analyses par FACS révèle une proportion accrue des cellules progénitrices d'ostéoclastes dans la moelle osseuse. Cela s'accompagne par une diminution globale des cellules souches hématopoïétiques, qui est cependant largement compensée par une importante hématopoëise extra-médullaire, dans le foie comme dans la rate.¦L'ensemble de notre travail montre toute l'importance de PPARy au carrefour de l'ostéogenèse, adipogenèse, et hématopoëise/osteoclastogenèse. Il souligne la complexité de la niche que représente la moelle osseuse et démontre l'inter-dépendance des différents types cellulaires définissant l'homéostasie osseuse, complexité qui peut facilement être masqué lorsque le travail expérimental se concentre sur le comportement d'un type cellulaire donné.

The G0/G1 switch gene 2 is a novel PPAR target gene.

PPARs (peroxisome-proliferator-activated receptors) alpha, beta/delta and gamma are a group of transcription factors that are involved in numerous processes, including lipid metabolism and adipogenesis. By comparing liver mRNAs of wild-type and PPARalpha-null mice using microarrays, a novel putative target gene of PPARalpha, G0S2 (G0/G1 switch gene 2), was identified. Hepatic expression of G0S2 was up-regulated by fasting and by the PPARalpha agonist Wy14643 in a PPARalpha-dependent manner. Surprisingly, the G0S2 mRNA level was highest in brown and white adipose tissue and was greatly up-regulated during mouse 3T3-L1 and human SGBS (Simpson-Golabi-Behmel syndrome) adipogenesis. Transactivation, gel shift and chromatin immunoprecipitation assays indicated that G0S2 is a direct PPARgamma and probable PPARalpha target gene with a functional PPRE (PPAR-responsive element) in its promoter. Up-regulation of G0S2 mRNA seemed to be specific for adipogenesis, and was not observed during osteogenesis or myogenesis. In 3T3-L1 fibroblasts, expression of G0S2 was associated with growth arrest, which is required for 3T3-L1 adipogenesis. Together, these data indicate that G0S2 is a novel target gene of PPARs that may be involved in adipocyte differentiation.

The endocrine disruptor monoethyl-hexyl-phthalate is a selective peroxisome proliferator-activated receptor gamma modulator that promotes adipogenesis.

The ability of pollutants to affect human health is a major concern, justified by the wide demonstration that reproductive functions are altered by endocrine disrupting chemicals. The definition of endocrine disruption is today extended to broader endocrine regulations, and includes activation of metabolic sensors, such as the peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs). Toxicology approaches have demonstrated that phthalate plasticizers can directly influence PPAR activity. What is now missing is a detailed molecular understanding of the fundamental basis of endocrine disrupting chemical interference with PPAR signaling. We thus performed structural and functional analyses that demonstrate how monoethyl-hexyl-phthalate (MEHP) directly activates PPARgamma and promotes adipogenesis, albeit to a lower extent than the full agonist rosiglitazone. Importantly, we demonstrate that MEHP induces a selective activation of different PPARgamma target genes. Chromatin immunoprecipitation and fluorescence microscopy in living cells reveal that this selective activity correlates with the recruitment of a specific subset of PPARgamma coregulators that includes Med1 and PGC-1alpha, but not p300 and SRC-1. These results highlight some key mechanisms in metabolic disruption but are also instrumental in the context of selective PPAR modulation, a promising field for new therapeutic development based on PPAR modulation.

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.

Validation des effets antidiabétiques de Rhododendron groenlandicum, une plante médicinale des Cri de la Baie James, dans le modèle in vitro et in vivo : élucidation des mécanismes d’action et identification des composés actifs

Le diabète est un syndrome métabolique caractérisé par une hyperglycémie chronique due à un défaut de sécrétion de l’insuline, de l’action de l’insuline (sensibilité), ou une combinaison des deux. Plus d'un million de canadiens vivent actuellement avec le diabète. La prévalence de cette maladie est au moins trois fois plus élevée chez les autochtones que dans la population canadienne en général. Notre équipe vise à étudier les effets potentiellement antidiabétiques de certaines plantes médicinales utilisées par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec) où l’adhérence aux traitements médicamenteux est faible, en partie à cause de la déconnection culturelle de ces derniers. Grâce à une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées par cette population pour traiter des symptômes du diabète. Parmi ces plantes, l’extrait éthanolique de Rhododendron groenlandicum (Thé du Labrador) a montré un fort potentiel antidiabétique chez plusieurs lignées cellulaires, notamment les adipocytes (3T3-L1). Cette plante induit la différenciation adipocytaire probablement par l’activation du peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Cette stimulation améliore la résistance à l’insuline et constitue un mécanisme privilégié pour une classe de médicaments antidiabétiques, les thiazolidinediones. Le but de la présente étude est de valider l’efficacité et l’innocuité de R. groenlandicum in vivo, dans un modèle animal de résistance à l’insuline, d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets antidiabétiques et d’identifier les principes actifs responsables de son activité. L'isolation et l'identification des constituants actifs ont été réalisées à l’aide d'une approche de fractionnement guidé par bioessai; en l'occurrence, l'adipogénèse. Cette approche, réalisée dans la lignée adipocytaire 3T3-L1, a pour but de mesurer leur teneur en triglycérides. Des études in vivo ont été réalisées sur le modèle de souris DIO (diet induced obesity). L'extrait éthanolique du R. groenlandicum a été incorporé à la nourriture grasse (35% d’apport calorique lipidique) à trois doses différentes (125, 250 et 500 mg / kg) sur une période de 8 semaines. Des tissus cibles de l’insuline (foie, muscle squelettique et tissus adipeux) ont été récoltés afin de faire des analyses d’immunobuvardage de type western. La quercétine, la catéchine et l’épicatéchine ont été identifiées comme étant les composés actifs responsables de l'effet antidiabétique du R. groenlandicum. Seules la catéchine et l’épicatéchine activent l’adipogénèse uniquement à forte concentration (125-150 M), tandis que la quercétine l’inhibe. L’étude in vivo a montré que le traitement avec R. groenlandicum chez les souris DIO réduit le gain de poids de 6%, diminue l'hyperglycémie de 13% et l’insulinémie plasmatique de 65% et prévient l’apparition des stéatoses hépatiques (diminution de 42% de triglycéride dans le foie) sans être toxique. Les analyses d’immunobuvardage ont montré que R. groenlandicum stimule la voie de l’insuline via la phosphorylation de l’Akt et a augmenté le contenu protéique en Glut 4 dans les muscles des souris traitées. Par contre, dans le foie, le R. groenlandicum passerait par deux voies différentes, soit la voie insulino-dépendante par l’activation de l’AKT, soit la voie insulino-indépendante par la stimulation de l’AMPK. L’amélioration observée des stéatoses hépatiques chez les souris DIO traitées, a été confirmée par une baisse du facteur de transcription, SREBP-1, impliqué dans la lipogénèse de novo, ainsi qu’une diminution de l’inflammation hépatique (diminution de l’activité d’IKK α/β). En conclusion, l’ensemble de ces résultats soutiennent le potentiel thérapeutique de Rhododendron groenlandicum et de ses composants actifs dans le traitement et la prévention du diabète de type 2. Nous avons validé l'innocuité et l'efficacité de cette plante issue de la médecine traditionnelle Cri, qui pourrait être un traitement alternatif du diabète de type 2 dans une population ayant une faible adhérence au traitement pharmacologique existant.

Bioassay-guided fractionation of Larix laricina du Roi, and antidiabetic potentials of ethanol and hot water extracts of seventeen medicinal plants from the traditional pharmacopeia of the James Bay Cree

Nous avons utilisé une approche ethnobotanique pour identifier des espèces de plantes utilisées par les Cris afin de traiter les symptômes du diabète de type 2. Larix laricina du Roi (L. laricina) a récemment été identifiée comme une des meilleures plantes qui a stimulé le transport de glucose dans les cellules C2C12 et fortement potentialisé la différenciation des 3T3-L1 en indiquant une sensibilité potentiellement accrue à l’insuline. Ensuite, ces études de criblage ont été effectuées sur des extraits éthanolique (EE) en utilisant une série de bioessais in vitro. Cependant, les préparations traditionnelles des plantes sont souvent faites avec l’eau chaude. Le but de cette thèse de doctorat était d’isoler les principes actifs de L. laricina par un fractionnement guidé par l’adipogenèse; d’évaluer et de comparer l’activité et les mécanismes antidiabétiques des EE et des extraits aqueux (HWE) de ces 17 plantes. Pour le fractionnement de L. laricina, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau composé actif cycloartane triterpene, qui a amélioré fortement l’adipogenèse et a été responsable en partie de l’activité adipogénique (potentiellement similaire à l’effet sensibilisateur à l’insuline des glitazone) de l’extrait éthanolique issu de l’écorce de L. laricina. Pour le métabolisme lipidique, nos résultats ont confirmé que 10 parmi les 17 EE ont augmenté la différenciation des adipocytes alors que 2 extraits seulement l’ont inhibée. Les HWE ont montré une faible activité adipogénique ou antiadipogénique. Les EE de R. groenlandicum et K. angustifolia ont le PPAR γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ), le SREBP-1 (sterol regulatory element binding protein-1) et le C/EBP (CCAAT-enhancer binding proteins) α, alors que ceux de P. balsamifera et A. incana les ont inhibés. L’effet inhibiteur de P. balsamifera a également été prouvé d’avoir impliqué l’activation de la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK). Les EE et HWE de R. groenlandicum ont stimulé les mêmes facteurs de transcription alors que les extraits aqueux d’autres plantes sélectionnées ont perdu ces effets en comparaison avec leurs extraits éthanoliques respectifs. L’analyse phytochimique a également identifié le groupe des espèces actives et inactives, notamment lorsque les espèces ont été séparées par famille de plante. Finalement concernant l’homéostasie de glucose, nos résultats ont confirmé que plusieurs EE ont stimulé le transport de glucose musculaire et inhibé l’activité de la glucose-6-phosphatase (G6Pase) hépatique. Certains des HWE ont partiellement ou complètement perdu ces activités antidiabétiques par rapport aux EE, tandis qu’une seule plante (R.groenlandicum) a juste conservé un potentiel similaire entre les EE et HWE dans les deux essais. Dans les cellules musculaires, les EE de R.groenlandicum, A. incana et S. purpurea ont stimulé le transport de glucose en activant la voie de signalisation de l’AMPK et en augmentant le niveau d’expression des GLUT4. En comparaison avec les EE, les HWE de R.groenlandicum ont montré des activités similaires; les HWE de A. incana ont complètement perdu leur effet sur tous les paramètres étudiés; les HWE de S. purpurea ont activé la voie de l’insuline au lieu de celle de l’AMPK pour augmenter le transport de glucose. Dans les cellules H4IIE, les EE et HWE des 5 plantes ont activé la voie de l’AMPK, et en plus les EE et HWE de 2 plantes ont activé la voie de l’insuline. La quercétine-3-O-galactoside et la quercétine 3-O-α-L-arabinopyranoside ont été identifiées comme des composés ayant un fort potentiel antidiabétique et donc responsables de l'activité biologique des plantes HWE actifs avec le transport du glucose. En conclusion, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau triterpène actif à partir du fractionnement de L. laricina. Nous avons fourni également une preuve directe pour l'évaluation et la comparaison d'une action analogue à l'insuline ou insulino-sensibilisateur des EE et HWE de plantes médicinales Cris au niveau de muscle, de foie et de tissus adipeux. Une partie de leur action peut être liée à la stimulation des voies de signalisation intracellulaire insulino-dépendante et non-insulino-dépendante, ainsi que l’activation de PPARγ. Nos résultats indiquent que les espèces de plantes, les tissus ou les cellules cibles, ainsi que les méthodes d'extraction sont tous des déterminants significatifs de l'activité biologique de plantes médicinales Cris sur le métabolisme glucidique et lipidique.