Effects of erythropoietin on muscle O2 transport during exercise in patients with chronic renal failure.

Erythropoietin (rHuEPO) has proven to be effective in the treatment of anemia of chronic renal failure (CRF). Despite improving the quality of life, peak oxygen uptake after rHuEPO therapy is not improved as much as the increase in hemoglobin concentration ([Hb)] would predict. We hypothesized that this discrepancy is due to failure of O2 transport rates to rise in a manner proportional to [Hb]. To test this, eight patients with CRF undergoing regular hemodialysis were studied pre- and post-rHuEPO ([Hb] = 7.5 +/- 1.0 vs. 12.5 +/- 1.0 g x dl-1) using a standard incremental cycle exercise protocol. A group of 12 healthy sedentary subjects of similar age and anthropometric characteristics served as controls. Arterial and femoral venous blood gas data were obtained and coupled with simultaneous measurements of femoral venous blood flow (Qleg) by thermodilution to obtain O2 delivery and oxygen uptake (VO2). Despite a 68% increase in [Hb], peak VO2 increased by only 33%. This could be explained largely by reduced peak leg blood flow, limiting the gain in O2 delivery to 37%. At peak VO2, after rHuEPO, O2 supply limitation of maximal VO2 was found to occur, permitting the calculation of a value for muscle O2 conductance from capillary to mitochondria (DO2). While DO2 was slightly improved after rHuEPO, it was only 67% of that of sedentary control subjects. This kept maximal oxygen extraction at only 70%. Two important conclusions can be reached from this study. First, the increase in [Hb] produced by rHuEPO is accompanied by a significant reduction in peak blood flow to exercising muscle, which limits the gain in oxygen transport. Second, even after restoration of [Hb], O2 conductance from the muscle capillary to the mitochondria remains considerably below normal.

Interplay of oxidative, nitrosative/nitrative stress, inflammation, cell death and autophagy in diabetic cardiomyopathy.

Diabetes is a recognized risk factor for cardiovascular diseases and heart failure. Diabetic cardiovascular dysfunction also underscores the development of diabetic retinopathy, nephropathy and neuropathy. Despite the broad availability of antidiabetic therapy, glycemic control still remains a major challenge in the management of diabetic patients. Hyperglycemia triggers formation of advanced glycosylation end products (AGEs), activates protein kinase C, enhances polyol pathway, glucose autoxidation, which coupled with elevated levels of free fatty acids, and leptin have been implicated in increased generation of superoxide anion by mitochondria, NADPH oxidases and xanthine oxidoreductase in diabetic vasculature and myocardium. Superoxide anion interacts with nitric oxide forming the potent toxin peroxynitrite via diffusion limited reaction, which in concert with other oxidants triggers activation of stress kinases, endoplasmic reticulum stress, mitochondrial and poly(ADP-ribose) polymerase 1-dependent cell death, dysregulates autophagy/mitophagy, inactivates key proteins involved in myocardial calcium handling/contractility and antioxidant defense, activates matrix metalloproteinases and redox-dependent pro-inflammatory transcription factors (e.g. nuclear factor kappaB) promoting inflammation, AGEs formation, eventually culminating in myocardial dysfunction, remodeling and heart failure. Understanding the complex interplay of oxidative/nitrosative stress with pro-inflammatory, metabolic and cell death pathways is critical to devise novel targeted therapies for diabetic cardiomyopathy, which will be overviewed in this brief synopsis. This article is part of a Special Issue entitled: Autophagy and protein quality control in cardiometabolic diseases.

Urate-induced acute renal failure and chronic inflammation in liver-specific Glut9 knockout mice.

Plasma urate levels are higher in humans than rodents (240-360 vs. â^¼30 μM) because humans lack the liver enzyme uricase. High uricemia in humans may protect against oxidative stress, but hyperuricemia also associates with the metabolic syndrome, and urate and uric acid can crystallize to cause gout and renal dysfunctions. Thus, hyperuricemic animal models to study urate-induced pathologies are needed. We recently generated mice with liver-specific ablation of Glut9, a urate transporter providing access of urate to uricase (LG9KO mice). LG9KO mice had moderately high uricemia (â^¼120 μM). To further increase their uricemia, here we gavaged LG9KO mice for 3 days with inosine, a urate precursor; this treatment was applied in both chow- and high-fat-fed mice. In chow-fed LG9KO mice, uricemia peaked at 300 μM 2 h after the first gavage and normalized 24 h after the last gavage. In contrast, in high-fat-fed LG9KO mice, uricemia further rose to 500 μM. Plasma creatinine strongly increased, indicating acute renal failure. Kidneys showed tubule dilation, macrophage infiltration, and urate and uric acid crystals, associated with a more acidic urine. Six weeks after inosine gavage, plasma urate and creatinine had normalized. However, renal inflammation, fibrosis, and organ remodeling had developed despite the disappearance of urate and uric acid crystals. Thus, hyperuricemia and high-fat diet feeding combined to induce acute renal failure. Furthermore, a sterile inflammation caused by the initial crystal-induced lesions developed despite the disappearance of urate and uric acid crystals.

Screening for wound-induced oxylipins in Arabidopsis thaliana by differential HPLC-APCI/MS profiling of crude leaf extracts and subsequent characterisation by capillary-scale NMR

A simple non-targeted differential HPLC-APCI/MS approach has been developed in order to survey metabolome modifications that occur in the leaves of Arabidopsis thaliana following wound-induced stress. The wound-induced accumulation of metabolites, particularly oxylipins, was evaluated by HPLC-MS analysis of crude leaf extracts. A generic, rapid and reproducible pressure liquid extraction procedure was developed for the analysis of restricted leaf samples without the need for specific sample preparation. The presence of various oxylipins was determined by head-to-head comparison of the HPLC-MS data, filtered with a component detection algorithm, and automatically compared with the aid of software searching for small differences in similar HPLC-MS profiles. Repeatability was verified in several specimens belonging to different series. Wound-inducible jasmonates were efficiently highlighted by this non-targeted approach without the need for complex sample preparation as is the case for the 'oxylipin signature' procedure based on GC-MS. Furthermore this HPLC-MS screening technique allowed the isolation of induced compounds for further characterisation by capillary-scale NMR (CapNMR) after HPLC scale-up. In this paper, the screening method is described and applied to illustrate its potential for monitoring polar and non-polar stress-induced constituents as well as its use in combination with CapNMR for the structural assignment of wound-induced compounds of interest

Fatigue analysis of brackets with and without scallop for bridge and other deck structure using effective notch stress.

Due to functional requirement of a structural detail brackets with and without scallop are frequently used in bridges, decks, ships and offshore structure. Scallops are designed to serve as passage way for fluids, to reduce weld length and plate distortions. Moreover, scallops are used to avoid intersection of two or more welds for the fact that there is the presence of inventible inherent initial crack except for full penetrated weld and the formation of multi-axial stress state at the weld intersection. Welding all around the scallop corner increase the possibility of brittle fracture even for the case the bracket is not loaded by primary load. Avoiding of scallop will establish an initial crack in the corner if bracket is welded by fillet welds. If the two weld run pass had crossed, this would have given a 3D residual stress situation. Therefore the presences and absence of scallop necessitates the 3D FEA fatigue resistance of both types of brackets using effective notch stress approach ( ). FEMAP 10.1 with NX NASTRAN was used for the 3D FEA. The first and main objective of this research was to investigate and compare the fatigue resistance of brackets with and without scallop. The secondary goal was the fatigue design of scallops in case they cannot be avoided for some reason. The fatigue resistance for both types of brackets was determined based on approach using 1 mm fictitiously rounded radius based on IIW recommendation. Identical geometrical, boundary and loading conditions were used for the determination and comparison of fatigue resistance of both types of brackets using linear 3D FEA. Moreover the size effect of bracket length was also studied using 2D SHELL element FEA. In the case of brackets with scallop the flange plate weld toe at the corner of the scallop was found to exhibit the highest and made the flange plate weld toe critical for fatigue failure. Whereas weld root and weld toe at the weld intersections were the highly stressed location for brackets without scallop. Thus weld toe for brackets with scallop, and weld root and weld toe for brackets without scallop were found to be the critical area for fatigue failure. Employing identical parameters on both types of brackets, brackets without scallop had the highest except for full penetrated weld. Furthermore the fatigue resistance of brackets without scallop was highly affected by the lack of weld penetration length and it was found out that decreased as the weld penetration was increased. Despite the fact that the very presence of scallop reduces the stiffness and also same time induce stress concentration, based on the 3D FEA it is worth concluding that using scallop provided better fatigue resistance when both types of brackets were fillet welded. However brackets without scallop had the highest fatigue resistance when full penetration weld was used. This thesis also showed that weld toe for brackets with scallop was the only highly stressed area unlike brackets without scallop in which both weld toe and weld root were the critical locations for fatigue failure when different types of boundary conditions were used. Weld throat thickness, plate thickness, scallop radius, lack of weld penetration length, boundary condition and weld quality affected the fatigue resistance of both types of brackets. And as a result, bracket design procedure, especially welding quality and post weld treatment techniques significantly affect the fatigue resistance of both type of brackets.

Fatigue study of the fillet weld waving on weld toe and the penetration in the weld root based on the effective notch stress approach

The fatigue failure of structures under fluctuating loads in fillet weld joints raises a demand to determine the parameters related to this type of loading. In this study, the stress distribution in the susceptible area of weld toe and weld root in fillet welded models analyzed by finite element method applying FEMAP software. To avoid the geometrical singularity on the path of analytical stress analysis in the toe and root area of a weld model the effective notch stress approach applied by which a proper fictitious rounding that mostly depend on the material of structure is applied. The models with different weld toe waving width and radius are analyzed while the flank angle of weld varied in 45 and 30 degrees. The processed results shows that the waving compare to the straight weld toe makes differences in the value of stress and consequently the stress concentration factor between the tip and depth of the waves in the weld toe which helps to protect the crack of propagation and gives enough time and tools to be informed of the crack initiation in the structure during the periodical observation of structure. In the weld root study the analyses among the models with the welding penetration percentage from non-penetration to the full-penetration shows a slightly increase in the root area stress value which comparing with the stiffening effect of penetration conclude that the half-penetration can make an optimization between the stress increase and stiffening effect of deep penetration.

Simulation of structural stress history based on dynamic analysis

Modern machine structures are often fabricated by welding. From a fatigue point of view, the structural details and especially, the welded details are the most prone to fatigue damage and failure. Design against fatigue requires information on the fatigue resistance of a structure’s critical details and the stress loads that act on each detail. Even though, dynamic simulation of flexible bodies is already current method for analyzing structures, obtaining the stress history of a structural detail during dynamic simulation is a challenging task; especially when the detail has a complex geometry. In particular, analyzing the stress history of every structural detail within a single finite element model can be overwhelming since the amount of nodal degrees of freedom needed in the model may require an impractical amount of computational effort. The purpose of computer simulation is to reduce amount of prototypes and speed up the product development process. Also, to take operator influence into account, real time models, i.e. simplified and computationally efficient models are required. This in turn, requires stress computation to be efficient if it will be performed during dynamic simulation. The research looks back at the theoretical background of multibody dynamic simulation and finite element method to find suitable parts to form a new approach for efficient stress calculation. This study proposes that, the problem of stress calculation during dynamic simulation can be greatly simplified by using a combination of floating frame of reference formulation with modal superposition and a sub-modeling approach. In practice, the proposed approach can be used to efficiently generate the relevant fatigue assessment stress history for a structural detail during or after dynamic simulation. In this work numerical examples are presented to demonstrate the proposed approach in practice. The results show that approach is applicable and can be used as proposed.

Head-to-head comparison of dipyridamole, dobutamine and pacing stress echocardiography for the detection of myocardial ischemia in an animal model of coronary artery stenosis

To compare the sensitivity of dipyridamole, dobutamine and pacing stress echocardiography for the detection of myocardial ischemia we produced a physiologically significant stenosis in the left circumflex artery of 14 open-chest dogs (range: 50 to 89% reduction in luminal diameter). In each study, dobutamine (5 to 40 µg kg-1 min-1 in 3-min stages) and pacing (20 bpm increments, each 2 min, up to 260 bpm) were performed randomly, and then followed by dipyridamole (up to 0.84 mg/kg over 10 min). The positivity of stress echocardiography tests was quantitatively determined by a significant (P<0.05) reduction of or failure to increase absolute and percent systolic wall thickening in the stenotic artery supplied wall, as compared to the opposite wall (areas related to the left anterior descending artery). Systolic and diastolic frozen images were analyzed off-line by two blinded observers in the control and stress conditions. The results showed that 1) the sensitivity of dobutamine, dipyridamole and pacing stress tests was 57, 57 and 36%, respectively; 2) in animals with positive tests, the mean percent change of wall thickening in left ventricular ischemic segments was larger in the pacing (-19 ± 11%) and dipyridamole (-18 ± 16%) tests as compared to dobutamine (-9 ± 6%) (P = 0.05), but a similar mean reduction of wall thickening was observed when this variable was normalized to a control left ventricular segment (area related to the left anterior descending artery) (pacing: -16 ± 7%; dipyridamole: -25 ± 16%; dobutamine: -26 ± 10%; not significant), and 3) a significant correlation was observed between magnitude of coronary stenosis and left ventricular segmental dysfunction induced by ischemia in dogs submitted to positive stress tests. We conclude that the dobutamine and dipyridamole stress tests showed identical sensitivities for the detection of myocardial ischemia in this one-vessel disease animal model with a wide range of left circumflex artery stenosis. The pacing stress test was less sensitive, but the difference was not statistically significant. The magnitude of segmental left ventricular dysfunction induced by ischemia was similar in all stress tests evaluated.

Effect of exercise training and carvedilol treatment on cardiac function and structure in mice with sympathetic hyperactivity-induced heart failure

The present investigation was undertaken to study the effect of β-blockers and exercise training on cardiac structure and function, respectively, as well as overall functional capacity in a genetic model of sympathetic hyperactivity-induced heart failure in mice (α2A/α2CArKO). α2A/α2CArKO and their wild-type controls were studied for 2 months, from 3 to 5 months of age. Mice were randomly assigned to control (N = 45), carvedilol-treated (N = 29) or exercise-trained (N = 33) groups. Eight weeks of carvedilol treatment (38 mg/kg per day by gavage) or exercise training (swimming sessions of 60 min, 5 days/week) were performed. Exercise capacity was estimated using a graded treadmill protocol and HR was measured by tail cuff. Fractional shortening was evaluated by echocardiography. Cardiac structure and gastrocnemius capillary density were evaluated by light microscopy. At 3 months of age, no significant difference in fractional shortening or exercise capacity was observed between wild-type and α2A/α2CArKO mice. At 5 months of age, all α2A/α2CArKO mice displayed exercise intolerance and baseline tachycardia associated with reduced fractional shortening and gastrocnemius capillary rarefaction. In addition, α2A/ α2CArKO mice presented cardiac myocyte hypertrophy and ventricular fibrosis. Exercise training and carvedilol similarly improved fractional shortening in α2A/α2CArKO mice. The effect of exercise training was mainly associated with improved exercise tolerance and increased gastrocnemius capillary density while β-blocker therapy reduced cardiac myocyte dimension and ventricular collagen to wild-type control levels. Taken together, these data provide direct evidence for the respective beneficial effects of exercise training and carvedilol in α2A/α2CArKO mice preventing cardiac dysfunction. The different mechanisms associated with beneficial effects of exercise training and carvedilol suggest future studies associating both therapies.

The role of stress-activated protein kinase signaling in renal pathophysiology

Two major stress-activated protein kinases are the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) and the c-Jun amino terminal kinase (JNK). p38 and JNK are widely expressed in different cell types in various tissues and can be activated by a diverse range of stimuli. Signaling through p38 and JNK is critical for embryonic development. In adult kidney, p38 and JNK signaling is evident in a restricted pattern suggesting a normal physiological role. Marked activation of both p38 and JNK pathways occurs in human renal disease, including glomerulonephritis, diabetic nephropathy and acute renal failure. Administration of small molecule inhibitors of p38 and JNK has been shown to provide protection from renal injury in different types of experimental kidney disease through inhibition of renal inflammation, fibrosis, and apoptosis. In particular, a role for JNK signaling has been identified in macrophage activation resulting in up-regulation of pro-inflammatory mediators and the induction of renal injury. The ability to provide renal protection by blocking either p38 or JNK indicates a lack of redundancy for these two signaling pathways despite their activation by common stimuli. Therefore, the stress-activated protein kinases, p38 and JNK, are promising candidates for therapeutic intervention in human renal diseases.

Focal adhesion kinase signaling in cardiac hypertrophy and failure

Focal adhesion kinase (FAK) is a broadly expressed tyrosine kinase implicated in cellular functions such as migration, growth and survival. Emerging data support a role for FAK in cardiac development, reactive hypertrophy and failure. Data reviewed here indicate that FAK plays a critical role at the cellular level in the responses of cardiomyocytes and cardiac fibroblasts to biomechanical stress and to hypertrophic agonists such as angiotensin II and endothelin. The signaling mechanisms regulated by FAK are discussed to provide insight into its role in the pathophysiology of cardiac hypertrophy and failure.

Cerebral edema and acute liver failure : pathophysiological mechanisms and new therapeutic approaches

L’encéphalopathie hépatique (EH) se développe chez les patients atteints d’une maladie du foie et se caractérise par de nombreuses anomalies neuropsychiatriques. L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par une perte progressive de l’état de conscience, par une augmentation rapide de l’œdème cérébral et une augmentation de la pression intracrânienne entraînant une herniation cérébrale et la mort. Plusieurs facteurs sont responsables du développement de l’EH mais depuis une centaine d’années, l’hyperammonémie qui peut atteindre des concentrations de l’ordre de plusieurs millimolaires chez les patients atteints d’IHA aux stades de coma est considérée comme un facteur crucial dans la pathogenèse de l’EH. La présente thèse comprend 4 articles suggérant l’implication de nouveaux mécanismes pathogéniques dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA et tente d’expliquer l’effet thérapeutique de l’hypothermie et de la minocycline dans la prévention de l’EH et de l’œdème cérébral: 1. L’IHA induite par dévascularisation hépatique chez le rat se caractérise par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (IL-6, IL-1, TNF-). Cette observation constitue la première évidence directe que des mécanismes neuro-inflammatoires jouent une rôle dans la pathogenèse de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA (Chapitre 2.1, articles 1 et 2). 2. L’activation de la microglie telle que mesurée par l’expression de marqueurs spécifiques (OX42, OX-6) coïncide avec le développement de l’encéphalopathie (stade coma) et de l’œdème cérébral et s’accompagne d’une production accrue de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (Chapitre 2.1, article 1 et 2). 3. Un stress oxydatif/nitrosatif causé par une augmentation de l’expression de l’oxyde nitrique synthétase et une augmentation de la synthèse d’oxyde nitrique cérébral participe à la pathogénèse des complications neurologiques de l’IHA (Chapitre 2.3, articles 3 et 4). 4. Des traitements anti-inflammatoires tels que l’hypothermie et la minocycline peuvent constituer de nouvelles approches thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA (Chapitre 2.1, article 1; Chapitre 2.2, article 2). 5. Les effets bénéfiques de l’hypothermie et de la minocycline sur les complications neurologiques de l’IHA expérimentale s’expliquent, en partie, par une diminution du stress oxydatif/nitrosatif (Chapitre 2.3, article 3; Chapitre 2.4, article 4).

Le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans la pathogénèse de l’encéphalopathie hépatique chronique

L'encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique dû à une dysfonction hépatique où l'ammoniaque est un facteur central. Il a déjà été rapporté que l’intoxication aiguë d'ammoniaque induise le stress oxydatif/nitrosatif. La présente étude cible à évaluer le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans 2 modèles de l’EH chronique : (1) l’anastomose portocave (PCA) et (2) la ligation de la voie biliaire (BDL). Ces 2 modèles sont caractérisés par une hyperammoniémie et une augmentation d’ammoniaque centrale, cependant l’œdème cérébral est trouvé seulement chez les rats BDL. Des marqueurs du stress oxydatif/nitrosatif ont été évaluées dans le plasma et cortex frontal. Un stress nitrosatif central a été observé chez les rats PCA; tandis qu’un stress oxydatif/nitrosatif systémique a été démontré seulement chez les rats BDL. Ces résultats suggèrent (1) que l’hyperammoniémie chronique n’induise pas le stress oxydatif/nitrosatif systémique et (2) qu’un synergisme existe entre l’ammoniaque et le stress oxydatif/nitrosatif, en association avec l’œdème cérébral.

Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.