Oxidative and nonoxidative glucose metabolism following graded doses of oral glucose in man.

The oxidative and nonoxidative glucose metabolism represent the two major mechanisms of the utilization of a glucose load. Eight normal subjects were administered oral loads of 50, 100 and 150 g glucose and gas exchange measurements were performed for eight hours by means of computerized continuous indirect calorimetry. The glycemic peaks were almost identical with all three doses with a rise to between 141 and 147 mg/dl at 60 min. The fall back to basal level was reached later with the high than with the low glucose doses. The glucose oxidation rate rose to values between 223 and 253 mg/min after the three glucose doses, but while falling immediately after the peak at 120 min following the 50 g load, the glucose oxidation rate remained at its maximum rate until 210 min for the 100 g glucose load and plateaued up to 270 min for the 150 g glucose dose. The oxidation rates then fell gradually to reach basal levels at 270, 330 and 420 min according to the increasing size of the load. Altogether 55 +/- 3 g glucose were oxidized during the 8 hours following the 50 g glucose load, 75 +/- 3 g after the 100 g load and 80 +/- 5 g after the 150 g load. The nonoxidative glucose disposal, which corresponds essentially to glucose storage, varied according to the size of the glucose load, with uptakes of 20 +/- 1, 60 +/- 1 and 110 +/- 1 g glucose 180 min after the 50, 100 and 150 g glucose loads respectively.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Combination of enteral and parenteral nutrition in intensive care patients: A new concept of optimization

Undernutrition is a widespread problem in intensive care unit and is associated with a worse clinical outcome. A state of negative energy balance increases stress catabolism and is associated with increased morbidity and mortality in ICU patients. Undernutrition-related increased morbidity is correlated with an increase in the length of hospital stay and health care costs. Enteral nutrition is the recommended feeding route in critically ill patients, but it is often insufficient to cover the nutritional needs. The initiation of supplemental parenteral nutrition, when enteral nutrition is insufficient, could optimize the nutritional therapy by preventing the onset of early energy deficiency, and thus, could allow to reduce morbidity, length of stay and costs, shorten recovery period and, finally, improve quality of life. (C) 2009 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Etude des mécanismes de la calcification artérielle des membres inférieurs dans le diabète dans une perspective thérapeutique "Etude DIACART"

1. Contexte La physiopathologie de l'artériopathie diabétique a fait l'objet de nombreuses études qui ont révélé l'importance des voies de l'ostéogenèse et de la glycation. Ces nouvelles connaissances s'avèrent prometteuses, notamment dans une perspective thérapeutique. Mais peu d'études se sont intéressées à l'artériopathie des membres inférieurs en présence de diabète. 2. Objectifs L'objectif principal est d'étudier l'association entre marqueurs de remodelage osseux, glycation avancée et calcification artérielle des membres inférieurs en présence de diabète afin de pouvoir par la suite et sur la base d'un bon niveau de preuves, mettre en place des protocoles à visée thérapeutique ciblant spécifiquement ces mécanismes physiopathologiques. Le processus ciblé est la calcification artérielle, particulièrement prévalente en présence de diabète, mais dont la localisation aux membres inférieurs est encore peu étudiée en clinique. Nous étudions également la relation de la calcification artérielle avec de nombreux autres paramètres, notamment des marqueurs inflammatoires, l'adiponectine, le métabolisme phosphocalcique et la neuropathie diabétique. 3. Méthodologie Notre protocole est intitulé DIACART (« DIAbète et Calcification ARTérielle »). Il s'agit d'une étude transversale et prospective menée par le groupe hospitalier universitaire Pitié-Salpêtrière (GHPS) à Paris, sous la direction du Professeur Agnès Hartemann, cheffe du service de diabétologie. J'ai été le médecin responsable des visites d'inclusion. Ma thèse se décline en 3 parties : la 1ère partie s'intéresse aux données actuelles de la littérature sur l'artériopathie diabétique : épidémiologie, facteurs de risque, traitement, physiopathologie ; la 2e partie décrit la mise en oeuvre du protocole DIACART et présente les résultats de la partie transversale de cette étude. La 3e partie présente les 3 études ancillaires au protocole DIACART, qui ont donné lieu à 3 articles dont l'un a été accepté pour publication le 3.02.2013, alors que les 2 autres ont été soumis en mars 2013 et sont en revue. 4. Résultats et conclusion Les résultats transversaux de notre étude suggèrent que l'ostéoprotégérine (OPG), la fétuine A et la glycation avancée sont impliquées dans le processus de calcification des artères des membres inférieurs chez les patients diabétiques. Par ailleurs, nous observons une relation positive très forte entre adiponectine et artériopathie périphérique. Notre étude confirme également le lien connu entre calcification artérielle et différents marqueurs et/ou facteurs de risque cardiovasculaire (RCV) : âge, sexe, durée du diabète, tabagisme, neuropathie, néphropathie, rétinopathie. L'analyse prospective apportera des notions complémentaires quant aux liens dynamiques de ces variables avec la calcification artérielle, aidera à préciser leur rôle comme marqueurs et/ou facteurs de RCV, et permettra peut-être la mise en place d'essais thérapeutiques ciblant ces mécanismes.

Trends in overweight and obesity levels in Geneva: time for optimism?

Background/Introduction: ln Switzerland, most trends in overweight and obesity levels have been assessed using reported data, a methodology which is prone to reporting bias. ln this study, we aimed at assessing trends in overweight and obesity levels using objectively measured data. Methods: We used independent cross-sectional data collected between 2005 and 2011 by the Bus Santé study on representative samples of the Geneva population. Trends were assessed overall and according to different characteristics of the participants. Overweight and obesity were defined as a body mass index (BMI) between 25 and 29.9 kg/m2 and >=30 kg/m2, respectively. Results: Data from 4093 participants (2012 men) was assessed. Mean BMI was 25.2 ± 4.3 kg/m2 (mean ±standard deviation) in 2005 and 25.4 ± 4.3 in 2011 (p for trend using linear regression=0.98). For men, mean BMI was 26.3 ± 3.8 kg/m2 in 2005 and 26.1 ± 3.7 in 2011 (p for trend=0.37); for women, the corresponding values were 24.3 ± 4.6 and 24.7 ± 4.7 kg/m2 (p for trend=0.42). Overall prevalence of overweight and obesity was 32.2% and 13.3%, respectively, in 2005 and 33.6% and 13.7% in 2011 (p for trend using polytomous logistic regression adjusting for gender, age and smoking=0.49 and 0.94 for overweight and obesity, respectively). For men, prevalence of overweight and obesity was 45.9% and 12.2% in 2005 and 42.1 % and 14.6% in 2011 (P for trend=0.03 for overweight and 0.81 for obesity); for women, the corresponding values were 20.4% and 14.2% in 2005 and 25.4% and 12.9% in 2011 (p for trend=0.13 for overweight and 0.99 for obesity). Conclusion: Overweight and obesity levels appear to have levelled in Geneva, with a possible decrease in overweight levels in men. These favorable findings should be replicated in other geographical locations.

Modulation of fructose metabolism by dietary factors

High fructose consumption is associated with obesity and characteristics of metabolic syndrome. This includes insulin resistance, dyslipidemia, type II diabetes and hepatic steatosis, the hepatic component of metabolic syndrome. Short term high fructose consumption in healthy humans is considered as a study model to increase intrahepatocellular lipids (IHCL). Protein supplementation added to a short term high fructose diet exerts a protective role on hepatic fat accumulation. Fructose disposal after an acute fructose load is well established. However, fructose disposal is usually studied when a high intake of fructose is ingested. Interaction of fructose with other macronutrients on fructose disposal is not clearly established. We wanted to assess how fructose disposal is modulated with nutritional factors. For the first study, we addressed the question of how would essential amino acid (EAA) supplemented to a high fructose diet have an impact on hepatic fat accumulation? We tried to distinguish which metabolic pathways were responsible for the increase in IHCL induced by high fructose intake and how those pathways would be modulated by EAA. After 6 days of hypercaloric high fructose diet, we observed, as expected an increase in IHCL modulated by an increase in VLDL-triglycerides and an increase in VLDL-13C-palmitate production. When adding a supplementation in EAA, we observed a decrease in IHCL but we could not define which mechanism was responsible for this process. With the second study, we were interested to observe fructose disposal after a test meal that contained lipid, protein and a physiologic dose of fructose co-ingested or not with glucose. When ingested with other macronutrients, hepatic fructose disposal is similar as when ingested as pure fructose. It induced oxidation, gluconeogenesis followed by glycogen synthesis, conversion into lactate and to a minor extent by de novo lipogenesis. When co- ingested with glucose decreased fructose oxidation as well as gluconeogenesis and an increased glycogen synthesis without affecting de novo lipogenesis or lactate. We were also able to observe induction of intestinal de novo lipogenesis with both fructose and fructose co- ingested with glucose. In summary, essential amino acids supplementation blunted increase in hepatic fat content induced by a short term chronic fructose overfeeding. However, EAA failed to improve other cardiovascular risk factors. Under isocaloric condition and in the frame of an acute test meal, physiologic dose of fructose associated with other macronutrients led to the same fructose disposal as when fructose is ingested alone. When co-ingested with glucose, we observed a decrease in fructose oxidation and gluconeogenesis as well as an increased in glycogen storage without affecting other metabolic pathways. - Une consommation élevée en fructose est associée à l'obésité et aux caractéristiques du syndrome métabolique. Ces dernières incluent une résistance à l'insuline, une dyslipidémie, un diabète de type II et la stéatose hépatique, composant hépatique du syndrome métabolique. À court terme une forte consommation en fructose chez l'homme sain est considérée comme un modèle d'étude pour augmenter la teneur en graisse hépatique. Une supplémentation en protéines ajoutée à une alimentation riche en fructose de courte durée a un effet protecteur sur l'accumulation des graisses au niveau du foie. Le métabolisme du fructose après une charge de fructose aiguë est bien établi. Toutefois, ce dernier est généralement étudié quand une consommation élevée de fructose est donnée. L'interaction du fructose avec d'autres macronutriments sur le métabolisme du fructose n'est pas connue. Nous voulions évaluer la modulation du métabolisme du fructose par des facteurs nutritionnels. Pour la première étude, nous avons abordé la question de savoir quel impact aurait une supplémentation en acides aminés essentiels (AEE) associé à une alimentation riche en fructose sur l'accumulation des graisses hépatiques. Nous avons essayé de distinguer les voies métaboliques responsables de l'augmentation des graisses hépatiques induite par l'alimentation riche en fructose et comment ces voies étaient modulées par les AEE. Après 6 jours d'une alimentation hypercalorique riche en fructose, nous avons observé, comme attendu, une augmentation des graisses hépatiques modulée par une augmentation des triglycérides-VLDL et une augmentation de la production de VLDL-13C-palmitate. Lors de la supplémentation en AEE, nous avons observé une diminution des graisses hépatiques mais les mécanismes responsables de ce processus n'ont pas pu être mis en évidence. Avec la seconde étude, nous nous sommes intéressés à observer le métabolisme du fructose après un repas test contenant des lipides, des protéines et une dose physiologique de fructose co-ingéré ou non avec du glucose. Lorsque le fructose était ingéré avec les autres macronutriments, le devenir hépatique du fructose était similaire à celui induit par du fructose pur. Il a induit une oxydation, suivie d'une néoglucogenèses, une synthèse de glycogène, une conversion en lactate et dans une moindre mesure une lipogenèse de novo. Lors de la co-ngestion avec du glucose, nous avons observé une diminution de l'oxydation du fructose et de la néoglucogenèse et une augmentation de la synthèse du glycogène, sans effet sur la lipogenèse de novo ni sur le lactate. Nous avons également pu mettre en évidence que le fructose et le fructose ingéré de façon conjointe avec du glucose ont induit une lipogenèse de novo au niveau de l'intestin. En résumé, la supplémentation en acides aminés essentiels a contrecarré l'augmentation de la teneur en graisse hépatique induite par une suralimentation en fructose sur le court terme. Cependant, la supplémentation en AEE a échoué à améliorer d'autres facteurs de risque cardiovasculaires. Dans la condition isocalorique et dans le cadre d'un repas test aiguë, la dose physiologique de fructose associée à d'autres macronutriments a conduit aux mêmes aboutissants du métabolisme du fructose que lorsque le fructose est ingéré seul. Lors de la co-ngestion avec le glucose, une diminution de l'oxydation du fructose est de la néoglucogenèse est observée en parallèle à une augmentation de la synthèse de glycogène sans affecter les autres voies métaboliques.

PPAR beta a player in astrocyte metabolism and morphology

AbstractPPARP is a nuclear receptor responding in vivo to several free fatty acids, and implicated in cell metabolism, differentiation and survival. PPARp is ubiquitously expressed but shows high expression in the developing and adult brain. PPARp is expressed in different cell types such as neurons and astrocytes, where it might play a role in metabolism. To study this nuclear receptor the laboratory engineered a PPARP -/- mouse model. The aim of my PhD was to dissect the role of PPARP in astrocytes.Experiments in primary culture revealed that cortical astrocytes from PPARP -/- mouse have an impaired energetic metabolism. Unstimulated PPARP -/- astrocytes exhibit a 30% diminution in glucose uptake, correlating to a 30% decrease in lactate release and intracellular glucose. After acute stimulation by D- aspartate mimicking glutamate exposure, both WT and -/- astrocytes up-regulate their metabolism to respond to the increasing energy needed (ATP) for glutamate uptake. According to the Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), the ratio between glucose uptake/ lactate release is 1. However, stimulated PPARp -/- astrocytes display a higher increase in lactate release than glucose uptake which remains lower than in WT. The extra glucose equivalents could come from the degradation of intra cellular glycogen stores, which indeed decrease in PPARP -/- cells upon stimulation. Lower glucose metabolism correlates with a decreased acute glutamate uptake in PPARP -/- astrocytes. Reciprocally, we also observed an increase of glutamate uptake and ATP production after treatment of WT astrocytes with a PPARp agonist. Glutamate transporter protein expression is not affected. However, their trafficking and localization might be altered as PPARp -/- astrocytes have higher cholesterol levels, which may also affect proper transporter structure in the membrane.Metabolism, transporter localization and cholesterol levels are respectively linked to cell mobility, cell cytoskeleton and cellular membrane composition. All three functions are important in astrocytes to in vivo acquire star shaped morphology, in a process known as stellation. PPARP -/- astrocytes showed an impaired acquired stellation in presence of neurons or chemical stimuli, as well as more actin stress fibers and cell adhesion structures. While non stellation of astrocytes is mainly an in vitro phenomenon, it reveals PPARp -/- primary astrocytes inability to respond to different exterior stimuli. These morphological phenotypes correlate with a slower migration in cell culture wound healing assays.This thesis work demonstrates that PPARp is implicated in cortical astrocyte glucose metabolism. PPARp absence leads to an unusual intracellular glycogen use. Added to the effect on acute glutamate uptake and astrocyte migration, PPARp could be an interesting target for neuroprotection therapies.RésuméPPARP est un récepteur nucléaire qui a pour ligands naturels certains acides gras libres. Il est impliqué dans le métabolisme, la différentiation et la survie des cellules. PPARP est ubiquitaire, et a une expression élevée dans le cerveau en développement ainsi qu'adulte. PPARp est exprimé dans différents types cellulaires tels que les neurones et les astrocytes, où il régule potentiellement leurs métabolismes. Pour étudier ce récepteur nucléaire, le laboratoire a créé un modèle de souris PPARp -/-. L'objectif de ma thèse est de comprendre le rôle de PPARp dans les astrocytes.Les expériences montrent un défaut du métabolisme énergétique dans les astrocytes corticaux primaires tirés de souris PPARp -/-. Sans stimulation, l'entrée du glucose dans les astrocytes PPARP -/- est diminuée de 30% ce qui correspond à une diminution de 30% du relargage du lactate. Après stimulation par du D-Aspartate qui mime une exposition au glutamate, les astrocytes WT et -/- augmentent leur métabolisme en réponse à la demande accrue en énergie (ATP) due à l'entrée du glutamate. D'après l'Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), le ratio entre le glucose entrant et le lactate sortant est de 1. Cependant le relargage du lactate dans les astrocytes PPARP-/- est plus élevé que l'entrée du glucose. L'apport supplémentaire de glucose transformé en lactate pourrait provenir de la dégradation des stocks de glycogène intracellulaire, qui sont partiellement diminués après stimulation dans les cellules PPARP -/-. Un métabolisme plus faible du glucose corrèle avec une réduction de l'import du glutamate dans les astrocytes PPARp -/-. Réciproquement, nous observons une augmentation de l'import du glutamate et de la production d'ATP après traitement avec l'agoniste pour PPARp. Bien que l'expression des transporteurs de glutamate ne soit pas affectée, nous ne pouvons pas exclure que leur localisation et leur structure soient altérées du fait du niveau élevé de cholestérol dans les astrocytes PPARp -/-.Le métabolisme, la localisation des transporteurs et le niveau de cholestérol sont tous liés au cytosquelette, à la mobilité, et à la composition des membranes cellulaires. Toutes ces fonctions sont importantes pour les astrocytes pour acquérir leur morphologie in vivo. Les astrocytes PPARP -/- présentent un défaut de stellation, aussi bien en présence de neurones que de stimuli chimiques, ainsi qu'un plus grand nombre de fibres de stress (actine) et de structures d'adhésion cellulaire. Bien que les astrocytes non stellaires soient principalement observés in vitro, le défaut de stellation des astrocytes primaires PPARp -/- indique une incapacité à répondre aux différents stimuli extérieurs. Ces phénotypes morphologiques corrèlent avec une migration plus lente en cas de lésion de la culture.Ce travail de thèse a permis de démontrer l'implication de PPARP dans le métabolisme du glucose des astrocytes corticaux. L'absence de ce récepteur nucléaire amène à l'utilisation du glucose intracellulaire, auquel s'ajoutent les effets sur l'import du glutamate et la migration des astrocytes. PPARp aurait des effets neuroprotecteurs, et de ce fait pourrait être utilisé à des fins thérapeutiques.

Effect of acute and chronic exercise on fat oxidation and hormonal and plasma metabolite kinetics in obese and severely obese men

Acute exercise increases energy expenditure (EE) during exercise and post-exercise recovery [excess post-exercise oxygen consumption (EPOC)] and therefore may be recommended as part of the multidisciplinary management of obesity. Moreover, chronic exercise (training) effectively promotes an increase in insulin sensitivity, which seems to be associated with increased fat oxidation rates (FORs). The main purpose of this thesis is to investigate 1) FORs and extra-muscular factors (hormones and plasma metabolites) that regulate fat metabolism during acute and chronic exercise; and 2) EPOC during acute post-exercise recovery in obese and severely obese men (class II and III). In the first study, we showed that obese and severely obese men present a lower exercise intensity (Fatmax) eliciting maximal fat oxidation and a lower reliance on fat oxidation at high, but not at low and moderate, exercise intensities compared to lean men. This was most likely related to an impaired muscular capacity to oxidize non-esterified fatty acids (NEFA) rather than decreased plasma NEFA availability or a change in the hormonal milieu during exercise. In the second study, we developed an accurate maximal incremental test to correctly and simultaneously evaluate aerobic fitness and fat oxidation kinetics during exercise in this population. This test may be used for the prescription of an appropriate exercise training intensity. In the third study, we demonstrated that only 2 wk of exercise training [continuous training at Fatmax and adapted high-intensity interval training (HIIT)], matched with respect to mechanical work, may be effective to improve aerobic fitness, FORs during exercise and insulin sensitivity, which suggest that FORs might be rapidly improved and that adapted HIIT is feasible in this population. The increased FORs concomitant with the lack of changes in lipolysis during exercise suggest an improvement in the mismatching between NEFA availability and oxidation, highlighting the importance of muscular (oxidative capacity) rather than extra-muscular (hormones and plasma metabolites) factors in the regulation of fat metabolism after a training program. In the fourth study, we observed a positive correlation between EE during exercise and EPOC, suggesting that a chronic increase in the volume or intensity of exercise may increase EE during exercise and during recovery. This may have an impact in weight management in obesity. In conclusion, these findings might have practical implications for exercise training prescriptions in order to improve the therapeutic approaches in obesity and severe obesity. -- L'exercice aigu augmente la dépense énergétique (DE) pendant l'exercice et la récupération post-exercice [excès de consommation d'oxygène post-exercise (EPOC)] et peut être utilisé dans la gestion multidisciplinaire de l'obésité. Quant à l'exercice chronique (entraînement), il est efficace pour augmenter la sensibilité à l'insuline, ce qui semble être associé à une amélioration du débit d'oxydation lipidique (DOL). Le but de cette thèse est d'étudier 1) le DOL et les facteurs extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) qui régulent le métabolisme lipidique pendant l'exercice aigu et chronique et 2) l'EPOC lors de la récupération aiguë post-exercice chez des hommes obèses et sévèrement obèses (classe II et III). Dans la première étude nous avons montré que les hommes obèses et sévèrement obèses présentent une plus basse intensité d'exercice (Fatmax) correspondant au débit d'oxydation lipidique maximale et un plus bas DOL à hautes, mais pas à faibles et modérées, intensités d'exercice comparé aux sujets normo-poids, ce qui est probablement lié à une incapacité musculaire à oxyder les acides gras non-estérifiés (AGNE) plutôt qu'à une diminution de leur disponibilité ou à un changement du milieu hormonal pendant l'exercice. Dans la deuxième étude nous avons développé un test maximal incrémental pour évaluer simultanément l'aptitude physique aérobie et la cinétique d'oxydation des lipides pendant l'exercice chez cette population. Dans la troisième étude nous avons montré que seulement deux semaines d'entraînement (continu à Fatmax et intermittent à haute intensité), appariés par la charge de travail, sont efficaces pour améliorer l'aptitude physique aérobie, le DOL pendant l'exercice et la sensibilité à l'insuline, ce qui suggère que le DOL peut être rapidement amélioré chez cette population. Ceci, en absence de changements de la lipolyse pendant l'exercice, suggère une amélioration de la balance entre la disponibilité et l'oxydation des AGNE, ce qui souligne l'importance des facteurs musculaires (capacité oxydative) plutôt que extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) dans la régulation du métabolisme lipidique après un entraînement. Dans la quatrième étude nous avons observé une corrélation positive entre la DE pendant l'exercice et l'EPOC, ce qui suggère qu'une augmentation chronique du volume ou de l'intensité de l'exercice pourrait augmenter la DE lors de l'exercice et lors de la récupération post-exercice. Ceci pourrait avoir un impact sur la gestion du poids chez cette population. En conclusion, ces résultats pourraient avoir des implications pratiques lors de la prescription des entraînements dans le but d'améliorer les approches thérapeutiques de l'obésité et de l'obésité sévère.

Metabolic effects of fructose in humans

Abstract : Fructose is a simple sugar, whose consumption has increased over the past decades. In rodents, a high-fructose diet (HFrD) induces several features of the metabolic syndrome. The aim of the studies included in this thesis was to investigate the metabolic effects of a HFrD in humans, with a focus on insulin sensitivity and ectopic fat deposition. Moreover, we addressed the question whether these effects may differ between individuals according to gender and the genetic background. The first study was designed to evaluate the impact of a 4-week HFrD on insulin sensitivity and lipid metabolism in 7 healthy men. Insulin sensitivity, intrahepatocellular lipids (IHCL) and intramyocellular lipids (IMCL) contents were measured before and after 1 and 4 weeks of HFrD (1.5 g fructose/kg body weight/day). Insulin sensitivity was assessed by a 2-step hyperinsulinemic euglycemic clamp. IHCL and IMCL were measured by 1H-magnetic resonance spectroscopy (MRS). Fructose caused significant (P<0.05) increases in fasting plasma concentrations of triacylglycerol (TG) (+36%), VLDL-TG (+72%) and glucose (+6%) without any change in body weight, IHCL, IMCL, and insulin sensitivity. In the second study, muscle biopsies were taken from five of these healthy male subjects before and after 4 weeks of HFrD. mRNA concentrations of 18 genes involved in lipid and carbohydrate metabolism were quantified by real-time quantitative PCR. We found that a 4-week HFrD increased the expression of genes involved in lipid synthesis, while it decreased those involved in insulin sensitivity and lipid oxidation; these molecular changes maybe early markers of insulin resistance and altered lipid metabolism. The third study aimed at delineating whether male and females equally respond to a HFrD. For this purpose, higher doses of fructose (twice the dose of the previous study) were provided to 8 healthy young males and 8 healthy young females over 6 days. HFrD significantly increased fasting TG in males (+71 %), whereas this increase was markedly blunted in females (+16%). Males also developed hepatic insulin resistance, characterized by increased hepatic glucose output (+12%), and showed higher alanine aminotransferase concentration (+38%), but none of these effect was observed in females. This study suggests that short-term HFrD leads to hypertriglyceridemia and hepatic insulin resistance in men, but premenopausal women seem protected against these effects. Finally, the fourth study investigated whether healthy offspring of type 2 diabetic patients (OffT2D), a subgroup of individuals prone to metabolic disorders due to their genetic background, may have exacerbated response to HFrD. Eight healthy males (Ctrl) and 16 OffT2D received a HFrD and isocaloric diet in a randomized order. In both groups, HFrD significantly increased IHCL (Ctrl: +76%; OffT2D: +79%) and fasting plasma VLDL-TG (Ctrl: +51 %; OffT2D: +110%). In absolute values, these increments were significantly higher in OffT2D, suggesting that these individuals may be more prone to developing metabolic disorders when challenged by high fructose intake. In order to better delineate the specific effects of fructose vs the hypercaloric energy content, we repeated the complete metabolic investigations after an isocaloric high glucose diet in four of the eight Ctrl volunteers. After a high glucose diet, TG and IHCL concentrations remained similar to the control values, in contrast to the marked increases observed after the HFrD. In conclusion, the studies included in this thesis provided novel insights into the metabolic effects of fructose in humans. They showed that fructose may rapidly increase fasting VLDL-TG, IHCL and lead to hepatic insulin resistance; these effects seem specific to fructose, and potential mechanisms may involve both stimulation of hepatic de novo lipogenesis and decreased lipid oxidation. Moreover, the results suggest that women seem protected against such deleterious effects, while OffT2D displayed exacerbated response. Résumé : Le fructose est un sucre simple, dont la consommation a augmenté durant les dernières décennies. Dans les modèles animaux, un régime riche en fructose (RRFru) peut induire plusieurs composantes du syndrome métabolique. Le but de cette thèse était d'étudier les effets d'un régime riche en fructose sur la sensibilité à l'insuline et la déposition de lipides ectopiques chez l'humain, et si ces effets variaient selon le genre ou le background génétique. La première étude avait pour but d'évaluer l'effet d'un RRFru d'une durée de 4 semaines sur la sensibilité à l'insuline et le métabolisme des lipides chez des hommes sains. La sensibilité à l'insuline, les lipides intrahépatiques (IHCL) et intramusculaires (IMCL) ont été mesurés avant, et après 1 et 4 semaines du RRFru (1.5 g fructose/kg/jour). La sensibilité à l'insuline a été déterminée par un clamp hyperinsulinémique euglycémique, et les IHCL/IMCL par spectroscopie à résonnance magnétique. Le fructose a augmenté les concentrations plasmatiques à jeun des VLDL- triglycérides (TG) (+72%) et de glucose (+6%), sans induire de changement au niveau de la sensibilité à l'insuline, IHCL ou IMCL. Dans la deuxième étude, des biopsies de muscle squelettique ont été prélevées chez cinq de ces volontaires avant et après les 4 semaines de RRFru. Les concentrations de mRNA de 18 gènes impliqués dans le métabolisme des lipides et des hydrates de carbone ont été mesurées par RT-PCR quantitative. Le RRFru a augmenté l'expression de gènes impliqués dans la synthèse de lipides, et diminué celles de gènes impliqués dans la sensibilité à l'insuline et l'oxydation de lipides. Ces changements pourraient constituer des altérations précoces de la sensibilité à l'insuline et du métabolisme lipidique en réponse au fructose. La troisième étude avait pour but de définir si les réponses au RRFru étaient semblables entre les hommes et les femmes. Pour ceci, des doses plus élevées de fructose ont été administrées à 8 jeunes hommes et 8 jeunes femmes durant 6 jours. Le RRFru a augmenté les TG chez les hommes (+71 %), et de manière nettement plus modeste chez les femmes (+16%). Les hommes ont développé une résistance hépatique à l'insuline, ainsi qu'une augmentation des concentrations d'alanine aminotransférase (+38%), mais aucun de ces effets n'a été observé chez les femmes. Cette étude suggère qu'à court terme, un RRFru mène à une hypertriglycéridémie et résistance hépatique à l'insuline chez l'homme, tandis que les femmes semblent en être protégées. Finalement, la 4ème étude a investigué si des personnes apparentées à des patients diabétiques de type 2 (AppDT2), qui constituent un groupe d'individus à risque de développer des maladies métaboliques en raison de leur background génétique, avaient des réponses plus marquées au RRFru. Huit hommes sains (Ctrl) et 16 AppDT2 on reçu dans un ordre randomisé un RRFru et une diète isocalorique durant 6 jours. Dans les deux groupes, le RRFru a augmenté significativement les IHCL (Ctrl: +76%; AppDT2: +79%) et les VLDL-TG plasmatiques à jeun (Ctrl: +51%; AppDT2: +110%). En valeurs absolues, ces deux augmentations étaient plus importantes dans le groupe des AppDT2, suggérant que ces individus sont plus à risque de développer des problèmes métaboliques suite à un apport de fructose. Afin de définir les effets spécifiques du fructose, quatre des huit sujets Ctrl ont été soumis à un régime riche en glucose. Après le régime riche en glucose, les concentrations de TG et d'IHCL étaient semblables aux valeurs obtenues après une diète isocalorique, contrairement aux nombreux effets observés après le RRFru. En conclusion, ces différentes études ont démontré que chez l'humain, le fructose peut rapidement induire une augmentation des VLDL-TG à jeun, des IHCL et une résistance hépatique à l'insuline ; ces effets semblent être spécifiques au fructose. De plus, les différents résultats obtenus montrent que les femmes développent des effets moindres en réponse au fructose, contrairement aux AppDT2, chez qui les effets du fructose semblent plus marqués. Résumé grand public : Le fructose est un sucre simple, présent naturellement et en faibles quantités dans les fruits, mais également constituant du sucrose - appelé aussi sucre de table. Depuis les années 1970, la consommation de fructose a augmenté dans les pays industrialisés et émergents, principalement par le biais d'une hausse de consommation de boissons sucrées de type soda. Dans des modèles animaux tels que les rongeurs, un régime riche en fructose mène au développement de plusieurs facteurs de risques étroitement liés aux maladies cardiovasculaires, à l'obésité et au diabète de type 2; ceux-ci sont caractérisés par une augmentation des concentrations de glucose et de lipides sanguins, ainsi qu'une accumulation de lipides dits « ectopiques », à savoir dans le foie et les muscles. Le but de cette thèse était de définir les effets d'un régime riche en fructose chez l'être humain. De plus, nous nous sommes intéressés à savoir si ces effets étaient semblables entre différents groupes d'individus, à savoir des personnes de sexe masculin / féminin, ou des personnes dont au moins un des parents est diabétique de type 2. Pour ceci, différents groupes de volontaires (hommes, femmes, avec histoire familiale de diabète de type 2) âgés de 18-30 ans se sont soumis à une alimentation enrichie en fructose, d'une durée allant de 6 à 28 jours, suivant l'étude à laquelle ils participaient. La quantité de fructose consommée en plus de l'alimentation normale durant ces périodes équivalait au contenu en fructose de 2-4 litres de boissons sucrées par jour. Des prises de sang ont été effectuées au terme de chacun de ces différents régimes, ainsi que des mesures de sensibilité à l'insuline et de concentrations de lipides dans le foie et le muscle par résonnance magnétique nucléaire, en collaboration avec l'Hôpital de l'Ile de Berne. Les résultats montrent qu'après 6 jours de régime riche en fructose, les volontaires sains de sexe masculin ont presque doublé leurs concentrations de lipides sanguins et hépatiques. De plus, le foie de ces volontaires réagissait moins bien à l'insuline, ce qui pourrait mener à long terme à des maladies métaboliques comme le diabète de type 2. Un des mécanismes postulés est que le fructose pourrait stimuler la formation de lipides dans le foie, contribuant ainsi à un dysfonctionnement de cet organe. De manière surprenante, des femmes d'âge et d'IMC (Indice de Masse Corporelle) comparables aux hommes étudiés n'ont pas développé ces différents effets en réponse au régime riche en fructose. Il semblerait donc qu'elles possèdent certaines propriétés pouvant les «protéger », du moins à court terme, des problèmes métaboliques induits par le fructose. De tels mécanismes sont pour l'heure inconnus, mais il est possible que des différences hormonales, ou de répartition de la masse graisseuse dans le corps, puissent jouer un rôle. Enfin, nous avons également démontré que chez certaines personnes ayant au moins un parent (père ou mère) diabétique de type 2, les augmentations de lipides sanguins et hépatiques induits par le fructose étaient plus marquées que chez des volontaires sans parents diabétiques. Ceci est néanmoins à tempérer par le fait que nous avons observé une grande hétérogénéité des réponses parmi ces individus, découlant certainement d'interactions complexes entre différents facteurs tels que la génétique, le mode de vie, l'alimentation et l'activité physique. Ces différents résultats donnent lieu à une meilleure compréhension du rôle de facteurs alimentaires dans le développement de problèmes métaboliques tels que le diabète de type 2. Ils vont également permettre de tester différentes approches thérapeutiques. Bien qu'ayant été obtenus avec des doses de fructose importantes, ces études soulignent l'effet potentiellement dangereux pour la santé d'une alimentation riche en sucres.

Role and regulation of islet-Brain 1 in pancreatic β-cells

Résumé : L'insuline est produite et sécrétée par la cellule ß-pancréatique. Son rôle est de régler le taux de sucre dans le sang. Si ces cellules meurent ou échouent à produire suffisamment de l'insuline, les sujets développent le diabète de type 2 (DT2), une des maladies les plus communes dans les pays développés. L'excès chronique des lipoprotéines LDL oxydés (oxLDL) et/ou des cytokines pro-inflammatoires comme l'interleukine-1ß (IL-1ß) participent au dérèglement et à la mort des cellules ß. Nous avons montré qu'une chute des niveaux d'expression de la protéine nommée «mitogen activated protein kinase 8 interacting protein 1» ou «islet brain 1 (IB 1)» est en partie responsable des effets provoqués par les oxLDL ou IL-1ß. IB1 régule l'expression de l'insuline et la survie cellulaire en inhibant la voie de signalisation « c-jun N-terminal Kinase (JNK)». La réduction des niveaux d'expression d'IB1 provoque l'activation de la voie JNK en réponse aux facteurs environnementaux, et ainsi initie la réduction de l'expression de l'insuline et l'induction du programme de mort cellulaire. Les mimétiques de l'hormone "Glucagon-like peptide 1", tel que l'exendin-4 (ex-4), sont une nouvelle classe d'agents hypoglycémiants utilisés dans le traitement du DT2. Les effets bénéfiques de l'ex-4 sont en partie accomplis en préservant l'expression de l'insuline et la survie des cellules ß contre les stress associés au DT2. La restauration des niveaux d'expression d'IB1 est un des mécanismes par lequel l'ex-4 prodigue son effet sur la cellule. En effet, cette molécule stimule l'activité du promoteur du gène et ainsi compense la réduction du contenu en IB1 causée par le stress. Outre ce rôle anti-apoptotique, dans ce travail de thèse nous avons mis en évidence une autre fonction d'IB1 dans la cellule ß. La réduction de l'activité ou des niveaux d'expression d'IB1 induisent une réduction importante de la sécrétion de l'insuline en réponse au glucose. Le mécanisme par lequel IB1 régule la sécrétion de l'insuline implique à la fois le métabolisme du glucose et éventuellement le transport vésiculaire en contrôlant l'expression de la protéine annexin A2. En résumé, IB 1 est une molécule clé à travers laquelle l'environnement du diabétique pourrait exercer un effet délétère sur la cellule ß. L'amélioration de l'activité d'IB1 et/ou de son expression devrait être considérée dans les approches thérapeutiques futures visant à limiter la perte des cellules ß dans le diabète. Abstract : ß-cells of the pancreatic islets of Langerhans produce and secrete insulin when blood glucose rises. In turn, insulin ensures that plasma glucose concentrations return within a relatively narrow physiological range. If ß-cells die or fail to produce enough insulin, individuals develop one of the most common diseases in Western countries, namely type 2 diabetes (T2D). Chronic excess of oxidized low density lipoproteins (oxLDL) and/or pro-inflammatory cytokines such as interleukin 1-ß (IL-1ß) contribute to decline of ß-cells and thereby are thought to accelerate progression of the disease overtime. We showed that profound reduction in the levels of the mitogen activated protein kinase 8 interacting protein 1 also called islet brain 1 (IB1) causes ß-cell failure accomplished by oxLDL or IL-1 ß. IB1 regulates insulin expression and cell survivals by inhibiting the c-Jun N-terminal Kinase pathway. Diminution in IB 1 levels leads to an increase in activation of the JNK pathway induced by environmental stressors, and thus initiates loss of insulin expression and programmed cell death. The mimetic agents of the glucoincretin glucagon-like peptide 1 such as exendin-4 (ex-4) are new class of hypoglycaemic medicines for treatment of T2D. The beneficial property is in part achieved by preserving insulin expression and ß-cell survival against stressors related to diabetes. Restored levels in IB 1 account for the cytoprotective effect of the ex-4. In fact, the latter molecule .stimulates the promoter activity of the gene and thus compensates loss of IB1 content triggered by stress. Beside of the anti-apoptotic role, an additional leading function for IB 1 in ß-cells was highlighted in this thesis. Impairment in IB1 activity or silencing of the gene in ß-cells revealed a major reduction in insulin secretion elicited by glucose. The mechanisms whereby IB 1 couples glucose to insulin release involve glucose metabolism and potentially, vesicles trafficking by maintaining the levels of annexin A2. IB 1 is therefore a key molecule through which environmental factors related to diabetes may exert harmful effects on ß-cells. Improvement in IB 1 activity and/or expression should be considered as a target for therapeutic purpose.