Influence of chronic hyperglycemia on cerebral microvascular remodeling: an in vivo study using perfusion computed tomography in acute ischemic stroke patients.

BACKGROUND AND PURPOSE: To investigate the effect of chronic hyperglycemia on cerebral microvascular remodeling using perfusion computed tomography. METHODS: We retrospectively identified 26 patients from our registry of 2453 patients who underwent a perfusion computed tomographic study and had their hemoglobin A1c (HbA1c) measured. These 26 patients were divided into 2 groups: those with HbA1c>6.5% (n=15) and those with HbA1c≤6.5% (n=11). Perfusion computed tomographic studies were processed using a delay-corrected, deconvolution-based software. Perfusion computed tomographic values were compared between the 2 patient groups, including mean transit time, which relates to the cerebral capillary architecture and length. RESULTS: Mean transit time values in the nonischemic cerebral hemisphere were significantly longer in the patients with HbA1c>6.5% (P=0.033), especially in the white matter (P=0.005). Significant correlation (R=0.469; P=0.016) between mean transit time and HbA1c level was observed. CONCLUSIONS: Our results from a small sample suggest that chronic hyperglycemia may be associated with cerebral microvascular remodeling in humans. Additional prospective studies with larger sample size are required to confirm this observation.

Diabetes, hyperglycemia and the management of cerebrovascular disease

Purpose of review Hyperglycemia is frequent in patients with cerebrovascular disease. This review article aims to summarize the recent evidence from observational studies that examined the adverse cerebrovascular effects of dysglycemic states as well as interventional studies assessing intensive management strategies for hyperglycemia. Recent findings In recent years, diabetes, prediabetic states and insulin resistance and their association with cerebrovascular disease were an important focus of research. The cerebrovascular consequences of these metabolic abnormalities were found to extend beyond ischemic stroke to covert brain infarcts, other structural brain changes and to cognitive impairment with and without dementia. Interventional studies did not reveal that more intensive management of chronic hyperglycemia and of hyperglycemia in the setting of acute stroke improves outcome. There is clear evidence, however, that the overall management of multiple risk factors and behavior modification in patients with dysglycemia may reduce the burden of cerebrovascular disease. Summary Observational studies reveal the growing burden and adverse cerebrovascular effects of dysglycemic states. Currently available interventional studies assessing more intensive strategies for the management of hyperglycemia did not prove, however, to be effective. We discuss the current evidence, pathophysiological considerations and management implications.

ICER induced by hyperglycemia represses the expression of genes essential for insulin exocytosis.

The GTPases Rab3a and Rab27a and their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 are essential regulators of neuroendocrine secretion. Chronic exposure of pancreatic beta-cells to supraphysiological glucose levels decreased selectively the expression of these proteins. This glucotoxic effect was mimicked by cAMP-raising agents and blocked by PKA inhibitors. We demonstrate that the transcriptional repressor ICER, which is induced in a PKA-dependent manner by chronic hyperglycemia and cAMP-raising agents, is responsible for the decline of the four genes. ICER overexpression diminished the level of Granuphilin, Noc2, Rab3a and Rab27a by binding to cAMP responsive elements located in the promoters of these genes and inhibited exocytosis of beta-cells in response to secretagogues. Moreover, the loss in the expression of the genes of the secretory machinery caused by glucose and cAMP-raising agents was prevented by an antisense construct that reduces ICER levels. We propose that induction of inappropriate ICER levels lead to defects in the secretory process of pancreatic beta-cells possibly contributing, in conjunction with other known deleterious effects of hyperglycemia, to defective insulin release in type 2 diabetes.

The Association of Hemoglobin A1c With Incident Heart Failure Among People Without Diabetes: The Atherosclerosis Risk in Communities Study

OBJECTIVE-This study sought to investigate an association of HbA1c (A1C) with incident heart failure among individuals without diabetes and compare it to fasting glucose. RESEARCH DESIGN AND METHODS-We studied 11,057 participants of the Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) Study without heart failure or diabetes at baseline and estimated hazard ratios of incident heart failure by categories of A1C (<5.0, 5.0-5.4 [reference], 5 5-59, and 6.0-6.4%) and fasting glucose (<90, 90-99 [reference], 100-109, and 110-125 mg/dl) using Cox proportional hazards models. RESULTS-A total of 841 cases of incident heart failure hospitalization or deaths (International Classification of Disease, 9th/10th Revision, 428/150) occurred during a median follow-up of 14.1 years (incidence rate 5.7 per 1,000 person-years). After the adjustment for covariates including fasting glucose, the hazard ratio of incident heart failure was higher in individuals with A1C 6.0-6.4% (1.40 [95% CI, 1 09-1.79]) and 5.5-6.0% (1.16 [0.98-1 37]) as compared with the reference group. Similar results were observed when adjusting for insulin level or limiting to heart failure cases without preceding coronary events or developed diabetes during follow-up. In contrast, elevated fasting glucose was not associated with heart failure after adjustment for covariates and A1C. Similar findings were observed when the top quartile (A1C, 5.7-6.4%, and fasting glucose, 108-125 mg/dl) was compared with the lowest quartile (<5 2% and <95 mg/dl, respectively). CONCLUSIONS-Elevated A1C (>= 5.5-6 0%) was associated with incident heart failure in a middle-aged population without diabetes, suggesting that chronic hyperglycemia prior to the development of diabetes contributes to development of heart failure. Diabetes 59:2020-2026, 2010

Diabetes Mellitus as a Risk Factor in Glaucoma's Physiopathology and Surgical Survival Time: A Literature Review

Glaucoma is a multifactorial condition under serious influence of many risk factors. The role of diabetes mellitus (DM) in glaucoma etiology or progression remains inconclusive. Although, the diabetic patients have different healing mechanism comparing to the general population and it has a possible-negative role on surgical outcomes. This review article attempts to analyze the association of both diseases, glaucoma and DM, before and after the surgery. The epidemiological studies, based mainly in population prevalence analyzes, have shown opposite outcomes in time and even in the most recent articles also the association remains inconclusive. On the contrary, the experimental models based on animal induced chronic hyperglycemia have shown an important association of both diseases, explained by common neurodegenerative mechanisms. Diabetic patients have a different wound healing process in the eye viz-a-viz other organs. The healing process is more and it results in lower surgical survival time, higher intraocular pressure (IOP) levels and, therefore, these patients usually need more medication to lower the IOP. Both randomized and nonrandomized retrospective and experimental molecular studies have shown the association between DM and glaucoma. Further studies are needed to get better explanations about outcomes on more recent surgical procedures and with the exponential use of antifibrotics. How to cite this article: Costa L, Cunha JP, Amado D, Pinto LA, Ferreira J. Diabetes Mellitus as a Risk Factor in Glaucoma's Physiopathology and Surgical Survival Time: A Literature Review.

Molecular mechanisms for the transcriptional regulation of the Connexin36 gene expression in insulin-secreting cells

Résumé Régulation de l'expression de la Connexin36 dans les cellules sécrétrices d'insuline La communication intercellulaire est en partie assurée via des jonctions communicantes de type "gap". Dans la cellule ß pancréatique, plusieurs observations indiquent que le couplage assuré par des jonctions gap formées parla Connexine36 (Cx36) est impliqué dans le contrôle de la sécrétion de l'insuline. De plus, nous avons récemment démontré qu'un niveau précis d'expression de la Cx36 est nécessaire pour maintenir une bonne coordination de l'ensemble des cellules ß, et permettre ainsi une sécrétion synchrone et contrôlée d'insuline. Le développement du diabète et du syndrome métabolique est partiellement dû à une altération de la capacité des cellules ß à sécréter de l'insuline en réponse à une augmentation de la glycémie. Cette altération est en partie causée par l'augmentation prolongée des taux circulant de glucose, mais aussi de lipides, sous la forme d'acides gras libres, et de LDL (Low Density Lipoproteins), particules assurant le transport des acides gras et du cholestérol dans le sang. Nous avons étudié la régulation de l'expression de la Cx36 dans différentes conditions reflétant la physiopathologie du diabète de type 2 et du syndrome métabolique et démontré qu'une exposition prolongée à des concentrations élevées de glucose, de LDL, ainsi que de palmitate (acide gras saturé le plus abondant dans l'organisme), inhibent l'expression de la Cx36 dans les cellules ß. Cette inhibition implique l'activation de la PKA (Proteine Kinase A), qui stimule à son tour l'expression du facteur de transcription ICER-1 (Inductible cAMP Early Repressor-1). Ce puissant répresseur se fixe spécifiquement sur un motif CRE (cAMP Response Element), situé dans le promoteur du gène de la Cx36, inhibant ainsi son expression. Nous avons de plus démontré que des cytokines pro-inflammatoires, qui pourraient contribuer au développement du diabète, inhibent également l'expression de la Cx36. Cependant, les cytokines agissent indépendamment du répresseur ICER-1, mais selon un mécanisme requérant l'activation de l'AMPK (AMP dependant protein kinase). Sachant qu'un contrôle précis des niveaux d'expression de la Cx36 est un élément déterminant pour une sécrétion optimale de l'insuline, nos résultats suggèrent que la Cx36 pourrait être impliquée dans l'altération de la sécrétion de l'insuline contribuant à l'apparition du diabète de type 2. Summary A particular way by which cells communicate with each other is mediated by gap junctions, transmembrane structures providing a direct pathway for the diffusion of small molecules between adjacent cells. Gap junctional communication is required to maintain a proper functioning of insulin-secreting ß-cells. Moreover, the expression levels of connexin36 (Cx36), the sole gap junction protein expressed in ß-cells, are critical in maintaining glucose-stimulated insulin secretion. Chronic hyperglycemia and hyperlipidemia exert deleterious effects on insulin secretion and may contribute to the progressive ß-cell failure linked to the development of type 2 diabetes and metabolic syndrome. Since modulations of the Cx36 levels might impair ß-cell function, the general aim of this work was to elucidate wether elevated levels of glucose and lipids affect Cx36 expression. The first part of this work was dedicated to the study of the effect of high glucose concentrations on Cx36 expression. We demonstrated that glucose transcriptionally down-regulates the expression of Cx36 in insulin-secreting cells through activation of the protein kinase A (PKA), which in turn stimulates the expression of the inducible cAMP early repressor-1 (ICER-1). This repressor binds to a highly conserved cAMP response element (CRE) located in the Cx36 promoter, thereby inhibiting Cx36 expression. The second part of this thesis consisted in studying the effects of sustained exposure to free fatty acids (FFA) and human lipoproteins on Cx36 levels. The experiments revealed that the most abundant FFA, palmitate, as well as the atherogenic low density lipoproteins (LDL), also stimulate ICER-1 expression, resulting in Cx36 down-regulation. Finally, the third part of the work focused on the consequences of long-term exposure to proinflammatory cytokines on Cx36 content. Interleukin-1 ß (IL-1 ß) inhibits Cx36 expression and its effect is potentialized by tumor necrosis factor α (TNFα) and interferon γ (IFNγ). We further unveiled that the cytokines effect on Cx36 levels requires activation of the AMP dependent protein kinase (AMPK). Prolonged exposures to glucose, palmitate, LDL, and pro-inflammatory cytokines have all been proposed to contribute to the development of diabetes and metabolic syndrome. Since Cx36 expression levels are critical to maintain ß-cell function, Cx36 down-regulation by glucose, lipids, and cytokines might participate to the ß-cell failure associated with diabetes development.

Regulation of the expression of components of the exocytotic machinery of insulin-secreting cells by microRNAs

Fine-tuning of insulin secretion from pancreatic beta-cells participates in blood glucose homeostasis. Defects in this process can lead to chronic hyperglycemia and diabetes mellitus. Several proteins controlling insulin exocytosis have been identified, but the mechanisms regulating their expression remain poorly understood. Here, we show that two non-coding microRNAs, miR124a and miR96, modulate the expression of proteins involved in insulin exocytosis and affect secretion of the beta-cell line MIN6B1. miR124a increases the levels of SNAP25, Rab3A and synapsin-1A and decreases those of Rab27A and Noc2. Inhibition of Rab27A expression is mediated by direct binding to the 3'-untranslated region of Rab27A mRNA. The effect on the other genes is indirect and linked to changes in mRNA levels. Over-expression of miR124a leads to exaggerated hormone release under basal conditions and a reduction in glucose-induced secretion. miR96 increases mRNA and protein levels of granuphilin, a negative modulator of insulin exocytosis, and decreases the expression of Noc2, resulting in lower capacity of MIN6B1 cells to respond to secretagogues. Our data identify miR124a and miR96 as novel regulators of the expression of proteins playing a critical role in insulin exocytosis and in the release of other hormones and neurotransmitters

MicroRNAs contribute to compensatory β cell expansion during pregnancy and obesity.

Pregnancy and obesity are frequently associated with diminished insulin sensitivity, which is normally compensated for by an expansion of the functional β cell mass that prevents chronic hyperglycemia and development of diabetes mellitus. The molecular basis underlying compensatory β cell mass expansion is largely unknown. We found in rodents that β cell mass expansion during pregnancy and obesity is associated with changes in the expression of several islet microRNAs, including miR-338-3p. In isolated pancreatic islets, we recapitulated the decreased miR-338-3p level observed in gestation and obesity by activating the G protein-coupled estrogen receptor GPR30 and the glucagon-like peptide 1 (GLP1) receptor. Blockade of miR-338-3p in β cells using specific anti-miR molecules mimicked gene expression changes occurring during β cell mass expansion and resulted in increased proliferation and improved survival both in vitro and in vivo. These findings point to a major role for miR-338-3p in compensatory β cell mass expansion occurring under different insulin resistance states.

The NLRP3 inflammasome: a sensor for metabolic danger?

Interleukin-1beta (IL-1beta), reactive oxygen species (ROS), and thioredoxin-interacting protein (TXNIP) are all implicated in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus (T2DM). Here we review mechanisms directing IL-1beta production and its pathogenic role in islet dysfunction during chronic hyperglycemia. In doing so, we integrate previously disparate disease-driving mechanisms for IL-1beta, ROS, and TXNIP in T2DM into one unifying model in which the NLRP3 inflammasome plays a central role. The NLRP3 inflammasome also drives IL-1beta maturation and secretion in another disease of metabolic dysregulation, gout. Thus, we propose that the NLRP3 inflammasome contributes to the pathogenesis of T2DM and gout by functioning as a sensor for metabolic stress.

New insights into the role of microRNAs in pancreatic ß-cell maturation and plasticity

Le diabète est une maladie chronique caractérisée par une élévation du taux de sucre dans le sang aussi appelé « glycémie » reflétant un état pathologique. L'élévation de la glycémie au long cours a des répercussions délétères sur nombreux de nos tissus et organes d'où l'apparition de complications sévères chez les sujets diabétiques pouvant atteindre les yeux, les reins, le système nerveux, le système cardiovasculaire et les membres inférieurs. La carence en une hormone essentielle à notre organisme, l'insuline, est au coeur du développement de la maladie. L'insuline induit la captation du glucose circulant dans le sang en excès suite à une prise alimentaire riche en glucides et favorise son utilisation et éventuellement son stockage dans les tissus tels que le foie, le tissu adipeux et les muscles. Ainsi, l'insuline est vitale pour réguler et maintenir stable notre niveau de glycémie. Les cellules bêta du pancréas sont les seules entités de notre corps capables de produire de l'insuline et une perte de fonctionnalité associée à leur destruction ont été mises en cause dans le processus pathologique du diabète de type 2. Cependant la pleine fonctionnalité et la maturation des cellules bêta n'apparaissent qu'après la naissance lorsque le pancréas en développement a atteint sa masse adulte définitive. Enfin, une fois la masse des cellules bêta définitive établie, leur nombre et volume restent relativement constants au cours de la vie adulte chez un sujet sain. Néanmoins, au cours de périodes critiques les besoins en insuline sont augmentés tel qu'observé chez les femmes enceintes et les personnes obèses qui ont une perte de sensibilité à l'insuline qui se traduit par la nécessité de sécréter plus d'insuline afin de maintenir une glycémie normale. Dans l'hypothèse où la compensation n'a pas lieu ou n'est pas aboutie, le diabète se développe. Le processus de maturation postnatale ainsi que les événements compensatoires sont donc des étapes essentielles et de nombreuses questions sont encore non résolues concernant l'identification des mécanismes les régulant. Parmi les acteurs potentiels figurent de petites molécules d'ARN découvertes récemment appelées microARNs et qui ont été rapidement suggérées très prometteuses dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans le cadre du diabète et d'autres pathologies. Les microARNs vont réguler l'expression de notre génome sans en modifier la séquence, phénomène également appelé épigénétique, ce qui résulte en des différences de comportement et de fonction cellulaires. Les microARNs sont donc susceptibles de jouer un rôle clé dans l'ensemble des processus biologiques et notre environnement associé à nos prédispositions génétiques peuvent grandement modifier leur niveau et donc leur action, qui à son tour se répercutera sur notre état physiologique. En effet nous avons identifié des changements de microARNs dans les cellules d'îlots pancréatiques de modèles animaux (rats et souris) associés à un état de résistance à l'insuline (grossesse et obésité). Par le biais d'expériences in vitro sur des cellules bêta extraites de rats et conservées en culture, nous avons pu analyser de plus près l'implication des microARNs dans la capacité des cellules bêta à sécréter de l'insuline mais aussi à se multiplier et à survivre au sein d'un environnement toxique. Ainsi, nous avons identifié des microARNs qui participent positivement à la compensation des cellules bêta, sous la direction d'hormones telles les estrogènes ou d'une hormone libérée par l'intestin au cours de la digestion (l'inerétine GLP1) et qui est largement utilisée comme agent thérapeutique dans la médication contre le diabète. Dans un second temps nous avons utilisé une stratégie similaire afin de déterminer le rôle de microARNs préalablement détectés comme étant changés au cours du développement postnatal des cellules bêta chez le rat. Cette étude a également mené à l'identification de microARNs participant à la maturation et à l'expansion de la masse des cellules bêta sous l'influence de la composition du régime alimentaire et des besoins en insuline adéquats qui en dépendent. Ces études apportent la vision de nouveaux mécanismes moléculaires impliquant les microARNs et démontrant leur importance pour le bon fonctionnement des cellules bêta et leur capacité d'adaptation à l'environnement. -- Les cellules bêta sont une composante des îlots pancréatiques de Langerhans et sont des cellules hautement différenciées qui ont l'unique capacité de sécréter de l'insuline sous l'influence des nutriments suite à une prise alimentaire. L'insuline facilite l'incorporation de glucose dans ses tissus cibles tels le foie, le tissu adipeux et les muscles. Bien que les besoins en insuline soient relativement constants au cours de la vie d'un individu sain, certaines conditions associées à un état de résistance à l'insuline, telles la grossesse ou l'obésité, requièrent une libération d'insuline majorée. En cas de résistance à l'insuline, une dysfonction des cellules bêta plus ou moins associée à leur mort cellulaire, conduisent à une sécrétion d'insuline insuffisante et au développement d'une hyperglycémie chronique, caractéristique du diabète de type 2. Jusqu'à présent, les mécanismes moléculaires sous- jacents à la compensation des cellules bêta ou encore menant à leur dysfonction restent peu connus. Découverts récemment, les petits ARNs non-codant appelés microARNs (miARNs), suscitent un intérêt grandissant de par leur potentiel thérapeutique pour la prise en charge et le traitement du diabète. Les miARNs sont de puissants régulateurs de l'expression génique qui lient directement le 3'UTR de leurs ARN messagers cibles afin d'inhiber leur traduction ou d'induire leur dégradation, ce qui leur permet de contrôler des fonctions biologiques multiples. Ainsi, nous avons pris pour hypothèse que les miARNs pourraient jouer un rôle essentiel en maintenant la fonction des cellules bêta et des processus compensatoires afin de prévenir le développement du diabète. Lors d'une première étude, une analyse transcriptomique a permis l'identification de miARNs différemment exprimés au sein d'îlots pancréatiques de rattes gestantes. Parmi eux, le miR-338-3p a démontré la capacité de promouvoir la prolifération et la survie des cellules bêta exposées à des acides gras saturés et des cytokines pro-inflammatoires, sans altérer leur propriété sécrétrice d'insuline. Nous avons également identifié deux hormones reconnues pour leurs propriétés bénéfiques pour la physiologie de la cellule bêta, l'estradiol et l'incrétine GLP1, qui régulent les niveaux du miR-338-3p. Ce miARN intègre parfaitement les voies de signalisation de ces deux hormones dépendantes de l'AMP cyclique, afin de contrôler l'expression de nombreux gènes conduisant à son action biologique. Dans un projet ultérieur, notre objectif était de déterminer la contribution de miARNs dans l'acquisition de l'identité fonctionnelle des cellules bêta en période postnatale. En effet, directement après la naissance les cellules bêta sont reconnues pour être encore immatures et incapables de sécréter de l'insuline spécifiquement en réponse à l'élévation de la glycémie. Au contraire, la réponse insulinique induite par les acides aminés ainsi que la biosynthèse d'insuline sont déjà fonctionnelles. Nos recherches ont permis de montrer que les changements de miARNs corrélés avec l'apparition du phénotype sécrétoire en réponse au glucose, sont régis par la composition nutritionnelle du régime alimentaire et des besoins en insuline qui en découlent. En parallèle, le taux de prolifération des cellules bêta est considérablement réduit. Les miARNs que nous avons étudiés coordonnent des changements d'expression de gènes clés impliqués dans l'acquisition de propriétés vitales de la cellule bêta et dans la maintenancé de son identité propre. Enfin, ces études ont permis de clairement démontrer l'importance des miARNs dans la régulation de la fonction des cellules bêta pancréatiques. -- Beta-cells are highly differentiated cells localized in the pancreatic islets and are characterized by the unique property of secreting insulin in response to nutrient stimulation after meal intake. Insulin is then in charge of facilitating glucose uptake by insulin target tissues such as liver, adipose tissue and muscles. Despite insulin needs stay more or less constant throughout life of healthy individuals, there are circumstances such as during pregnancy or obesity which are associated to insulin resistance, where insulin needs are increased. In this context, defects in beta-cell function, sometimes associated with beta-cell loss, may result in the release of inappropriate amounts of insulin leading to chronic hyperglycemia, properly defined as type 2 diabetes mellitus. So far, the mechanisms underlying beta- cell compensation as well as beta-cell failure remain to be established. The recently discovered small non-coding RNAs called microRNAs (miRNAs) are emerging as interesting therapeutic targets and are bringing new hope for the treatment of diabetes. miRNAs display a massive potential in regulating gene expression by directly binding to the 3'UTR of messenger RNAs and by inhibiting their translation and/or stability, enabling them to modify a wide range of biological functions. In view of this, we hypothesized that miRNAs may play an essential role in preserving the functional beta-cell mass and permitting to fight against beta-cell exhaustion and decompensation that can lead to diabetes development. In a first study, global profiling in pancreatic islets of pregnant rats, a model of insulin resistance, led to the identification of a set of differentially expressed miRNAs. Among them, miR-338- 3p was found to promote beta-cell proliferation and survival upon exposure of islet cells to pro- apoptotic stimuli such as saturated fatty acids or pro-inflammatory cytokines, without impairment in their capacity to release insulin. We also discovered that miR-338-3p changes are driven by two hormones, the estradiol and the incretin GLP1, both well known for their beneficial impact on beta- cell physiology. Consistently, we found that miR-338-3p integrates the cAMP-dependent signaling pathways regulated by these two hormones in order to control the expression of numerous genes and execute its biological functions. In a second project, we aimed at determining whether miRNAs contribute to the acquisition of beta-cell identity. Indeed, we confirmed that right after birth beta-cells are still immature and are unable to secrete insulin specifically in response to elevated concentrations of glucose. In contrast, amino acid-stimulated insulin release as well as insulin biosynthesis are already fully functional. In parallel, newborn beta-cells are proliferating intensively within the expanding pancreas. Interestingly, we demonstrated that the miRNA changes and the subsequent acquisition of glucose responsiveness is influenced by the diet composition and the resulting insulin needs. At the same time, beta-cell proliferation declines. The miRNAs that we have identified orchestrate expression changes of essential genes involved in the acquisition of specific beta-cell properties and in the maintenance of a mature beta-cell identity. Altogether, these studies clearly demonstrate that miRNAs play important roles in the regulation of beta-cell function.

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

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

Microglia/macrophages migrate through retinal epithelium barrier by a transcellular route in diabetic retinopathy: role of PKCζ in the Goto Kakizaki rat model.

Diabetic retinopathy is associated with ocular inflammation, leading to retinal barrier breakdown, macular edema, and visual cell loss. We investigated the molecular mechanisms involved in microglia/macrophages trafficking in the retina and the role of protein kinase Cζ (PKCζ) in this process. Goto Kakizaki (GK) rats, a model for spontaneous type 2 diabetes were studied until 12 months of hyperglycemia. Up to 5 months, sparse microglia/macrophages were detected in the subretinal space, together with numerous pores in retinal pigment epithelial (RPE) cells, allowing inflammatory cell traffic between the retina and choroid. Intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), caveolin-1 (CAV-1), and PKCζ were identified at the pore border. At 12 months of hyperglycemia, the significant reduction of pores density in RPE cell layer was associated with microglia/macrophages accumulation in the subretinal space together with vacuolization of RPE cells and disorganization of photoreceptors outer segments. The intraocular injection of a PKCζ inhibitor at 12 months reduced iNOS expression in microglia/macrophages and inhibited their migration through the retina, preventing their subretinal accumulation. We show here that a physiological transcellular pathway takes place through RPE cells and contributes to microglia/macrophages retinal trafficking. Chronic hyperglycemia causes alteration of this pathway and subsequent subretinal accumulation of activated microglia/macrophages.

Starting Insulin Treatment in Type 2 Diabetes

Type 2 diabetes is a disorder of glucose metabolism characterized by chronic hyperglycemia. Initially type 2 diabetes is characterized by insulin resistance and impaired function of beta cells, leading progressively to insulin deficiency. Type 2 diabetes is treated with diet and other lifestyle changes, and with medication modulating e.g. insulin resistance, liver glucose production and insulin secretion. Injectable insulin is added to the treatment when lifestyle changes and other medication are insufficient to maintain adequate control of hyperglycemia. The aim of the treatment is to remove the symptoms of diabetes and to prevent late complications of diabetes. Insulin was traditionally started at hospital wards, but from the early 1990’s also in outpatient care. The first substudy of this thesis examined retrospectively initiation practices and how successfully insulin treatment was introduced in 1990 – 1996 in Southwestern Finland. This study aimed also at identifying the best methods of controlling plasma glucose. It showed that in the 1990’s the incidence of insulin treatment increased and was initiated more often in outpatient care than previously. The use of combination treatment also increased, first with sulfonylureas and later with metformin as the oral drug. In combination therapy the insulin dose was smaller than with insulin monotherapy. HbA1c improved similarly in middle-aged and older age groups. Weight increase associated with insulin initiation was smaller when combined with oral agents. A prospective insulin initiation study (1994 – 1998) tested the hypothesis that hyperglycemia (fasting and postprandial hyperglycemia) may affect the outcome of insulin initiation. The type of hyperglycemia was determined by the relation of fasting plasma glucose to HbA1c. Treatment was initiated with insulin Lente or human NPH insulin. In patients treated with insulin monotherapy twice daily the decline in HbA1c was markedly greater for postprandial than fasting hyperglycemia patients suggesting that hyperglycemia type has significance in the selection of the insulin regimen. Another insulin initiation study showed that patients with fasting hyperglycemia starting on insulin (2004-2005) were significantly more prone to overweight than patients with postprandial hyperglycemia. Irrespective of the insulin preparation (insulin NPH or insulin glargine), patients with fasting hyperglycemia had a greater weight increase compared to patients with postprandial hyperglycemia. Special attention should be paid to prevention of weight increase in these patients.

Lack of relationship between glycemic control and bone mineral density in type 2 diabetes mellitus

We assessed the effect of chronic hyperglycemia on bone mineral density (BMD) and bone remodeling in patients with type 2 diabetes mellitus. We investigated 42 patients with type 2 diabetes under stable control for at least 1 year, 22 of them with good metabolic control (GMC: mean age = 48.8 ± 1.5 years, 11 females) and 20 with poor metabolic control (PMC: mean age = 50.2 ± 1.2 years, 8 females), and 24 normal control individuals (CG: mean age = 46.5 ± 1.1 years, 14 females). We determined BMD in the femoral neck and at the L2-L4 level (DEXA) and serum levels of glucose, total glycated hemoglobin (HbA1), total and ionic calcium, phosphorus, alkaline phosphatase, follicle-stimulating hormone, intact parathyroid hormone (iPTH), 25-hydroxyvitamin D (25-OH-D), insulin-like growth factor I (IGFI), osteocalcin, procollagen type I C propeptide, as well as urinary levels of deoxypyridinoline and creatinine. HbA1 levels were significantly higher in PMC patients (12.5 ± 0.6 vs 7.45 ± 0.2% for GMC and 6.3 ± 0.9% for CG; P < 0.05). There was no difference in 25-OH-D, iPTH or IGFI levels between the three groups. BMD values at L2-L4 (CG = 1.068 ± 0.02 vs GMC = 1.170 ± 0.03 vs PMC = 1.084 ± 0.02 g/cm²) and in the femoral neck (CG = 0.898 ± 0.03 vs GMC = 0.929 ± 0.03 vs PMC = 0.914 ± 0.03 g/cm²) were similar for all groups. PMC presented significantly lower osteocalcin levels than the other two groups, whereas no significant difference in urinary deoxypyridine was observed between groups. The present results demonstrate that hyperglycemia is not associated with increased bone resorption in type 2 diabetes mellitus and that BMD is not altered in type 2 diabetes mellitus.

Modulation de la voie de signalisation de Gαq par l’hyperglycémie : mécanisme moléculaire

Les complications vasculaires telles que l’augmentation de la contractilité et la prolifération cellulaire sont les complications les plus communes observées dans le diabète et l’hyperglycémie chronique est un facteur important dans ces processus. La voie de signalisation de Gαq joue un rôle important dans la régulation du tonus vasculaire et l’altération de celle-ci peut contribuer aux complications vasculaires observées dans les cas de diabète et d’hyperglycémie. Il a été observé que les taux et l’activité des protéines kinase C (PKC) et du diacylglycérol (DAG) sont augmentés dans ces conditions. Cependant, aucune étude n’a démontré l’implication de Gαq/11 et des PLCβ, molécules de signalisation en amont de PKC/DAG. Plusieurs études révèlent que l’augmentation des taux et de l’activité des PKC et du DAG induite par l’hyperglycémie dans des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) est attribuée à l’augmentation du stress oxydatif. De plus, les niveaux de certains peptides vasoactifs, tels que l’angiotensine II et l’endothéline-1, augmentés dans les conditions de diabète/d’hyperglycémie, peuvent contribuer à l’augmentation du stress oxydatif observée. Le travail présenté dans cette thèse avait pour but d’examiner les effets de l’hyperglycémie sur les niveaux d’expression protéique de Gαq/11 et de ses molécules associées, ainsi que d’étudier le mécanisme moléculaire par lequel l’hyperglycémie module la voie de signalisation de Gαq dans les CMLV. Dans la première étude, nous avons examiné si l’hyperglycémie pouvait moduler l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ1 et PLCβ2. Le prétraitement des CMLV A10 avec 26 mM de glucose durant 72 heures augmente l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 en comparaison avec les CMLV témoins. Le traitement avec des antagonistes aux récepteurs AT1 de l’Ang II, et ETA/ETB de l’ET-1, atténue la hausse de Gαq, de Gα11, de PLCβ1 et de PLCβ2 induite par l’hyperglycémie. De plus, la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 était plus élevée dans les CMLV exposée à 26 mM de glucose. Le traitement des CMLV A10 avec l’Ang II et l’ET-1 augmente également les niveaux d’expression des protéines Gα q/11 et PLCβ. Cette augmentation de l’expression est restaurée au niveau des CMLV témoins par les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ dans les CMLV induite par l’hyperglycémie est attribuée à l’activation des récepteurs AT1, ETA et ETB. Dans la seconde étude, nous avons examiné l’implication du stress oxydatif dans l’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. Nous avons également déterminé le mécanisme responsable de l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie. L’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ des CMLV A10 exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec l’antioxydant diphenyleneiodonium (DPI), et la catalase, un chélateur du peroxyde d’hydrogène, mais pas par le 111Mn-tetralis(benzoic acid porphyrin) (MnTBAP) ni par l’acide urique, des chélateurs du peroxynitrite. De plus, l’augmentation de la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 dans les CMLV exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec le DPI et la catalase. Ces résultats suggèrent que l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie contribue à l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq. De plus, l’augmentation de la production d’anion superoxyde (O2-), de l’activité de la NADPH oxydase et de l’expression des protéines p22(phox) et p47(phox) induite par l’hyperglycémie est revenue à un niveau basal après un traitement avec les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’hyperglycémie augmente les niveaux endogènes de l’Ang II et de l’ET-1, ce qui augmente le stress oxydatif par la formation d’O2- et de H2O2 et peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gq/11α et de leurs molécules de signalisation. Puisqu’il a été observé que l’hyperglycémie transactive les récepteurs aux facteurs de croissance tels que le récepteur au facteur de croissance épidermique (EGF-R) et le récepteur au facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF-R), nous avons entrepris d’examiner, dans la troisième étude, l’implication d’EGF-R et de PDGF-R dans l’augmentation des niveaux de Gαq/11, de PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. L’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 induite par l’hyperglycémie est revenue au niveau basal après un traitement avec les inhibiteurs d’EGF-R (AG1478) et de PDGF-R (AG1295) et par l’inhibiteur de c-Src, PP2. L’augmentation de la phosphorylation d’EGF-R et de PDGF-R induite par l’hyperglycémie a été abolie par AG1478, AG1295 et PP2. De plus, l’augmentation des niveaux de Gαq/11, et de PLCβ induite par l’hyperglycémie est atténuée par l’inhibiteur des MAPK, le PD98059, et par l’inhibiteur d’AKT, le wortmannin. L’augmentation de la phosphorylation d’ERK et d’AKT était également atténuée par AG1478 et AG1295. Ces résultats suggèrent que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par c-Src peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gα q/11/PLC et de leur signalisation par la voie des MAPK/PI3K. En conclusion, les études présentées dans cette thèse indiquent que l’hyperglycémie augmente les niveaux de Gαq/11 et de PLCβ. Nous avons émis des évidences qui démontrent que l’augmentation endogène de l’Ang II et de l’ET-1 par l’hyperglycémie peut contribuer à l’augmentation de la production d’O2- et de H2O2 résultant ainsi en une augmentation du stress oxydatif qui pourrait être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et de leur signalisation dans les conditions d’hyperglycémie. Finalement, nous avons démontré que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par l’hyperglycémie peut être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq dans les cas de diabète et d’hyperglycémie.