Importance du glucose

De formule brute C6H12O6, le glucose est un monosaccharide de la famille des glucides. C’est un sucre simple formé d’une seule chaîne contenant 6 carbones. Le glucose est un hexose et plus précisément un aldohexose du fait de la présence d’une fonction aldéhyde (Figure 26).

Figure 26 : Structure chimique du glucose représenté (A) en projection de Fisher et (B) en projection de Haworth.

Le rôle principal du glucose est d’être le combustible de la cellule. Ce rôle comme source énergétique essentielle est la raison pour laquelle il occupe une position centrale dans le métabolisme. Le glucose est impliqué principalement dans :

 une forme de stockage sous forme de polysaccharides

 sa dégradation en précurseurs biosynthétiques par la voie des pentoses phosphates  sa dégradation en pyruvate par la glycolyse

La voie des pentoses phosphates génère du NADPH, la forme oxydée du NADP (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate), molécule indispensable aux réactions réductrices de synthèse d’acides gras, acides aminés et nucléotides. Cette voie nécessite de l’énergie qui est produite par la glycolyse. La voie de la glycolyse est employée par tous les tissus pour la dégradation du glucose pour fournir de l'énergie, sous la forme d'ATP (adénosine triphosphate) à partir d’ADP (adénosine diphosphate), ainsi que des intermédiaires pour d'autres voies métaboliques. La glycolyse est au centre du métabolisme des glucides car pratiquement tous les sucres peuvent être convertis en glucose, substrat premier de la glycolyse. La glycolyse est une série de 9 à 10 réactions dont l’un des produits finaux est le pyruvate. Les pyruvates produits à l’issue de la glycolyse seront ensuite dégradés lors du cycle de Krebs au sein de la mitochondrie. La dégradation complète du pyruvate permet donc, grâce à la chaîne respiratoire, la formation d'ATP. Le glucose, grâce à la glycolyse, au cycle de Krebs et à la chaîne respiratoire, permet donc la production d'énergie utilisable par la cellule¹⁸⁴.

En conditions aérobiques (Figure 27), le NADH (Nicotinamide Adénine Dinucléotide sous forme oxydé) formé lors de la glycolyse est réoxydé en présence d’oxygène, permettant au pyruvate d’être le substrat d’une autre voie métabolique. Dans ces conditions, le métabolisme du glucose permet la production de 38 mol d’ATP à partir de 1 mol de glucose. Lorsque l’apport en oxygène est insuffisant, le métabolisme cellulaire de type aérobique bascule vers un métabolisme anaérobique pour conserver une production d’énergie. Cependant, en absence d’oxygène, le NADH ne peut être réoxydé. Le pyruvate est alors réduit en lactate permettant la formation de NAD⁺. La glycolyse permet donc en conditions anaérobiques la production de 2 mol d’ATP à partir de 1 mol de glucose. Cette glycolyse anaérobique est connue et permet la production d’énergie au sein de tissus n’ayant pas de mitochondrie, tels que les globules rouges, ou dans le cas de cellules dépourvues en apport suffisant en oxygène¹⁷⁹.

Figure 27 : Représentation simplifiée de la glycolyse en conditions aérobiques et en conditions anaérobiques.

Dans le cadre de la bioingénierie, l’induction d’un métabolisme aérobie vers un métabolisme anaérobie permettrait le maintien de la production d’énergie. Sur des cellules souches mésenchymateuses humaines (hCSM), et en caractérisant leur survie, un modèle in vitro d’ischémie a été développé pour obtenir une meilleure compréhension de l’ischémie ; d’un point de vue de l’hypoxie et de la déplétion en nutriments⁵. La survie des hCSMs (Figure 28.A) et la quantité d’ATP présentes dans ces cellules (Figure 28.B) ont été évaluées en présence ou en absence de glucose pendant 21 jours en condition quasi-anoxique (pO2 < 0,1 %). En absence de glucose, le nombre de cellules vivantes et la quantité d’ATP au sein des cellules diminuent drastiquement dès la première semaine de culture. L’apport de glucose à 1 g/L permet d’améliorer la survie des hCSMs et la quantité d’ATP seulement sur les 7 premiers jours de culture. Par contre, en présence de glucose à 5 g/L, le nombre de cellules vivantes et la quantité d’ATP restent stables sur les 3 semaines d’expérience. Dans ce modèle, le glucose joue donc clairement un rôle central dans la survie des

cellules. En effet, seules les cellules cultivées en présence de glucose possédaient la capacité de survivre et de garder leurs fonctionnalités après une hypoxie prolongée.

Figure 28 : (A) Quantification de la viabilité cellulaire et (B) du pourcentage d’ATP produit par cellule lorsque les hCSMs sont cultivées en conditions quasi-anoxiques, en absence de glucose (rouge), de 1 g/L (vert) ou de 5 g/L (bleu) de glucose⁵.

Ces résultats ont été validés in vivo par implantation des hCSMs dans un modèle ectopique murin. En effet, en absence de glucose, la viabilité cellulaire diminue dès les premiers jours après implantation. La présence de glucose permet l’amélioration de la survie cellulaire. Cependant, à 7 jours post-implantation, la viabilité cellulaire diminue. Ces résultats permettent tout de même de démontrer que l'unique apport de glucose dans un environnement quasi-anoxique permet une augmentation significative du taux de survie des hCSMs implantées (Figure 29)⁵.

Figure 29 : Quantification de la viabilité cellulaire de hCSMs aux seins de biomatériaux implantés en site ectopique chez la souris en présence (noir) ou en absence (blanc) de glucose à 10 g/L⁵.

Cette étude permet donc d’ouvrir de nouvelles possibilités pour améliorer la survie de cellules au sein de biomatériaux implantés. Cependant, dans ces conditions in vivo, la survie des hCSMs diminue après 14 jours d’implantation, même en présence glucose. Il est fort probable que cette diminution soit due à une déficience dans l’apport continu de glucose au cours du temps dans le biomatériau implanté.