Relations intercellulaires dans les îlots de Langerhans et leur rôle dans la sécrétion du glucagon

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Thesis

Reference

Relations intercellulaires dans les îlots de Langerhans et leur rôle dans la sécrétion du glucagon

BARBIEUX, Charlotte

Abstract

Les îlots de Langerhans sont de mini-organes comprenant des interactions cellulaires complexes et nécessaires à la régulation de la glycémie dans l'organisme. Toutefois, les mécanismes permettant de coordonner les différents types cellulaires de l'îlot sont nombreux et encore mal connus. Afin de mieux comprendre l'importance de ces interactions cellulaires, nous avons effectué deux études différentes. Dans notre première étude, nous avons pu constater que les cellules delta et PP présentent une distribution asymétrique au sein des îlots humains. En effet, les cellules PP sont majoritairement localisées aux bords des vaisseaux périphériques de l'îlot tandis que les cellules delta se trouvent majoritairement aux bords des vaisseaux qui s'invaginent à l'intérieur de l'îlot. Notre seconde étude a quant à elle permis de mettre en évidence le rôle essentiel des cellules bêta et des contacts cellulaires directs dans la régulation de la sécrétion du glucagon lors d'un challenge hypoglycémique.

BARBIEUX, Charlotte. Relations intercellulaires dans les îlots de Langerhans et leur rôle dans la sécrétion du glucagon. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2017, no. Sc. 5170

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:102713 URN : urn:nbn:ch:unige-1027133

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:102713

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UNIVERSITE DE GENÈVE

Département de Biologie Cellulaire FACULTÉ DES SCIENCES Professeure Sandra CITI

Département de Chirurgie FACULTÉ DE MÉDECINE Professeur Domenico BOSCO

RELATIONS INTERCELLULAIRES DANS LES ILOTS DE LANGERHANS ET LEUR RÔLE DANS LA SÉCRÉTION DU GLUCAGON

THÈSE

présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences, mention biologie

par

Charlotte BARBIEUX de

France

Thèse n°5170

GENÈVE Repromail

2017

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REMERCIEMENTS

Mes premiers remerciements s’adressent aux membres de mon jury pour avoir accepté d’évaluer mon travail de thèse : la Professeure Sandra Citi et le Professeur Patrick Gilon.

J’exprime ma profonde gratitude au Professeur Thierry Berney qui m’a accueilli dans son laboratoire et qui a toujours su faire preuve de bienveillance à mon égard. Je le remercie également de m’avoir donné l’opportunité de travailler dans le programme clinique d’isolement et de transplantation d’îlots de Langerhans, une activité qui s’est avérée très enrichissante et gratifiante.

Je souhaite également témoigner toute ma reconnaissance à mon directeur de thèse, le Professeur Domenico Bosco, qui a su apporter un aspect critique à mon travail et dont les con- seils ont été d’une grande aide. J’aurai appris énormément au cours de cette thèse grâce à lui.

Ce travail n’aurait pas pu se faire sans l’aide de tous mes collègues de laboratoire : Na- dine, Géraldine, Vanessa, Ekaterine, Fanny, Joana, Lisa, Caroline, Corinne, David, Mohamed et Loïc. J’aurai plein de choses à dire sur chacun de vous pour vous remercier (mais vous êtes trop nombreux !), alors merci à toutes et à tous d’avoir, chacun à votre manière, participé à ce travail et merci pour tous ces bons moments passés en votre compagnie. J’espère que Bernadette ou Carlotta vous manquera aussi de temps en temps.

David et Corinne, merci à tous les deux pour votre aide technique durant cette dernière année de thèse, cela m’a beaucoup aidé et je vous en suis très reconnaissante.

Vanessa, je veux te remercier de m’avoir soutenue pendant ces dernières semaines en m’encourageant et me guidant dans cette dernière ligne droite, ce n’était peut-être pas grand- chose pour toi, mais pour moi ça m’a fait un bien fou. Et merci à toi Fanny pour m’avoir dépa- touiller plusieurs fois de ce fichier Word qui m’a fait des misères, tu m’as probablement évité des heures de galères.

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REMERCIEMENTS

Je souhaite également remercier deux personnes qui ont été très présentes pour moi : Estelle, tu as été une vraie partenaire de congrès et de voyage et j’en garde de super souvenirs.

Tes réactions enflammées et tes coups de gueule vont me manquer, nos conversations aussi.

Elisa, ma bichette, merci d’avoir toujours été là en cas de coup dur et merci pour tous ces bons moments partagés. Ton petit accent italien va me manquer.

Je ne peux faire ces remerciements sans remercier deux personnes qui me sont très chères. Papa, maman, les mots ne sont pas suffisants pour vous exprimer toute ma reconnaissance. Merci pour votre amour, merci de m’avoir soutenue tout au long de mes études et surtout, merci d’avoir toujours cru en moi. Je souhaite également remercier mon frère, Pierre, et ma sœur, Chloé, d’avoir toujours été présents quand il le fallait et de me soutenir quoi qu’il arrive.

Et enfin Max, depuis qu’on se connaît tu as été un soutien sans failles, tu as toujours su calmer mes doutes et mes angoisses et tu t’es toujours montré patient et compréhensif. On s’était fait une promesse pour la fin de cette thèse et je suis heureuse qu’elle se soit réalisée...bientôt nous serons trois, et je crois que c’est le plus beau cadeau que je pouvais te faire pour te remercier de tout ton amour.

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RÉSUMÉ

Les îlots de Langerhans sont de mini-organes comprenant des interactions cellulaires complexes et nécessaires à la régulation de la glycémie dans l’organisme. Les îlots sont com- posés de plusieurs types cellulaires endocrines : bêta, alpha, delta et PP, qui sécrètent respecti- vement l’insuline, le glucagon, la STT, et le polypeptide pancréatique. Ces cellules interagissent entre elles via différents mécanismes de régulation afin d’ajuster les différentes sécrétions hormonales de l’îlot. Toutefois, les mécanismes permettant de coordonner ces différents types cellulaires sont nombreux et encore mal connus.

Afin de mieux comprendre l’importance de ces interactions cellulaires, nous avons ef- fectué deux études différentes :

La première étude concerne les cellules les moins représentées des îlots, les cellules delta et PP, qui sont aussi connues pour moduler la sécrétion d’insuline et de glucagon. Peu d’études existent sur les mécanismes permettant à ces cellules d’interagir entre elles et avec les cellules alpha et bêta. Nous avons donc entrepris d’effectuer une étude morphologique sur la localisation de ces cellules dans des îlots pancréatiques humains. Pour cela, nous avons utilisé des coupes pancréatiques sur lesquelles nous avons réalisé des marquages par immunofluores- cence pour mettre en évidence les cellules endocrines et endothéliales. Nous avons ainsi cons- taté que les cellules delta et PP présentent au sein des îlots humains une distribution particulière, proche de celle des cellules alpha. En effet, ces cellules sont majoritairement à la périphérie des cellules bêta, mais contrairement aux cellules alpha leur distribution est asymétrique : les cellules PP sont majoritairement localisées aux bords des vaisseaux périphériques de l’îlot tandis que les cellules delta se trouvent majoritairement aux bords des vaisseaux qui s’invaginent dans l’îlot. Cette distribution est similaire entre la tête et la queue du pancréas, qui dérivent de bour- geons embryonnaires différents et qui sont irriguées par deux branches artérielles distinctes. De même, la distribution est identique entre les pancréas de patients sains et de patients diabétiques de type 2.

Notre seconde étude avait comme objectif d’étudier le rôle des cellules bêta dans la régulation de la sécrétion du glucagon. En effet, dans le diabète de type 1, en plus d’un défaut de sécrétion de l’insuline, on observe une importante dérégulation de la sécrétion du glucagon.

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RÉSUMÉ

Cela se traduit par une hyperglycémie constante et pour certains patients à une perte de la sé- crétion du glucagon lors d’évènements hypoglycémiques. Les mécanismes régulant la sécrétion du glucagon sont nombreux, complexes et encore méconnus. Parmi les différents acteurs po- tentiels de cette régulation, nous avons souhaité investiguer le rôle des cellules bêta. Dans un modèle in vitro, contrairement aux îlots de rats, nous avons observé que l’absence de cellules bêta dans des agrégats cellulaires alpha ne permet pas aux cellules alpha de sécréter du glucagon en réponse à l’hypoglycémie, démontrant le rôle essentiel des cellules bêta dans cette régula- tion. D’autre part, nous avons constaté que l’absence de contact cellulaire direct entre les cellules bêta et alpha ne permet pas aux cellules alpha de sécréter du glucagon en réponse à l’hy- poglycémie, ce qui suggère que la régulation de la sécrétion du glucagon peut être dépendante de contacts cellulaires directs. Pour finir, des expériences menées in vivo avec des modèles de souris diabétiques nous permettent de confirmer l’importance des cellules bêta dans la régula- tion de la sécrétion du glucagon lors d’un challenge hypoglycémique. En effet, les souris avec un diabète induit avec de la streptozotocine et possédant des cellules bêta résiduelles conservent leur capacité à sécréter du glucagon en réponse à l’hypoglycémie alors que les souris transgé- niques (NSG-RIP-DTR) avec un diabète induit avec la toxine diphtérique et dépourvues de la quasi-totalité de leurs cellules bêta ont une réponse altérée du glucagon en réponse à l’hypogly- cémie.

En conclusion, les résultats obtenus dans notre première étude offrent de nouvelles con- naissances sur les cellules delta et PP et ouvrent des nouvelles perspectives quant à leur rôle dans le fonctionnement de l’îlot. Il serait par conséquent intéressant d’approfondir ces connais- sances pour comprendre si ces cellules influencent les sécrétions hormonales des autres types cellulaires de l’îlot en sécrétant leur hormone dans la vascularisation ou en passant par des contacts cellulaires directs. En plus de mettre en évidence le rôle essentiel des cellules bêta dans la régulation de la sécrétion du glucagon en contexte hypoglycémique, notre seconde étude nous a permis de développer de nouveaux modèles expérimentaux in vitro et in vivo capables d’étu- dier aussi bien les contacts cellulaires directs que les effets paracrines impliqués dans cette régulation. Trouver le/les éléments impliqués dans cette régulation permettrait d’imaginer de nouvelles approches thérapeutiques pour les patients diabétiques souffrants d’épisodes hypo- glycémiques.

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TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION ... 1

1. H

OMEOSTASIE DU GLUCOSE

:

ASPECT PHYSIOLOGIQUE ET PATHOPHYSIOLOGIQUE

... 3

1.1.Importance de l’homéostasie du glucose ... 3

1.1.1. Pourquoi la glycémie doit-elle être maintenue constante ? ... 3

1.1.2. Les principaux acteurs de la régulation de la glycémie ... 5

1.2.Conséquences pathologiques dues à la dérégulation glycémique ... 11

1.2.1. Le diabète ... 11

o Le diabète de type 2 ... 11

o Le diabète de type 1 ... 12

1.2.2. Les complications liées au diabète ... 12

o Hyperglycémie ... 12

o Hypoglycémie... 13

1.2.3. Traitements actuels et futurs du diabète de type 1 ... 14

2. L

E PANCREAS ET LES ILOTS DE

L

ANGERHANS

... 17

2.1.Le pancréas et ses fonctions endocrine et exocrine ... 17

2.2.Les îlots de Langerhans : de micro-organes ... 19

2.2.1. Découverte des îlots et de leur rôle endocrine ... 19

2.2.2. Composition et organisation cellulaire ... 20

o Les cellules bêta ... 21

o Les cellules alpha... 21

o Les cellules delta ... 21

o Les cellules PP ... 21

o Les cellules Epsilon ... 22

2.2.3. Microvascularisation des îlots ... 24

2.2.4. Innervation des îlots ... 27

2.2.5. Importance de l’architecture et de la vascularisation dans les îlots transplantés ... 29

2.3.Mécanismes de régulation dans l’îlot ... 30

2.3.1. Importance des relations intercellulaires : signalisation autocrine et paracrine ... 30

2.3.2. Rôle des molécules d’adhésion et des jonctions communicantes ... 33

(11)

TABLE DES MATIÈRES

o Les jonctions communicantes ... 35

3. L

A CELLULE ALPHA

... 38

3.1.Le glucagon : une hormone hyperglycémiante ... 38

3.1.1. Fonctions ... 38

3.1.2. Synthèse et maturation ... 39

3.1.3. Le récepteur au glucagon et les voies de signalisations associées ... 41

3.2.Les différents mécanismes de régulation de la sécrétion du glucagon ... 42

3.2.1. Effet du glucose sur la sécrétion du glucagon ... 42

3.2.2. Régulations paracrines ... 44

o Cellules bêta : insuline ... 45

o Cellules bêta : Le zinc... 47

o Cellules bêta : GABA ... 48

o Cellules delta : somatostatine ... 49

3.2.3. Régulations autocrines ... 50

o L-glutamate ... 50

o Glucagon ... 51

3.2.4. Régulation gastro-intestinale... 52

o GLP-1 ... 52

3.2.5. Régulation par le système nerveux central ... 54

3.3.Pathophysiologie de la cellule alpha... 56

OBJECTIFS DE LA THÈSE ... 57

PREMIERE ÉTUDE : DISTRIBUTION DES CELLULES DELTA ET PP DANS LES ÎLOTS HUMAINS ... 61

SECONDE ÉTUDE : RÉGULATION DE LA SÉCRÉTION DU GLUCAGON PAR LES CELLULES BÊTA EN CONTEXTE HYPOGLYCÉMIQUE ... 89

1. I

NTRODUCTION

: O

BJECTIFS DE L

’

^ETUDE

... 91

2. M

^ETHODES

... 93

3. R

^ESULTATS

... 97

4. D

^ISCUSSION

...113

(12)

TABLE DES MATIÈRES

DISCUSSION GÉNÉRALE ... 117

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 127

ANNEXE ... 157

(13)

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LISTE DES ABRÉVIATIONS

ACh Acétylcholine AMCA Aminiméthylcoumarine

AMPc Adénosine monophosphate cyclique

AMPK Protéine kinase activée par l’AMP

ATP Adénosine triphosphate

αIRKO Souris transgéniques dépourvus de récepteurs à l’insuline (cellules α)

BSA Bovine serum albumin

Ca²⁺ Calcium

CAM Cell adhesion molecules

CGRP Calcitonin gene-related peptide

Cl^- Chlorure

CREB cAMP- responsive element-binding protein CRTC2 CREB-regulated transcription coactivator 2

Cx36 Connexine 36

DAG Diacylglycerol

DT Diphteria toxin

DTR Diphteria toxin receptor

DT1 Diabète de type 1

DT2 Diabète de type 2

ERK Extracellular signal-regulated kinases

FAD Flavine adenine dinucléotide

FCS Foetal calf serum

FDA Fluorescein diacetate

FITC Isothiocyanate de fluorescéine

GABA Acide γ-aminobutyrique

GAD 65 Glutamate decarboxylase 65

GE Neurones glucose-excités

GHB γ-hydroxybutyrate

GI Neurones glucose-inhibés

GIP Gastric inhibitory polypeptide GIRK Protein-gated inwardly rectifying K⁺ GLP-1, GLP-2 Glucagon-like peptide 1 ou 2 GLUT1-2 Transporteurs au glucose 1, 2

GRP Gastrin releasing peptide

GRPP Glicentin-related polypeptide

HAAF Hypoglycaemia-associated autonomic failure

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LISTE DES ABRÉVIATIONS

HEPES Acide 4-(2-hydroxyéthyl)-1-pipérazine éthane sulfonique iGluR Récepteurs ionotropiques au glutamate

IP-1,2 Intervening peptide 1, 2

IP3 Inositol 1,4,5-trisphosphate

Ips Induced pluripotent stem cells IVITT Intraveinous insulin tolerance test KATP Canaux K⁺ ATP-dépendants

KRB Krebs-Ringer bicarbonate

MPGF Major proglucagon fragment

mGluR Récepteurs métabotropiques au glutamate NA Noradrénaline

NADP Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate

Na⁺ Sodium

NCAM Neural cell adhesion molecules

NPY Neuropeptide Y

NSG NOD (Non-obese diabetic); SCID; Il2rg^-/- (interleukin 2 gamma) PACAP Pituitary adenylate cyclase activating polypeptide

PBS Phosphate buffer saline

PC2 et 1/3 Prohormones convertase 2 et 1/3

PI Propidium iodide

PI3K /AKT Phosphatidylinositol-3-kinase/ Protein kinase B PIP2 Phosphatidylinositol-4,5-biphosphate

PKA, PKC Protéine kinase A, C

PLC Phospholipase C

PP Polypeptide pancréatique

PTG Produits terminaux de glycation RCPGs Récepteurs couplés aux protéines G

RIP Rat insulin promoter

SCID Severe combined immunodeficiency

SERCA Réticulum sarcoendoplasmique Ca²⁺ ATPase

SGLT1,2 Transporteurs sodium-glucose 1,2

SOC Store-operated channels

SLMVs Synaptic-like microvesicles

STZ Streptozotocine SST Somatostatine SSTR1-5 Récepteurs à la somatostatine 1-5

Tregs Lymphocytes T régulateurs

VEGF Vascular endothelial growth factor-A

VGLUT1,2 Transporteurs vésiculaires du glutamate 1,2 VIP Vasoactive intestinal polypeptide

Zn²⁺ Zinc

ZnT8 Transporteurs du zinc

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TABLE DES ILLUSTRATIONS

INTRODUCTION

Figure 1 : Les différents acteurs essentiels au maintien de l’homéostasie glucidique Figure 2 : Anatomie fonctionnelle du pancréas

Figure 3 : Différences structurelles entre les îlots humains et murins

Figure 4 : Relations intercellulaires entre les cellules alpha, bêta et delta pancréatiques Figure 5 : Connexions intercellulaires entre les cellules alpha et bêta pancréatiques Figure 6 : Peptides dérivés du proglucagon

Figure 7 : Mécanismes de régulation paracrines, autocrines et gastro-intestinale agissant sur la cellule alpha

FIGURES DE LA PREMIERE ETUDE

Figure 1 : Different locations of PP and δ cells in human pancreatic islets Figure 2 : Quantification of islet cell locations in human pancreatic islets

Figure 3 : Similar islet cell locations in islets from the tail and the head of pancreas Figure 4 : Similar islet cell locations in islets from non-diabetic and T2D donors Figure 5 : Non-concomitant occurrences of PP and δ cells in islets

Figure 6 : Model of a double vascularization in islets

Figure S1 : Quantification of islet cell locations in human pancreatic islets calculated with stained areas expressed relative to total areas

Figure S2 : Quantification of beta cell locations in human pancreatic islets

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TABLE DES ILLUSTRATIONS

FIGURES DE LA SECONDE ETUDE

Figure 1 : Formation des agrégats cellulaires in vitro et détermination de la viabilité cellulaire Figure 2 : Composition cellulaire des agrégats

Figure 3 : Rôle des cellules bêta et de l’insuline dans la baisse de la sécrétion du glucagon in- duite par le glucose

Figure 4 : Rôle de l’insuline sur la sécrétion du glucagon en condition hypoglycémique Figure 5 : Rôle de l’antagoniste des récepteurs à l’insuline S961 sur la sécrétion du glucagon en condition hypoglycémique

Figure 6 : Rôle des contacts intercellulaires entre les cellules alpha et bêta dans la sécrétion du glucagon en condition hypoglycémique

Figure 7 : Comparaison de la sécrétion du glucagon en réponse à l’hypoglycémie chez des souris témoins et des souris traitées à la streptozotocine

Figure 8 : Comparaison de la sécrétion du glucagon en réponse à l’hypoglycémie chez des souris témoins et des souris NSG-RIP-DTR traitées à la toxine diphtérique

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INTRODUCTION

(19)

INTRODUCTION

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1. H OMEOSTASIE DU GLUCOSE : ASPECT PHYSIOLOGIQUE ET PATHOPHYSIOLOGIQUE

1.1. Importance de l’homéostasie du glucose

1.1.1. Pourquoi la glycémie doit-elle être maintenue constante ?

Le glucose est une molécule qui provient essentiellement de notre alimentation, et qui une fois dans la circulation sanguine, va être indispensable pour fournir de l’énergie aux diffé- rents types cellulaires de notre organisme. La plupart des êtres vivants utilisent le glucose comme source d’énergie en passant soit par la respiration aérobie soit par la respiration anaé- robie. Le glucose capté par les cellules va être catabolisé par une voie métabolique que l’on nomme glycolyse. Suite à la glycolyse, d’autres voies métaboliques vont suivre telles que le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire mitochondriale. Cette succession de voies métaboliques représente la respiration aérobie et permet la production d’énergie en convertissant les molé- cules de glucose en molécules d’adénosine triphosphate (ATP). L’ATP ainsi produit va fournir l’énergie nécessaire aux différentes réactions chimiques du métabolisme et permettre aux dif- férents types cellulaires de l’organisme de fonctionner correctement. Toutefois, le glucose circulant ne provient pas uniquement de l’alimentation. En effet, certains organes tels que le foie ou les reins sont capables de stocker le glucose sous forme de glycogène et de le mobiliser en cas de besoin. Lorsqu’il n’y a plus de glucose disponible (ex: lors d’un effort physique intense), l’organisme va enclencher toute une série de mécanismes permettant la dégradation des réserves de glycogène, conduisant ainsi à la libération de glucose dans la circulation sanguine. Le glucose a donc un rôle fondamental car il est la principale source d’énergie des différents types cellulaires et qu’il est essentiel au bon fonctionnement de notre organisme.

La glycémie, qui représente la concentration de glucose dans le sang, est un paramètre variable qui dépend de plusieurs facteurs tels que l’apport de nourriture, l’effort physique, le moment de la journée ou l’influence de diverses hormones. Afin de garantir un approvisionne- ment énergétique constant à tous les organes et d’assurer leur bon fonctionnement, la glycémie

(21)

INTRODUCTION

doit rester dans une fourchette de valeurs constantes. Chez l’humain, à jeun, les valeurs physiologiques de la glycémie doivent être comprises entre 0.7 et 1.1 g/L (soit de 4 à 7mM).

On parle d’hyperglycémie quand la glycémie est supérieure à 7mM chez un individu à jeun ou est supérieure à 10mM plusieurs heures après la prise d’un repas (glycémie postprandiale). L’hyperglycémie va provoquer un phénomène naturel de glycation non enzymatique des protéines, aussi appelé « réaction de Maillard », permettant la fixation de molécules de glucose à des protéines dans le sang (Bunn 1981). Cette réaction va donner naissance à diverses pro- téines glyquées, dont une très connue pour son utilité dans le suivie glycémique des patients diabétiques : l’hémoglobine glyquée (HbA1c). En cas d’hyperglycémies fréquentes et prolon- gées (ex: chez des patients diabétiques), ce phénomène de glycation a d’importantes consé- quences pathologiques (Negre-Salvayre et al. 2009). En effet, les produits terminaux de glycation (PTG) sont particulièrement dangereux et provoquent des lésions tissulaires et cellulaires ainsi qu’un vieillissement vasculaire important (Janda et al. 2015; Stirban, Gawlowski, and Roden 2014). Cela entraîne diverses pathologies telles que l’insuffisance rénale, l’artériosclé- rose ou la rétinopathie, que l’on retrouve également chez les patients diabétiques. La valeur de l’HbA1c a quant à elle un rôle important car elle permet d’évaluer la glycémie sur plusieurs mois (les hématies ayant une durée de vie moyenne de 2 à 3 mois), permettant ainsi de surveiller l’équilibre glycémique des patients diabétiques (Sherwani et al. 2016).

Les hypoglycémies correspondent à des valeurs glycémiques inférieures à 4mM et sont généralement la conséquence d’un jeûne prolongé ou d’exercices physiques importants. Plu- sieurs mécanismes de contre-régulation vont entrer en jeu pour permettre à la glycémie de re- venir dans des valeurs physiologiques. Cela se traduit par une baisse de la sécrétion d’insuline, une augmentation de la sécrétion du glucagon ainsi que par une libération d’adrénaline par les glandes surrénales. D’autre part, le système nerveux parasympathique va induire une sensation de faim, toutefois, si l’hypoglycémie n’est pas contrée, le système nerveux sympathique va être activé et provoquer l’apparition de divers symptômes tels que la sudation, la tachycardie ou l’anxiété. Si les mécanismes de « contre-régulation de l’hypoglycémie » ne fonctionnent pas et que la glycémie descend en dessous de 1mM, l’organisme (et surtout le cerveau) peut alors subir des conséquences plus dramatiques. Cela commence par des troubles cognitifs, pouvant être suivis de dommages neurologiques (souvent irréversibles) voire du coma, et dans le pire des cas aboutir à la mort de l’individu (Brouhard 1992; Auer 2004; Sprague and Arbelaez 2011).

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HOMEOSTASIE DU GLUCOSE : ASPECT PHYSIOLOGIQUE ET PATHOPHYSIOLOGIQUE

1.1.2. Les principaux acteurs de la régulation de la glycémie

La régulation de la glycémie est un mécanisme complexe faisant intervenir plusieurs organes ainsi que différentes hormones (représentés en partie dans la figure 1). Les hormones telles que l’insuline ou le glucagon sont des messagers primaires qui une fois fixés à leurs ré- cepteurs activent différentes voies métaboliques essentielles à la régulation de la glycémie. Les organes sont quant à eux impliqués dans la régulation de la glycémie soit par leur consommation soit par leur production de glucose. Nous allons maintenant voir quels sont les organes et les hormones impliqués dans la régulation de la glycémie.

Quand on parle de la régulation de la glycémie, le premier organe venant à l’esprit est généralement le pancréas. Toutefois, même si cet organe ne produit ni ne consomme de glucose, il reste néanmoins un acteur majeur de la régulation de la glycémie. Le pancréas possède deux parties distinctes, l’une exocrine impliquée dans les processus de digestion, l’autre endocrine composée d’îlots de Langerhans qui permettent la sécrétion de deux hormones majeures pour le contrôle glucidique : l’insuline et le glucagon (cf. Chapitre 2). Ces îlots de Langerhans con- tiennent les détecteurs de glucose les plus importants de l’organisme : les cellules bêta productrices d’insuline et les cellules alpha productrices de glucagon. La sécrétion de ces deux hormones dans l’organisme est dépendante de la glycémie. En effet, les cellules bêta sécrètent de l’insuline à des concentrations de glucose élevées tandis que les cellules alpha sécrètent du glucagon à de faibles concentrations de glucose. L’insuline, qui est une hormone anabolisante, va agir sur différentes cellules cibles de l’organisme. Ses effets dans l’organisme sont multiples : elle va notamment inhiber la production de glucose par le foie et les reins, favoriser la synthèse de glycogène par le foie et les muscles et permettre la capture du glucose par les tissus adipeux. De plus, elle intervient sur l’inhibition des lipases (essentielles au mécanisme de lipo- lyse) et favorise la lipogenèse dans les adipocytes pour permettre la formation de triglycérides à partir d’acides gras. L’insuline agit également sur le métabolisme des protéines en favorisant la capture des acides aminés par le foie et les muscles et en inhibant la dégradation des protéines.

En plus de son effet sur le métabolisme des glucides, lipides et protéines, l’insuline peut égale- ment intervenir au niveau du système nerveux central. Elle va principalement agir au niveau de la région hypothalamique, où elle va pouvoir influencer les comportements alimentaires. En effet, l’insuline est considérée comme anorexigène étant donné qu’elle diminue la prise alimentaire grâce au sentiment de satiété. De même, elle va inhiber la production du neuropeptide Y

(23)

INTRODUCTION

capable d’interférer avec les mécanismes impliqués dans la « contre-régulation de l’hypogly- cémie ». L’ensemble des mécanismes induit par l’insuline va entraîner le stockage du glucose alimentaire et l’arrêt de la production de glucose endogène, permettant ainsi à la glycémie de baisser.

Si l’insuline est l’hormone hypoglycémiante de l’organisme, le glucagon est au contraire une hormone hyperglycémiante. Par conséquent, ces effets vont être opposés à ceux de l’insuline et vont s’inscrire dans le cadre d’une baisse de la glycémie. Ses fonctions sont notamment développées dans de plus amples détails dans le chapitre 3 (section 3.1.1). Son rôle principal est donc de permettre la production et la libération de glucose dans la circulation sanguine afin de ramener la glycémie dans des valeurs physiologiques. En plus de ces deux hormones, les îlots pancréatiques sécrètent d’autres hormones comme la somatostatine (STT), le polypeptide pancréatique (PP) et la ghréline, toutes impliquées dans le maintien de la glycémie.

Parmi les organes essentiels au maintien de l’homéostasie glucidique, le foie apparaît comme un élément crucial. Son rôle dans la régulation de la glycémie a notamment été mis en évidence en 1855 par Claude Bernard dans l’expérience dite « du foie lavé » (Karamanou et al.

2016). Grâce à la veine porte hépatique et à ses détecteurs de glucose hépato-portal, le foie est capable de détecter les variations glycémiques. En effet, cette veine recueille le flux sanguin provenant du tube digestif et par conséquent les différents nutriments issus de l’alimentation.

Ces détecteurs de glucose hépato-portal vont notamment agir au niveau du système nerveux central en induisant une sensation de satiété après les repas. Les mécanismes de régulation en- trant en jeu sont complexes et supposent une modification de l’activité électrique des afférences hépato-portales vagales et spinales, provoquant une modification de l’activité des neurones hy- pothalamiques impliqués dans le contrôle de la faim (Delaere, Magnan, and Mithieux 2010;

Mithieux 2014).

D’autre part, le foie capte environ 30% du glucose circulant après un repas. Le glucose y est stocké sous forme de glycogène, faisant de cet organe la source n°1 de glucose endogène utilisable dans l’organisme et la cible principale de l’insuline et du glucagon. En effet, lors d’exercices physiques intenses ou en condition hypoglycémique, le glucagon va agir directement sur le foie pour permettre la libération de glucose dans la circulation sanguine. Cela se traduit par l’activation de deux voies métaboliques : la glycogénolyse (production de glucose à partir du glycogène) et la néoglucogenèse (formation de glucose à partir de composés non-

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glucidiques) (Nordlie, Foster, and Lange 1999). Au contraire, en condition hyperglycémique, sous l’action de l’insuline, le foie va capter le glucose et le stocker sous forme de glycogène (glycogénogenèse). En période postprandiale, le glucose présent dans la circulation sanguine provient de l’absorption intestinale des nutriments. Lors de cette période, le foie cesse toute production de glucose et stocke le glucose présent dans la circulation sanguine sous forme de glycogène. À l’état postabsorptif (lorsque tous les nutriments d’un repas ont été absorbés), la majeure partie du glucose circulant provient de la production de glucose hépatique (glycogéno- lyse). Par conséquent, le foie apparaît comme un organe essentiel au maintien de l’homéostasie glucidique (Figure 1).

(25)

INTRODUCTION

Figure 1 : Les différents acteurs essentiels au maintien de l’homéostasie glucidique.

La régulation de la glycémie est dépendante de deux hormones principales, l’insuline et le glucagon, ainsi que de plusieurs organes (dont le foie, le pancréas, et les muscles). Lorsque la glycémie augmente, après ingestion d’un repas, de l’insuline va être sécrétée par les cellules bêta pancréatiques. L’insuline va aller agir au niveau du foie et des muscles pour favoriser les mécanismes de glycogénogenèse. Au contraire, lorsque la glycémie diminue, en période de jeûne, les cellules alpha pancréatiques vont sécré- ter du glucagon. Le glucagon a pour fonction principale de permettre la production de glucose, notamment en agissant au niveau du foie et en favorisant les mécanismes de glycogénolyse et de néoglucoge- nèse.

Le cerveau est l’un des plus gros consommateurs de glucose de l’organisme (> 50%) et consomme environ 120g par jour (Cryer 2008; Berg 2002). Toutefois, cet organe fait face à deux inconvénients majeurs : le premier étant qu’il ne peut pas faire de stock de glucose et qu’il doit être sans cesse alimenté en glucose, ce qui le rend très vulnérable aux hypoglycémies. Le second inconvénient est qu’il est incapable d’utiliser les acides gras libres comme source d’énergie, et ce, à cause de la barrière céphalorachidienne. Le cerveau va donc agir sur le con- trôle de la glycémie via différents leviers. Premièrement, il agit sur la maîtrise des comportements alimentaires en intégrant les différents signaux que lui envoient les organes périphé- riques. Il peut s’agir de signaux hormonaux (ex : insuline, incrétines…) ou de signaux nerveux provenant d’innervations sensorielles afférentes présentes dans divers organes tels que le sys- tème gastro-intestinal ou le pancréas. De plus, le cerveau est capable de détecter les modifica- tions métaboliques d’origine nutritionnelle (glucides, protéines, lipides), ce qui lui permet une réponse adaptative immédiate lors de changements physiologiques (ex : hypoglycémies). No- tamment, la réponse aux hypoglycémies est médiée par un mécanisme appelé « contre-régula- tion de l’hypoglycémie » (Tesfaye and Seaquist 2010; Hoffman 2007). Une autre partie du sys- tème nerveux, dit autonome, intervient également dans la régulation de la glycémie. Il est com- posé du système nerveux sympathique et parasympathique mais également de nerfs sensoriels.

Ces trois composantes sont notamment dotées de neurones sensibles au glucose qui vont infor- mer le système nerveux central des variations métaboliques de certains organes clés (Rao, Oz, and Seaquist 2006; Verberne, Sabetghadam, and Korim 2014). Grâce à ces informations, le système nerveux va pouvoir enclencher des réponses rapides sur les organes concernés afin de rétablir l’homéostasie glucidique. Les neurones sensibles au glucose sont également présents dans différentes parties du cerveau, notamment au niveau de l’hypothalamus. Deux types de neurones y sont retrouvés, les neurones glucose-inhibés (GI) qui s’activent lors d’une baisse de

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la glycémie et qui participe au mécanisme de « contre-régulation de l’hypoglycémie » et les neurones glucose-excités (GE) qui eux sont activés lorsque la glycémie augmente (Routh 2010).

Tout comme le cerveau, les muscles squelettiques sont d’importants consommateurs de glucose. En période postprandiale, les muscles sont capables de capter environ 70% du glucose présent dans la circulation sanguine et provenant de l’alimentation. Le glucose ainsi capté peut soit être directement utilisé soit entré dans le processus de glycogénogenèse pour constituer les réserves d’énergie des muscles (réserve la plus importante de l’organisme). Cependant, contrairement au foie, les muscles ne sont pas capables de relâcher du glucose dans la circulation sanguine à partir de leurs stocks de glycogène. En conséquence, les muscles fonctionnent de manière relativement autonome et se régulent avec leurs propres stocks. En effet, grâce à leurs réserves de glycogène, les muscles obtiennent des molécules de glucose rapidement exploi- tables, nécessaires pour assurer leur fonction mécanique. Les muscles participent également à la régulation de la glycémie en relâchant des acides aminés dans le sang, qui seront captés par le foie pour entrer dans le processus de néoglucogenèse.

Tout comme le foie, mais dans une moindre mesure, le système rénal permet la production de glucose (entre 5 et 25%) à partir de ses stocks en glycogène, et ce en période post- absorptive (Ekberg et al. 1999). Cependant, contrairement au foie, la production de glucose se fait uniquement via le processus de néoglucogenèse. En effet, le système rénal n’est pas équipé pour induire la glycogénolyse. Après un repas, le rein utilise environ 10% du glucose circulant pour assurer les besoins énergétiques de la médulla (Gerich 2010). Il participe également à la réabsorption du glucose filtré par le rein, de manière à ce que l’urine finale soit pratiquement dépourvue de glucose. Cette réabsorption est assurée par des transporteurs sodium-glucose 1 et 2 (SGLT1 et SGLT2) (Wilding 2014). En cas d’hyperglycémies, il arrive que la capacité maxi- male d’absorption soit dépassée provoquant alors un excès de glucose dans les urines, aussi appelé glycosurie (Wilding 2014). Ce type de symptôme est fréquemment retrouvé chez les personnes diabétiques.

Parmi les éléments composant le système digestif, l’intestin grêle a un rôle important à jouer dans la régulation de la glycémie. En plus de l’absorption des nutriments, l’intestin grêle est capable de produire du glucose grâce au mécanisme de néoglucogenèse, sa production est estimée à 20-25% de la production de glucose endogène totale en période de jeûne (Mithieux and Gautier-Stein 2014). L’intestin possède également des cellules L et K intestinales, capables

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INTRODUCTION

de détecter le glucose lors de son passage dans le tractus intestinal (Reimann 2010). Cette dé- tection va entrainer la sécrétion de diverses incrétines (ex : glucagon-like peptide 1 (GLP-1), gastric inhibitory polypeptide (GIP)) qui vont avoir de multiples fonctions dans l’organisme (Reimann 2010). Le GLP-1 est notamment connu pour son action sur les cellules endocrines du pancréas (cf. Chapitre 3, section 3.2.4). Le GLP-1 agit également au niveau du système nerveux central en augmentant la sensation de satiété. Son action au niveau du foie et des muscles squelettiques est également essentielle pour la mise en place des mécanismes de gly- cogénogénèse. Finalement, il permet aussi aux tissus adipeux blancs de capter le glucose et les lipides présents dans la circulation sanguine.

Un des derniers acteurs participant à la régulation de la glycémie est le tissu adipeux blanc. Le tissu adipeux blanc est l’une des principales sources de stockage d’énergie de notre organisme et est essentiellement composé de lipides. Après un repas, le tissu adipeux capte une très faible proportion (environ 5%) du glucose circulant. Ce glucose va par la suite être trans- formé en triglycérides. Le rôle du tissu adipeux est important car il permet de fournir de l’éner- gie supplémentaire au foie lorsque celui-ci a épuisé ses réserves de glycogène (Rosen and Spiegelman 2006). En effet, à partir des triglycérides, le tissu adipeux est capable de relâcher des acides gras libres et du glycérol dans la circulation sanguine. Ces éléments vont servir comme source d’énergie, et le glycérol en particulier va être capté par le foie pour entrer dans le processus de néoglucogenèse. D’autre part, le tissu adipeux sécrète différentes cytokines, appelées adipokines, qui vont agir sur différents organes tels que le système gastro-intestinal, le pancréas et le système nerveux central (Fasshauer and Bluher 2015).

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1.2. Conséquences pathologiques dues à la dérégulation glycémique

1.2.1. Le diabète

Le diabète est une maladie chronique qui apparaît lorsque le pancréas ne produit plus assez d’insuline ou lorsque l’organisme n’est plus capable d’utiliser l’insuline produite. Ce dé- sordre métabolique provoque un excès de sucre dans le sang, que l’on nomme hyperglycémie.

Le diagnostic du diabète est établi lorsque la glycémie à jeun est supérieure ou égale à 1.26g/L (soit environ 7mM) à deux reprises ou quand la glycémie est supérieure à 2g/L (soit 11.1mM) au cours de la journée (Fédération Française des Diabétiques). À l’heure actuelle, le diabète est considéré comme une véritable pandémie. En effet, la prévalence de cette maladie a considéra- blement augmenté partout dans le monde, passant de 4.7% dans les années 80 à 8.5% de nos jours (World Health Organization, 2016). On estime à 415 millions le nombre de personnes atteintes de diabète dans le monde aujourd’hui, et ce chiffre devrait augmenter d’ici 2040 pour atteindre 642 millions de personnes diabétiques, soit 1 personne sur 10 (International Diabetes Federation, 2015). Cette maladie entraîne des complications relativement graves et est responsable de la mort de plusieurs millions de personnes chaque année. Bien qu’il existe aujourd’hui des traitements très performants, ceux-ci n’ont pas pour vocation de guérir la maladie mais uniquement de la traiter. Il existe deux formes principales du diabète : le diabète de type 1 (DT1) et le diabète de type 2 (DT2). D’autres formes existent telles que le diabète gestationnel ou les diabètes monogéniques, mais leur fréquence dans la population est moins importante.

o Le diabète de type 2

Le DT2, autrefois appelé diabète insulino-indépendant, touche généralement les personnes adultes (40 ans et plus) et représente la forme la plus fréquente de diabète avec environ 90% des cas (Wu et al. 2014). Toutefois, ces dernières années, il a été constaté que ce type de diabète apparaissait chez des personnes de plus en plus jeunes, et ce, à cause de notre mode de vie plus sédentaire et à de mauvaises habitudes alimentaires. En effet, les facteurs de risque associés à cette maladie sont nombreux et comprennent en autre l’âge, le sexe, le surpoids ou l’obésité, le manque d’exercices physiques (sédentarité), de mauvaises habitudes alimentaires

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INTRODUCTION

2012). Au niveau physiopathologique, le DT2 se caractérise par une insulinorésistance des organes cibles de l’insuline mais également par un déficit de la sécrétion en insuline (insulinopé- nie) par les cellules bêta (Groop 2000). Le DT2 met généralement plusieurs années à s’installer avant que les symptômes n’apparaissent. Ces symptômes se traduisent entre autres par une augmentation de la faim (polyphagie) et de la soif (polydipsie), une envie fréquente d’uriner (polyurie) et une somnolence excessive. En plus d’adopter un style de vie « sain » (nouveau régime alimentaire et activité physique), les patients diabétiques de type 2 ont accès à différents traitements médicamenteux capables de diminuer ou de contrôler leur glycémie.

o Le diabète de type 1

Le DT1, autrefois connu sous le nom de diabète insulino-dépendant ou juvénile, apparaît généralement chez des sujets jeunes pendant l’enfance ou l’adolescence, voire même au début de l’âge adulte, et touche entre 5 et 10% des patients diabétiques (Maahs 2010). Le DT1 est une maladie auto-immune qui provoque la destruction quasi-totale des cellules bêta présentes dans les îlots de Langerhans (Yoon and Jun 2005). Chez ces patients, les lymphocytes T vont associer les molécules du soi présentes dans les cellules bêta à des agents infectieux à détruire. La ré- duction de la masse des cellules bêta pancréatiques induit une réduction non négligeable d’insuline circulante, aboutissant à de graves dérégulations glycémiques. Les symptômes associés à ce type de diabète sont également multiples (polydipsie, perte de poids importante, fatigue, etc), et apparaissent généralement quand plus de 80% des cellules bêta ont été détruites. Con- trairement au DT2, ces patients diabétiques sont dépendants de l’insuline pour survivre. Nous verrons notamment qu’en plus des traitements existants, de nouveaux traitements sont à l’étude (cf. Chapitre 1, section 1.2.3). Les causes à l’origine de cette réaction auto-immune n’ont pas encore été élucidées, toutefois, des causes génétiques et environnementales sont à l’étude (Jerram and Leslie 2017; Eringsmark Regnell and Lernmark 2013).

1.2.2. Les complications liées au diabète

o Hyperglycémie

Comme nous l’avons vu précédemment, l’hyperglycémie chronique est une caractéris- tique majeure du diabète et sa mauvaise gestion peut avoir des conséquences dramatiques sur le long terme. En effet, les PTG produits lors de l’hyperglycémie ont un effet délétère sur les

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vaisseaux sanguins et sont responsables des micro- et macro-angiopathies observées chez les patients diabétiques. À cause de ces angiopathies, plusieurs organes vont être affectés tels que les reins (néphropathie), les yeux (rétinopathie) ou le système nerveux autonome (neuropathie) (Chawla, Chawla, and Jaggi 2016). De même, les maladies cardio-vasculaires sont également plus fréquentes chez les patients diabétiques (Milicevic et al. 2008).

o Hypoglycémie

Les hypoglycémies touchent majoritairement les patients diabétiques de type 1 mais peuvent également toucher les patients diabétiques de type 2 à un stade avancé. L’excès d’insuline thérapeutique ou des défenses physiologiques altérés chez les patients diabétiques de type 1 peuvent conduire à des épisodes hypoglycémiques pouvant avoir des effets catastro- phiques sur ces patients (Sprague and Arbelaez 2011). En effet, en plus d’altérer de façon con- sidérable leur qualité de vie, les hypoglycémies peuvent entraîner le coma voire la mort de ces patients. Il a notamment été estimé que 6 à 10% des décès seraient imputables aux hypoglycé- mies chez les patients diabétiques de type 1 (Cryer 2000). Par conséquent, les hypoglycémies représentent un problème majeur pour les patients diabétiques soumis à une insulinothérapie.

L’augmentation des épisodes hypoglycémiques chez ces patients entraine le développe- ment d’un syndrome appelé « défaut d’activation autonome associé à l’hypoglycémie » (ou HAAF pour hypoglycaemia-associated autonomic failure) (Cryer 2005). Cette condition pa- thologique inclue un défaut de contre-régulation de la glycémie ainsi qu’une perte des premiers signaux d’alerte relatif aux hypoglycémies, constituant une menace majeure pour les patients diabétiques. Bien que les mécanismes entraînant le développement du HAAF restent encore méconnus, le principal phénomène observé reste une baisse de la réponse du système sympa- thoadrénale consécutif à une hypoglycémie récente (Cryer 2000). Le défaut de contre-régula- tion de la glycémie pourrait s’expliquer par l’altération des cellules bêta ainsi que par une sé- crétion moindre d’adrénaline par les glandes surrénales (Hoffman 2007; Cryer 2000). La perte de réponse du système nerveux sympathique serait quant à lui responsable de l’abolition des symptômes liés à l’hypoglycémie (Cryer 2000). Les cellules alpha, essentielles dans le méca- nisme de contre-régulation via la sécrétion du glucagon, font également l’objet de toutes les attentions. En effet, il a été constaté que ces cellules ne sont plus capables de sécréter du glucagon en contexte hypoglycémique (Gerich et al. 1973; Raju and Cryer 2005; Siafarikas et al.

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INTRODUCTION

1.2.3. Traitements actuels et futurs du diabète de type 1

Le traitement du DT1 repose principalement sur l’insulinothérapie, une méthode qui consiste à s’injecter de l’insuline en sous-cutanée pour pouvoir réguler sa glycémie. Bien que ce traitement ait fait ses preuves depuis de nombreuses années, il reste néanmoins relativement contraignant et parfois insuffisant pour certains patients. En effet, ce traitement demande une certaine assiduité avec des contrôles glycémiques réguliers et des injections d’insuline précisé- ment dosées. La difficulté majeure pour ces patients étant de réussir à maintenir un équilibre glycémique correct. Comme nous l’avons vu précédemment, il arrive également que les patients traités par insulinothérapie soient sujets à des hypoglycémies, celles-ci étant généralement pro- voquées par un mauvais dosage de l’insuline.

Grâce aux avancées technologiques, de nouvelles techniques d’injections de l’insuline ont vu le jour comme les pompes à insuline. Les pompes à insuline ont été créées pour repro- duire le fonctionnement du pancréas, en étant capables de libérer de l’insuline de façon continue et automatique. Cette libération est également modulable et se rapproche de la sécrétion physiologique de l’insuline. Toutefois, pour garantir un fonctionnement optimal, ce type d’appareil nécessite une programmation et une surveillance de la part de l’utilisateur. Les pompes à insuline les plus évoluées sont équipées de capteurs de glucose directement implantés chez le patient et ont la capacité de suivre la glycémie en temps réel. À partir de ces valeurs glycémiques et d’algorithmes mathématiques complexes (reliant le poids du patient, son activité physique, la nourriture consommée, etc), ces pompes modulent les injections d’insuline pour maintenir l’équilibre glycémique du patient. Plusieurs modèles sont encore à l’étude et promettent une régulation glycémique optimale pour ces patients.

Dans certains cas, la maladie devient ingérable et la greffe de pancréas ou d’îlots de Langerhans devient une nécessité. Ces deux types de transplantation ne s’adressent en effet qu’à une minorité de patients, et ne sont réalisées que sous certaines conditions. La greffe de pancréas entier s’adresse à des patients souffrant d’un diabète instable et n’ayant pas de complications macrovasculaires majeures irréversibles. De même, l’insuffisance rénale terminale peut également être un critère de poids et donner lieu à des transplantations simultanées reins- pancréas. La greffe de pancréas permet aux patients diabétiques de recevoir un organe entier leur permettant d’être complétement indépendant de l’insuline exogène. Toutefois, il s’agit d’une chirurgie relativement lourde qui peut induire des complications post-opératoires non-

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négligeables (fistules pancréatiques, pancréatite du greffon, risque de thrombose vasculaire du greffon, etc).

La greffe d’îlots de Langerhans s’adresse quant à elle à des patients présentant un dia- bète instable et sujets à des épisodes hypoglycémiques fréquents et non ressentis. L’isolement des îlots se fait à partir de pancréas issus de donneurs décédés et nécessite une procédure en salle blanche. La procédure d’isolement se déroule en deux étapes majeures : la première consiste à digérer le pancréas de façon enzymatique et mécanique, permettant de libérer les îlots de la structure conjonctive du pancréas. La seconde étape consiste à purifier les îlots en les séparant du tissu exocrine. Après évaluation de leur qualité, les îlots sont transplantés dans la veine porte des patients diabétiques. Ce type de transplantation est considérée comme minimalement inva- sive, et la morbidité qui y est associée est très faible. Toutefois, plusieurs greffes sont généra- lement nécessaires (entre 2 et 3) pour que les patients puissent devenir insulino-indépendants.

Si les chiffres de l’insulino-indépendance sont généralement très bons dans les 1 à 3 ans suivant la greffe, après cinq ans ces résultats chutent drastiquement. En effet, plusieurs facteurs sont à l’origine d’une perte de fonction des îlots greffés, parmi eux, les traitements immunosuppres- seurs. Malgré cela, ces greffes ont également d’autres effets positifs tels que l’amélioration de l’HbA1c ou la diminution des épisodes hypoglycémiques, permettant aux patients de retrouver une qualité de vie normale.

Bien que plusieurs traitements soient disponibles à l’heure actuelle, d’autres alternatives thérapeutiques sont à l’étude. Depuis quelques années, plusieurs équipes de chercheurs s’inté- ressent de près à la différenciation des cellules souches en cellules bêta (Weir, Cavelti-Weder, and Bonner-Weir 2011). En effet, les cellules souches sont capables de se différencier en cellules spécialisées et ont la capacité de s’auto-renouveler. Plusieurs types de cellules souches ont été étudiés, que ce soit les cellules souches embryonnaires ou adultes ou bien les cellules souches pluripotentes induites (ou iPS pour Induced pluripotent stem cells). Tous ces types cellulaires ont besoin de signaux bien particuliers pour contrôler leur prolifération et leur diffé- renciation en cellules bêta. Bien que de nombreuses équipes aient réussi à produire des cellules bêta à partir de cellules souches, la difficulté majeure reste la capacité de ces cellules à produire de l’insuline en réponse au glucose à des concentrations physiologiques (Pagliuca and Melton 2013; Jun and Park 2009). De façon intéressante, les cellules endocrines présentent également une grande plasticité et sont capables de se différencier en un autre type cellulaire endocrine.

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INTRODUCTION

la souris provoque la transdifférenciation des cellules alpha et delta en cellules bêta productrices d’insuline (Thorel et al. 2010; Chera et al. 2014; Lu et al. 2014). Une étude récente a également montré que l’injection d’un neurotransmetteur, l’acide γ-aminobutyrique (GABA), dans des souris diabétiques est à l’origine de la transdifférenciation des cellules alpha en cellules bêta capables de sécréter de l’insuline (Ben-Othman et al. 2017). Ces nouvelles cellules bêta ont permis de rétablir la glycémie et de guérir le diabète de ces souris. De plus, l’utilisation du GABA sur des îlots humains transplantés permet d’obtenir la même transdifférenciation cellulaire. Qu’ils s’agissent de cellules souches différenciées ou de cellules endocrines transdiffé- renciées, beaucoup reste à faire pour déterminer la faisabilité de ces approches chez l’humain.

Le DT1 étant une maladie auto-immune, des équipes de chercheurs tentent d’atténuer ou de modifier les réactions du système immunitaire. En effet, la thérapie antigénique consiste à faire accepter différents types d’antigènes (présents dans les cellules bêta) par le système immunitaire (Xu, Prasad, and Miller 2013; Clemente-Casares et al. 2012). Les lymphocytes T régulateurs (Tregs) pourraient également servir d’outil thérapeutique pour rétablir la tolérance immunitaire chez les sujets diabétiques (Gregori, Battaglia, and Roncarolo 2008; Chapman and Chi 2014). L’encapsulation d’îlots de Langerhans ou de cellules souches différenciées en cellules bêta est également à l’étude et a pour but de protéger ces cellules du système immunitaire (Krishnan et al. 2014; Strand, Coron, and Skjak-Braek 2017).

La thérapie génique est également une solution envisagée. Cette thérapie consisterait à modifier des cellules de l’organisme à l’aide de transgènes pour permettre à ces cellules de produire et de sécréter de l’insuline. Cette technique demande néanmoins de trouver des types cellulaires capables de produire de l’insuline et de détecter la glycémie. Les cellules K de l’intestin ou les cellules du foie pourraient être une solution convenable étant donné que des expé- riences menées chez la souris ont montré que ces cellules génétiquement modifiées sont capables de sécréter de l’insuline en réponse à une élévation de la glycémie (Ferber et al. 2000;

Corbett 2001; Handorf, Sollinger, and Alam 2015; Zhang and Dong 2015).

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LE PANCREAS ET LES ILOTS DE LANGERHANS

2. L E PANCREAS ET LES ILOTS DE L ^ANGERHANS

2.1. Le pancréas et ses fonctions endocrine et exocrine

Le pancréas est un organe vital retrouvé chez tous les vertébrés et connu pour son rôle majeur dans la régulation de la glycémie. Chez l’homme, le pancréas mesure entre 15 à 20 cm de long pour environ 2 à 3 cm d’épaisseur et pour un poids d’environ 60 à 120 g. D’un point de vue anatomique, cette glande est située en profondeur dans l’abdomen au niveau du rétropéri- toine, en arrière de l’estomac et en avant des reins. Le pancréas se découpe en quatre parties distinctes, où l’on retrouve en premier lieu la tête (partie la plus large bordée par le duodénum), vient ensuite l’isthme (région médiane qui sépare la tête du corps et qui se situe en avant des vaisseaux de l’intestin), puis le corps (partie la plus longue) et pour finir la queue (proche du hile de la rate). Cet organe est parcouru par deux canaux majeurs : le canal pancréatique acces- soire (ou canal de Santorini) et le canal pancréatique principal (ou canal de Wirsung). Ce dernier naît au niveau de la queue et descend le long du pancréas pour rejoindre le duodénum et s’unir avec le canal cholédoque pour former l’ampoule hépato-pancréatique (ou ampoule de Vater).

Les artères permettant la vascularisation du pancréas proviennent directement du tronc cœ- liaque (constitué de l’artère gastroduodénale et de l’artère splénique) ainsi que de l’artère mé- sentérique supérieure. Le retour veineux est quant à lui effectué par les veines pancréatico- duodénales supérieure et inférieure qui se déversent dans la veine porte via les veines splénique et mésentérique. Le pancréas reçoit également une innervation d’origine sympathique et parasympathique via le plexus solaire. La particularité du pancréas est de remplir deux fonctions distinctes : l’une exocrine, l’autre endocrine, toutes deux essentielles au bon fonctionnement de l’organisme.

La fonction exocrine est assurée par 90% des cellules du pancréas. Celle-ci est compo- sée de cellules acineuses (formant les acini) et de canaux excréteurs, et a pour but d’aider au processus de digestion. Pour cela, les acini pancréatiques fabriquent des sucs composés de dif- férents types d’enzymes digestives permettant l’hydrolyse des sucres, lipides et protéines.

Parmi ces enzymes, on trouve notamment des enzymes protéolytiques, comme la trypsine et la carboxypeptidase, mais également de l’amylase pour la digestion des sucres, des lipases pour la digestion les lipides ainsi que des nucléases pour la dégradation des chaînes d’acides nu-

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INTRODUCTION

cléiques. Afin que les enzymes produites ne digèrent pas le tissu pancréatique, certaines enzymes ne deviennent actives qu’une fois arrivées dans le duodénum. Les cellules épithéliales formant la paroi des canaux excréteurs produisent une solution alcaline et des ions bicarbonates qui ont pour fonction de neutraliser l’acidité gastrique. Les enzymes et la solution alcaline for- ment le suc pancréatique qui sera déversé par le canal pancréatique principal dans l’ampoule hépato-pancréatique puis dans le duodénum. Certaines structures anatomiques ainsi que la fonction exocrine du pancréas sont illustrées dans la figure 2.

Figure 2 : Anatomie fonctionnelle du pancréas.

La fonction exocrine du pancréas est assurée par les acini et les canaux excréteurs qui sont à l’origine de la fabrication des sucs pancréatiques digestifs. Les îlots pancréatiques sont disséminés dans le parenchyme exocrine et assurent la fonction endocrine du pancréas via la libération d’hormones dans le sang.

La micrographie montre une coupe histologique de pancréas coloré à l’hématoxyline-éosine permettant d’observer la différence structurelle entre un îlot pancréatique et le tissu exocrine (barre d’échelle = 50 μm). Modifié d’après Anatomy & Physiology.

Site web : http://philschatz.com/anatomy-book/contents/m46685.html

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La fonction endocrine a, quant à elle, un rôle majeur dans le maintien de l’homéostasie glucidique grâce à la sécrétion de plusieurs hormones. Les cellules permettant la sécrétion de ces hormones sont regroupées en amas, appelés îlots de Langerhans. Ces îlots représentent 1- 2% de la masse pancréatique et sont disséminés dans le parenchyme exocrine (Figure 2). Parmi les hormones sécrétées, deux sont essentielles à la régulation de la glycémie : l’insuline (seule hormone hypoglycémiante de l’organisme) et le glucagon (hormone hyperglycémiante). Ces îlots sécrètent également d’autres hormones comme la SST, le PP et la ghréline. Ces différentes hormones sont ensuite principalement libérées dans la circulation sanguine (mais pas seulement, cf. Chapitre 2, section 2.3.1) pour aller agir de façon spécifique sur certains tissus ou cellules cibles.

2.2. Les îlots de Langerhans : de micro-organes

2.2.1. Découverte des îlots et de leur rôle endocrine

En 1869, le biologiste Paul Langerhans fut le premier à mettre en évidence des amas cellulaires particuliers dans le tissu pancréatique, mais ce n’est que plus tard, en 1893, que l’histologiste Edouard Laguesse les nomma « îlots de Langerhans » en hommage au biologiste qui les avait découverts. Quelques années plus tôt, en 1889, Joseph Von Mering et Oscar Min- kowski réalisaient leur première pancréatectomie totale chez le chien. Suite à cette ablation, le chien développa des symptômes très similaires au diabète, tels que la polyurie, la glycosurie ou la perte de poids (von Mering J 1889). Cette expérience leur a permis de mettre en évidence l’importance du pancréas dans la régulation de la glycémie. En 1893, le chercheur Edouard Hédon greffa de petites portions pancréatiques sur un chien ayant subi une pancréatectomie totale, et observa que celles-ci étaient suffisantes pour empêcher le développement du diabète.

La même année, Edouard Laguesse supposa que les îlots pancréatiques étaient à l’origine d’une substance nécessaire au maintien de la glycémie et leur attribua une fonction endocrine.

Par la suite, plusieurs scientifiques cherchèrent à identifier et à isoler la substance produite par ces îlots, mais ce n’est qu’en 1921 que des membres de l’équipe du professeur John MacLeod (Charles Best, Frederick Grant Banting et James Collip) trouvèrent une méthode d’extraction efficace pour cette substance. Dans un premier temps, cette substance fût appelée

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INTRODUCTION

« isletine » avant d’être renommée plus tard « insuline » par le professeur MacLeod. Les premiers tests de cette substance furent initiés sur des chiens diabétiques où l’on put observer son effet hypoglycémiant corrélé avec une baisse de la glycosurie. En janvier 1922, un jeune patient diabétique de type 1, Léonard Thompson, fût le premier patient traité à l’insuline et les résultats furent plus que concluants. Grâce à l’insuline, les chercheurs Best et Banting provoquèrent une avancée majeure dans le traitement du diabète permettant de sauver et d’améliorer la qualité de vie de milliers de diabétiques. En 1923, l’entreprise Lilly entra en collaboration avec les deux scientifiques pour produire et commercialiser l’insuline à grande échelle pour le traitement du diabète (von Engelhardt D 1989).

En 1923, John Murlin découvrit qu’une autre substance était capable d’augmenter la glycémie chez des chiens diabétiques, elle fût nommée glucagon (Murlin JR 1923). Il fallut attendre 1948 pour que Sutherland et Duve démontrent que la sécrétion de glucagon provenait des cellules alpha (Sutherland and De Duve 1948). La purification du glucagon fut possible dès les années 50 par l’équipe de Behrens (Staub, Sinn, and Behrens 1955) et sa structure fut rapidement déterminée permettant l’étude de son rôle physiologique et de ses propriétés biophy- siques.

Ces dernières années, les îlots de Langerhans sont apparus comme des micro-organes complexes ayant leur propre structure, vascularisation et innervation essentiels au maintien de la glycémie (In't Veld and Marichal 2010).

2.2.2. Composition et organisation cellulaire

Les îlots de Langerhans (environ 1 million par pancréas) sont de petits amas cellulaires hétérogènes, mesurant entre 40 et 500 μm de diamètre, disséminés dans le parenchyme pan- créatique. Ces îlots possèdent également un important réseau capillaire (Goldstein and Davis 1968).

De manière générale, les îlots de Langerhans sont composés de cinq types cellulaires endocrines différents qui se distinguent principalement par l’hormone qu’ils sécrètent.

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o Les cellules bêta

Les cellules bêta représentent le type cellulaire majoritaire dans les îlots de Langerhans (environ 50-70% de la masse) et ont pour rôle de synthétiser, stocker et sécréter de l’insuline.

La sécrétion d’insuline est essentielle à la régulation glycémique dans l’organisme et est dépen- dante de plusieurs signaux métaboliques, qu’ils soient hormonaux ou nerveux. Cette hormone hypoglycémiante a un rôle déterminant dans le métabolisme des glucides, des lipides et des protéines, et est nécessaire pour permettre l’absorption de glucose depuis le sang vers les cellules adipeuses, les cellules du foie et les cellules du muscle squelettique.

o Les cellules alpha

Les cellules alpha représentent le second type cellulaire présent dans les îlots de Lan- gerhans, entre 20 et 40%, et ont pour rôle principal de synthétiser et de sécréter le glucagon. Au contraire de l’insuline, le glucagon est une hormone hyperglycémiante qui tend à ramener la glycémie vers sa valeur physiologique en permettant la libération de glucose dans le sang par les cellules du foie. Ce type cellulaire ainsi que l’action physiologique du glucagon sera décrit plus en détails dans le chapitre 3.

o Les cellules delta

Les cellules delta constituent le troisième type cellulaire et représentent environ 5 à 10%

de la masse de l’îlot. Ces cellules sécrètent la SST, une hormone peptidique également synthé- tisée par les cellules neuroendocrines et par le système gastro-intestinal. Plusieurs études montrent que la SST a un effet inhibiteur sur la sécrétion d’insuline et de glucagon (Schuit, Derde, and Pipeleers 1989; Strowski et al. 2000; Rutter 2009; Lins et al. 1980).

o Les cellules PP

Les cellules PP sont minoritaires dans l’îlot et sécrètent le polypeptide pancréatique (d’où leur nom). Plusieurs fonctions leur sont attribuées comme la diminution de la sécrétion exocrine du pancréas (Putnam, Liddle, and Williams 1989; Morisset 2008) ou la sensation de satiété (Batterham et al. 2003). Le polypeptide pancréatique pourrait également jouer un rôle dans la régulation du glycémie en modulant l’expression des récepteurs à l’insuline dans les

Relations intercellulaires dans les îlots de Langerhans et leur rôle dans la sécrétion du glucagon

Thesis

Reference