The Relationship between Oxidative Stress and Glucose Homeostasis during Type 2 Diabetes: Adaptation of Pancreatic β-cell.
Relation entre Stress Oxydant et Homéostasie Glucidique au cours du Diabète de Type 2 : Adaptation de la Cellule β Pancréatique
Résumé
The aim of this work was to study the β-cell adaptation to oxidative stress (OS) using a relevant model of type 2 diabetes, the GK/Par rat. In the first part, we have evaluated the islet OS status and the β-cell insulin secretory response to reactive oxygen species (ROS). Diabetic GK/Par rat islets were remarkably protected against OS, because (i) OS markers targeted mostly peri-islet vascular and inflammatory areas, and not islet endocrine cells; (ii) they maintained basal ROS accumulation lower than Wistar islets; (iii) GK/Par insulin secretion exhibited strong resistance to the toxic effect of ROS exposure; and (iv) such adaptation was associated with high antioxidant defenses. The second part of this work investigated whether such protection could be a mechanism by which diabetic GK/Par β-cells are spontaneously protected from death in situ. Our results show that the peculiar GK/Par β-cell phenotype was associated with an increased expression of many stress genes including anti-apoptotic genes. We demonstrated that such combination confers resistance to cytotoxic ROS exposure in vitro, raising the possibility that at least some of the activated stress/defense genes have protective effects against β-cell death. We also presented some evidence that the GK/Par β-cell resistance to ROS is at least partly cAMP-dependent. Given OS may originate from other sources that β cells, we got, in the third part, some evidence of the putative role of islet endothelial cell (EC) dysfunction and related inflammatory process in mediating the islet hardening to ROS. In vivo treatment with the antagonist of the IL-1 receptor (IL-1Ra) reduced islet EC activation, inflammatory stress and normalized antioxidant genes. Finally, we showed that early (before diabetes onset) islet ROS production may induce antioxidant/anti-apoptotic defense mechanisms, which are operative after diabetes onset in GK/Par rats. The GK/Par model illustrates the effectiveness of β-cells adaptive response to achieve tolerance to the diabetic environment (glucolipotoxicity and inflammation). It is also proposed that β-cell dysfunction could be the necessary price to pay to blunt ROS accumulation that may otherwise compromise β-cell survival.
Le but de ce travail a été d'étudier l'adaptation β-cellulaire au stress oxydant (SO) dans un modèle animal de diabète de type 2, le rat GK/Par. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons évalué le stress oxydant insulaire et l'impact des espèces réactives de l'oxygène (ERO) sur la sécrétion de l'insuline. Les îlots de rats diabétiques GK/Par apparaissent protégés contre le SO, car (i) les marqueurs de SO ciblent essentiellement la périphérie insulaire (aires vasculaires et inflammatoires) ; (ii) l'accumulation d"ERO est plus faible comparativement aux îlots témoins (Wistar) ; (iii) leur sécrétion de l'insuline n'est pas altérée après exposition aux ERO ; et (iv) ces adaptations sont associées à une augmentation des défenses antioxydantes insulaires. Dans un deuxième volet, nous avons vérifié si ces mécanismes adaptatifs pouvaient expliquer la protection des cellules β contre l'apoptose chez le rat GK/Par diabétique. Nous avons montré que le phénotype particulier de l'îlot GK/Par diabétique consiste, ex vivo, en une augmentation des gènes anti-apoptotiques, associée in vitro à une résistance contre l'apoptose induite par les ERO. Nous avons démontré que l'AMPc joue un rôle dans cette résistance à l'apoptose. Compte tenu de l'existence de sources d'ERO proches des cellules endocrines insulaires chez le rat GK/Par, nous avons, dans un dernier volet, étudié le rôle d'une dysfonction endothéliale et du processus inflammatoire associé (phénomène au potentiel pro-oxydant) dans l'adaptation antioxydante des îlots. Le blocage de la voie IL-1 via un traitement in vivo par IL-1Ra a permis, au niveau insulaire, de diminuer l'activation endothéliale, le stress inflammatoire et de normaliser l'expression des gènes antioxydants. Enfin, puisqu'il existe une production d'ERO insulaire précoce chez le rat GK/Par (avant l'installation du diabète), nous suggérons qu'elle soit à l'origine de l'augmentation des défenses antioxydantes/anti-apoptotiques. Cette adaptation est en place après installation du diabète et permet à l'îlot GK/Par de contrer l'environnement diabétogène pro-oxydant (glucolipotoxicité, inflammation). Enfin, nous proposons que la dysfonction β-cellulaire engendrée par un excès d'antioxydants endogènes soit le prix à payer pour protéger la cellule β du rat GK/Par de la mort cellulaire.