RÉSEAUX DYNAMIQUES DES ÎLOTS PANCRÉATIQUES DANS L'HOMÉOSTASIE NUTRITIONNELLE CHEZ L'HOMME ET LA SOURIS – FUN-NET

Nous avons exploité des modèles murins génétiquement modifiés permettant l'ablation inductible d'un type cellulaire ou hormonal donné dans les îlots de Langerhans : les îlots déficients en cellules alpha (GluDTR), les îlots composés uniquement de cellules bêta (îlots bêta-only) et ceux dépourvus de cellules gamma/delta (îlots alpha/bêta). Le principal avantage de ces modèles réside dans le fait que les souris non traitées constituent un excellent groupe témoin et que l'ablation a lieu à l'âge adulte, évitant ainsi les problèmes liés au développement.

Nous avons également adapté les paramètres à des valeurs plus physiologiques : alors qu'auparavant seul le glucose était utilisé, nous avons simulé un repas par l'ajout d'un mélange physiologique d'acides aminés.

L'état nutritionnel des souris a d'abord été évalué in vivo par des tests standard, puis l'activité électrique a été surveillée en continu in vivo à l'aide de réseaux de microélectrodes. Nous avons également utilisé des réseaux haute densité permettant de localiser l'activité électrique dans des zones précises des îlots. Enfin, l'utilisation de la microfluidique a permis d'administrer les nutriments de manière progressive, mimant ainsi leur arrivée dans les îlots in vivo après un repas. Nous avons également déterminé la sécrétion d'hormones par des dosages classiques d'insuline et/ou de glucagon.

Enfin, les enregistrements électriques à des concentrations de nutriments précisément connues nous ont permis de transposer l'activité des îlots dans un modèle in silico largement reconnu du métabolisme humain. Ceci permet de suivre l'évolution de la glycémie sur plusieurs jours dans ce modèle humain in silico et de déterminer si un type cellulaire donné est suffisamment capable de réguler l'homéostasie.

Les souris dépourvues de cellules alpha, ont présenté une tolérance réduite au glucose et aux acides aminés. L'analyse in vitro a démontré une diminution de la sécrétion d'insuline en réponse au glucose en présence d'acides aminés. Cette diminution a été corrigée par l'ajout de glucagon, hormone des cellules alpha.

L'analyse électrophysiologique a montré des résultats similaires. Nous avons développé de nouveaux algorithmes pour analyser les réseaux fonctionnels de cellules bêta à partir de nos données d'enregistrements MEA haute densité. Les caractéristiques des régions actives étaient préservées dans les îlots GluDTR, mais la synchronisation, la taille des clusters et la vitesse de propagation du signal étaient fortement réduites. Ainsi, les cellules alpha sont nécessaires à l'homéostasie des nutriments en régulant la dynamique des réseaux de cellules bêta.

Un nouveau dispositif microfluidique a été développé au sein du groupe CBMN afin de combiner les enregistrements électrophysiologiques et les dosages hormonaux. La caractérisation in vitro a confirmé l'amélioration de l'homéostasie du glucose lors d'une stimulation par le glucose seul chez la souris « β-only ». À l'inverse, la simulation de repas par l'administration de G et d'AAM a révélé une diminution considérable de la tolérance au glucose chez les souris « β-only ». In vitro, nous avons observé une forte réduction de la sécrétion d'insuline dans les îlots « β-only » stimulés par G et AAM, en accord avec nos données in vivo. Grâce à notre nouveau dispositif microfluidique, nous avons ensuite augmenté progressivement les concentrations de G et d'AAM, puis mesuré et analysé les réponses électrophysiologiques. Une forte réduction de l'activité a été observée lors de l'ajout d'AAM à G, principalement au niveau des amplitudes, un bon indicateur du couplage physiologique entre les cellules β des îlots.

Nous avons étudié le modèle alpha/bêta. Nous avons initialement observé un phénotype étonnant qui, comme l'ont montré les analyses transcriptomiques et immunohistologiques, est dû à une perte considérable de cellules alpha, car le DTR est ici sous le contrôle du promoteur PPY. La cause la plus probable est la faible expression du gène PPY (codant pour l'hormone gamma typique) également dans les cellules alpha. Nous avons également utilisé un modèle homozygote, qui contient toujours les cellules delta et gamma, mais n'exprime plus leurs hormones correspondantes. Sa caractérisation est actuellement en cours.

Des données électrophysiologiques ont été utilisées pour des simulations sur un modèle in silico d'homéostasie des nutriments chez l'homme, approuvé par la FDA. Elles démontrent que les cellules alpha sont nécessaires à l'obtention d'une homéostasie physiologique des nutriments. Collectivement, ces observations montrent que l'homéostasie nutritionnelle optimale nécessite à la fois les cellules bêta et alpha pour faire face à un repas normal chez l'homme.

Nous avons tout d'abord développé et utilisé des approches novatrices qui seront essentielles à l'étude de la physiologie et de la physiopathologie des îlots de Langerhans : l'électrophysiologie microfluidique. Cette expertise est également cruciale pour le développement en cours de puces microfluidiques contenant plusieurs organes. Ces puces pourraient s'avérer extrêmement utiles pour les recherches futures en physiologie et en physiopathologie, et pourraient largement remplacer l'expérimentation animale.

L'utilisation de l'électrophysiologie pour étudier les réseaux de cellules électriquement actives, comme dans les îlots de Langerhans, bénéficiera des avancées en science des matériaux. Nous travaillons actuellement au développement de puces avec des électrodes ou des transistors plus rapprochés afin d'améliorer la résolution jusqu'à l'échelle de la cellule unique.

Nos travaux ont un impact considérable sur notre compréhension de la fonction des îlots et des approches thérapeutiques. En effet, le développement actuel de thérapies contre le diabète de type 1, dans le cadre de la transplantation d'organes dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC), se concentre principalement sur les cellules bêta. Nos travaux démontrent que les cellules alpha sont tout aussi importantes et suggèrent fortement que les recherches futures sur les îlots de Langerhans de substitution dérivés d'iPSC doivent également s'intéresser aux cellules alpha. Enfin, le traitement actuel du diabète de type 1 par « pancréas artificiel » repose en grande partie sur des algorithmes pilotant une pompe à insuline. Ces algorithmes sont fortement orientés vers les cellules bêta. Or, comme le montrent nos données, les cellules alpha jouent également un rôle primordial et leur fonction doit être prise en compte lors de la conception de ces algorithmes.

Les îlots pancréatiques sont au cœur de l'homéostasie des nutriments et du diabète. Ils contiennent 4 types de cellules (A, B, G, D), qui adaptent leur activité électrique et la sécrétion hormonale consécutive d'une manière biphasique et pulsatile distincte jusqu’à 3 h après un repas pour restaurer l'homéostasie. Les différents types cellulaires forment des réseaux au dans l’îlot. Des travaux antérieurs ont porté surtout sur le glucose, mais pas sur des nutriments mixtes, et manquaient de résolution temporelle suffisante pour une analyse impartiale de l'organisation dynamique et supracellulaire. Des modèles in-silico des îlots in-vitro ont été proposés, limités principalement aux cellules B à l'état d'équilibre, et ils n'ont jamais été transposés dans l’organisme humain. En conséquence, la physiologie précise de l'homéostasie des nutriments, et ses dérangements pathologiques ne sont que partiellement connus.

FUN-NET est un projet interdisciplinaire de 3 groupes aux expertises distinctes: (i) Groupe HERRERA (U Genève, co-coordinateur) est spécialisé dans la plasticité du pancréas endocrine et les conséquences métaboliques in-vivo. Par la technologie CRISPR, ils ont développé de nouveaux modèles de souris très polyvalents pour l'ablation simple ou combinée de cellules spécifiques ou de l'inactivation d'hormones. Ils ont également établi des pseudo-îlots humains composés de types cellulaires définis. (ii) Groupe LANG (U Bordeaux, co-coordinateur) a développé des « islet-on-chip » microfluidique pour l'électrophysiologie extracellulaire via des réseaux de micro-électrodes (MEA, µMEA) couplés au mesure des sécrétions. Ceci permet l’analyse précise, impartiale et chronique (heures, jours) d'une seule cellule ou d’un réseau avec des résolutions temporelle et spatiale (MEA haute densité) élevées. (iii) Le groupe RENAUD (Bordeaux INP), spécialisé dans l’électronique en interaction en temps réel avec la biologie, a mis au point des analyses automatisées des réseaux enregistrés sur MEA. Ils ont développé un modèle mathématique de la signature électrique d'îlots, intégré dans simulateur de glucose (T1DMS) humain in-silico approuvé par la FDA pour l’étude de la régulation de la glycémie.

FUN-NET répondra aux QUESTIONS suivantes:
(i) Quelle est la contribution spécifique des cellules B seules sur l'activité, phases, réseaux, type de nutriment et homéostasie des îlots?
(ii) Quel est l'impact de chacun des types de cellules non-B sur la fonction des cellules B?
(iii) Comment impactent-ils l'activité des îlots dans des conditions imitant le diabète?
(iv) Comment ces contributions spécifiques au type de cellule se traduisent-elles dans l'homéostasie du corps humain?

LES OBJECTIFS DÉTAILLÉS sont:
OBJECTIF 1: Exploration in-vivo de l'influence du type cellulaire sur la gestion des nutriments mixtes, y compris lors de défis métaboliques (régime riche en graisses) (Leader Pedro HERRERA)
OBJECTIF 2: Exploration in-vitro de l'influence du type cellulaire sur la gestion dynamique des nutriments, l'organisation fonctionnelle intra-îlots et l'expression des gènes (Leader Jochen LANG)
OBJECTIF 3: Exploration in-silico (T1DMS) de l'influence cellulaire spécifique sur les cellules B sur l’homéostasie humaine (Leader Sylvie RENAUD)

FUN-NET améliorera la compréhension de l'homéostasie des nutriments et aboutira à un nouveau concept de réseau de micro-organes d'îlots, plus proche de la physiologie, et des dérangements pathologiques. Il permettra la première intégration de l'activité des îlots dans un simulateur du corps humain entier. À terme, la compréhension fine des îlots, optimisés à travers 0,5 milliard d'années d'évolution, contribuera au développement d’algorithmes bio-inspirés et plus performants pour le pancréas artificiel. En termes de technologie, la combinaison de modèles génétiques, de MEA microfluidiques et du simulateur humain in-silico peut fournir une plate-forme puissante, efficace et modulaire pour la recherche et la clinique.