Ilots de Langerhans, cellules b et cellules souches pancréatiques

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Institut de Génomique Fonctionnelle, France
INSERM U1191, CNRS 5203, Université de Montpellier
DIPLOME d’UNIVERSITE MEDECINE REGENERATRICE
Ilots de Langerhans, cellules β et cellules souches pancréatiques
Comment élaborer/remplacer les cellules β pancréatiques ? Enjeux et problématiques ?
Dalle Stéphane,
Directeur de Recherche, INSERM
Introduction
How to make β-cells ?
« Significant challenges remain for each strategies: First, it is important to set the bar high
with respect to requirement for newly generated β cells:
properly regulated insulin secretion and the capacity of cell renewal (replication)
are at the top of the list…»
D’après Borowiak, M., Melton DA, Curr Opinion Cell Biology, 2009, 21, 727-732
Plan
La cellule β saine
« Comprendre pour mieux appréhender les problématiques »
- Son environnement
- Comment définir une cellule β saine
- Origine et cycle de vie
La cellule β malade: Diabètes
« Comprendre pour mieux appréhender les enjeux »
- Problématique pour le diabète de type 1
- Problématique pour le diabète de type 2
La cellule β réparée:
« Cellules souches et stratégies »
- Stratégies actuelles et perspectives
- Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures (cellules ES et iPS)
- Régénération des cellules β au sein du pancréas
Rappels anatomiques: Le pancréas et l’architecture de l’îlot
Pancréas in situ
Bile
Canal pancréatique
de Wirsung
Corps
du pancréas
Queue
du pancréas
Canal biliaire
Pancréas
Duodénum
Canaux
interlobulaires
Plis
circulaires
Abouchement
ampoule de Vater
Cellules canalaires
Cellules acineuses
Ampoule de Vater
Flux enzymes digestives
vers le duodenum
Canaux
interlobulaires
Réseaux capillaires
Cellules α
Cellules β
Cellules δ
Adapté d’après © Encyclopædia Britannica, Inc.
Îlot de Langerhans
(1%)
Canal
lobulaire
Rappels anatomiques/histologiques: Architecture de l’îlot de Langerhans
Interactions endocrine-exocrine
Cellule(s) exocrine(s)
Duodénum
Pancréas
Estomac
Zymogène
Foie
Pancréas
Îlot de
Langerhans
Intestin
Capsule
Capillaires
Cellule β
Cellule α
Cellule δ
Proinsuline
Insuline
Peptide-c
Glucagon
Somatostatine
Interactions intercellulaires
Localisation des cellules β pancréatiques dans les îlots de Langerhans
Adapté d’après Expert Reviews in Molecular Medicine © Cambridge University Press
Rôle de la cellule β pancréatique: Sécrétion d’insuline et homéostasie glucidique
Pancréas
Îlot
de Langerhans
Cellule β
Fibres musculaires
Vx
sanguins
Insuline
Glucose
Plateforme histologie (IGF, Montpellier)
Microscopie électronique (CRIC, Montpellier)
Dr S. Costes, Dr C. Broca
La cellule β saine
« Comprendre pour mieux appréhender les problématiques »
- Son environnement
- Comment définir une cellule β saine
- Son cycle de vie
La cellule β malade: Diabètes
« Comprendre pour mieux appréhender les enjeux »
- Problématique pour le diabète de type 1
- Problématique pour le diabète de type 2
La cellule β réparée:
« Cellules souches et stratégies »
- Stratégies actuelles et perspectives
- Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures (cellules ES et iPS)
- Régénération des cellules β au sein du pancréas
L’exocytose est biphasique
Phase 1:
- rapide et activée par
[Ca2+] locale
- mobilisation du pool
de granules conditionnés
(pool RRP)(n < 100/cellule)
Mécanismes d’activation par le glucose: Initiateur/déclencheur
Glucose
Ca2+
Insuline (+ C-peptide)
ext
Membrane plasmique
Imp
ossi
ble
d’af
fich
er
l’im
age
.
Imp
ossi
ble
d’aff
icher
l’ima
ge.
int
Imp
ossi
ble
d’af
fich
er
l’im
age
.
K+
G6P
Ca2+
Im
po
ssi
bl
e
d’
aff
ic
he
r
l’i
m
ag
Pyr
Im
po
ssi
bl
e
d’
aff
ic
he
r
l’i
m
ag
VDCC
Ca2+
Cycle de Krebs
Equivalents réduits
Chaine respiratoire
CC / IP3R
ATP
SERCA 3
RE
Mitochondrial
transport
MITOCHONDRIE
1
Ashcroft FM, Rorsman P. Cell (2012) 148, 1160
Henquin JC. Diabetologia (2009) 52, 739
Dalle S et al. J Biol Chem (1999) 274:10869
KIR 6.2
2
Cellule β pancréatique
3
Im
po
ssi
bl
e
d’
aff
ic
he
r
l’i
m
ag
Glut 2
La cellule β saine
« Comprendre pour mieux appréhender les problématiques »
- Son environnement
- Comment définir une cellule β saine
- Son cycle de vie
La cellule β malade: Diabètes
« Comprendre pour mieux appréhender les enjeux »
- Problématique pour le diabète de type 1
- Problématique pour le diabète de type 2
La cellule β réparée:
« Cellules souches et stratégies »
- Stratégies actuelles et perspectives
- Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures (cellules ES et iPS)
- Régénération des cellules β au sein du pancréas
Vie et mort des cellules β pancréatiques
Néogenèse
Senescence/Vieillissement
- Progéniteurs canaux pancréatiques
- Transdifferenciation
- Progéniteurs intra-îlots (?)
- Facteurs génétiques
- Stress oxydant
- Détérioration de l’ADN
Replication
Apoptose
A partir de cellules βpréexistantes
- Importante chez le fœtus
- Réduite chez l’adulte
Equilibre dynamique
Masse fonctionnelle de cellules β
Plasticité de l’îlot de Langerhans
Phénomène de compensation par les cellules β pancréatiques
La plasticité de la masse β permet d’adapter au long cours la fourniture en insuline
aux besoins métaboliques de l’organisme
Développement postnatal
Gestation
Fonction β
Masse β
Obésité
Régimes Hypergluc/Hyperlip
Insulinorésistance
Régénération
Autoimmunité inflammation
Vieillissement
Fonction β
Masse β
Glucotoxicité/lipotoxicité
Programmation in utéro (malnutrition)
Facteurs β cytotoxiques
Quand la robustesse de ces adaptations est dépassée…
l’hyperglycémie s’installe: DT1, DT2
Phénomène de compensation par les cellules β pancréatiques
Prentki, M. et al. J. Clin. Invest, 2006, 116, 1802-1812
Facteurs controlant la différenciation et la masse des cellules β pancréatiques
Nutriments
Glucose, FFA
TGF-β, Activine A
EGF (NGF, VEGF, FGF), IGF-1
INGAP (Ilotropin)
+
+
+
EGF, IGF-1
GLP-1
+
+
+
APOPTOSE
REPLICATION et
DIFFERENCIATION
Pancreatic β cells
+
NEOGENESIS
DIFFERENCIATION
Cellules precurseurs
Cytokine
Facteurs Inflammation
IL-1β , TNF-α, IL-6,
Interféron γ
Nutriments
Haut Glucose, FFA
Hormones/incretines
GH, GLP-1
SENESCENCE
+
-
Facteurs stress oxydant
Altération ADN
Régulation de la masse des cellules β pancréatiques (plasticité) :
Dualité des effets du glucose
PROLIFERATION
Cellules β pancréatiques
APOPTOSE
-
+
DIFFERENCIATION
+
CRIC-Montpellier
Haut glucose
(hyperglycémie)
Diabète de type 2
Glucose
(concentrations physiologiques)
La cellule β saine
« Comprendre pour mieux appréhender les problématiques »
- Son environnement
- Comment définir une cellule β saine
- Son cycle de vie
La cellule β malade: Diabètes
« Comprendre pour mieux appréhender les enjeux »
- Problématique pour le diabète de type 1
- Problématique pour le diabète de type 2
La cellule β réparée:
« Cellules souches et stratégies »
- Stratégies actuelles et perspectives
- Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures (cellules ES et iPS)
- Régénération des cellules β au sein du pancréas
Role central des cellules β pancréatiques dans le DIABETE
Insuline = seule hormone hypoglycémiante de l’organisme
Diabète de type 1 et type 2 : Déficit de l’insulino-sécrétion
Diabète de type 1 (10% des sujets diabétiques)
Destruction des cellules β par un processus autoimmun
Carence totale en insuline : Injections
Diabète de type 2 (90% des sujets diabétiques)
Déficit sécrétoire et mort par apoptose des cellules β,
associés à une résistance à l’action de l’insuline
Carence partielle puis totale en insuline: Arsenal thérapeutique
Hyperglycémie chronique
Complications dégénératives du diabète
Apoptose des cellules β pancréatiques et diabète de type 1
Proposed model for the different pathways contributing to the execution of cytokine-induced ß-cell apoptosis.
Arrows indicate genes for which expression was modified by cytokines in a time course microarray analysis. ß-Cell apoptosis is probably mediated by
three main pathways—namely JNK, ER stress, and liberation of pro-apoptotic proteins from the mitochondria.
Cnop, M. et al. Diabetes, 2006, 54S2, 97-107
Les enjeux pour le diabète de type 1, et de type 2
Recherches fondamentale et clinique
Restaurer
Diabète de type 1
(Perte cellule β)
Transplantation
Pancréas entier/ Ilots de Langerhans
Thérapie cellulaire (?)
Préserver
une masse fonctionnelle
de cellules β
Diabète de type 2
(Dysfonction cellule β)
Agents pharmacologiques
Cellules β pancréatiques et diabète de type 2
« β cell deficit and increased β cell apoptosis in humans with type 2 diabetes »
ND
DT2
« Therapeutic approaches designed to arrest β cell apoptosis could be a significant new development
in the management of type 2 diabetes »
Butler, A.E. et al. Diabetes, 2003, 52, 102-110
Del Guerra, S. et al. Diabetes, 2005, 54, 727-735
Développement et progression du diabète de type 2 et de ses complicationsa
Progression du diabète de type 2
Insulino résistance
Insulinémie
Fonction cellulaire β
Glucose post-prandial
4-7 années
Glycémie à jeun
complications microvasculaires
complications macrovasculaires
Intolérance au glucose
Diagnostic du diabète
(représentation conceptuelle)
Adapté de Primary Care, 26, Ramlo-Halsted BA, Edelman SV, The natural history of type 2 diabetes. Implications for clinical practice, 771–
789, © 1999, with permission from Elsevier.
Les enjeux pour le diabète de type 2
Déclin de la sécrétion d’insuline et de la masse de cellules β
Hyperglycémie chronique
Préserver la fonction et la survie des cellules β est essentiel
Importance des études sur le maintien et/ou la restauration de la masse
des cellules β fonctionnelles chez les diabétiques de type 2
Intérêt de prendre en charge tôt le pancréas
- Cibler les fonctions physiologiques du pancréas
- Agir sur l’insuline (et le glucagon)
- Maintenir la structure de l’îlot: Masse fonctionnelle de cellules β pancréatiques
La cellule β saine
« Comprendre pour mieux appréhender les problématiques »
- Son environnement
- Comment définir une cellule β saine
- Son cycle de vie
La cellule β malade: Diabètes
« Comprendre pour mieux appréhender les enjeux »
- Problématique pour le diabète de type 1
- Problématique pour le diabète de type 2
La cellule β réparée:
« Cellules souches et stratégies »
- Stratégies actuelles et perspectives
- Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures (cellules ES et iPS)
- Régénération des cellules β au sein du pancréas
Stratégies actuelles
D’après Borowiak, M., Melton DA, Curr Opinion Cell Biology, 2009, 21, 727-732
Stratégies actuelles: Quelles sources de cellules (à partir de 2011) ?
Génération de cellules endocrines à partir de cellules immatures
Rappels d’embryogénèse: Origine et développement des cellules β pancréatiques
Facteurs de transcription impliqués dans la différenciation pancréatique
Cellules ES: Différenciation en cellules produisant de l’insuline
Cellules ES
Précurseur endodermal
Cellule Insuline +
D’amour, Nature Biotech, 2005, 2006
Cellules ES: Différenciation en cellules produisant de l’insuline
TABLE 3
Derivation of PDX1 progenitors from hES cells
References
DE induction
Pancreas induction
D’Amour (2006)
ActA Wnt3a; ActA
FBS
Johannesson
(2009)
Cai (2009)
ActA Wnt3a; ActA
FBS
ActA; ActA ITS
Jiang (2007)
ActA
Kroon (2008)
ActA Wnt3a; ActA
FBS
FGF7 (4d); NG
FGF7 (4d)
Vallier (2009)
ActA BMP4 bFGF
(3d)
ActA Wortmanin
(4d)
NG RA FGF10
SB431542 (6d)
NG RA FGF7 (4d);
EGF (5d)
ActA Wnt3a; ActA
FBS
NG RA Cyclo (8d);
FGF10 Ex4
Compound E (4d)
Zhang (2009)
Mfopou (2010)
NaBut (7d)
FGF10 Cyclo (4d);
FGF10 Cyclo RA
(4d)
FGF4 RA ( / Cyclo)
(DE replating on 3T3)
FGF7 RA (6d)
EGF bFGF NG (14d);
EGF NG (7d)
RA
Differentiation
DAPT
HGF
Key features
Ex4; IGF1
Ex4
7%INS cells, double
endocrine cells; no glucose
response
—
32%PDX1 cells, very low INS
expression
HGF Ex4 NA
90%PDX1 ; co-expression
(6d)
FOXA2, HNF1b, HNF4a,
HNF6, NKX6.1; some INS
cells
NA IGF2 (5d); NA
EBs after DE induction; budding
(2d)
PDX1 INS clusters; 3D is
better
Transplantation in
Endocrine cells in grafts,
immunodeficient
glucose response in vivo at 3
mice
months, protection from STZ
effect
—
PDX1 clusters, culture in
feeder-free settings
bFGF Ex4 BMP4 20%PDX1 , 25%INS , low
NA ITS (7d)
glucose response, ITS issue
not addressed
50–80%PDX1 in 4 hES lines,
NA Ex4 IGF1
BMP4
co-expression FOXA2, SOX9,
HNF1b, HNF6, NKX6.1, low
PTF1a. Some INS cells
Mfopou, Diabetes, 2010
Cellules iPS: Différenciation en cellules produisant de l’insuline
Fibroblaste humain$
humain
Fibroblaste$
Human
iPS$
iPS cells$
cells
ES
cells
Relative gene expression
B
Endoderm
induction
Pancreatic
4 specialization 8
Act A+Wort
RA+NOGGIN+FGF7
EGF
Nico+bFGF+Ex-4+BMP4
DF12
F12/IMDM
DMEM
DF12
Day 0
3
Progenitor
expansion
13
Maturation
20
Insulinproducing cells
PDX1 C-peptide DAPI
2
MafA
Glut2
Pdx1
Insulin
1
0
C1
C2
C5
H9
25% de cellules produisant de l’insuline à partir de cellules ES et iPS
Zhang, Cell Research, 2009
Limites à l’utilisation de cellules pluripotentes
Ethique ?
Finesse des protocoles de différenciation à mettre en place:
Utilisation de molécules spécifiques, en associations complexes,
fenêtres d’action courtes, cultures 3D (Wandzioch, Science 2009)
Risque tératogène des cellules pluripotentes
Risque spécifique des iPS:
Mutations de séquences codant pour des protéines, anomalies épigénétiques…
Tumorigénèse possible (Gore, Nature 2001; Lister Nature 2001)
Régénération cellulaire au sein du pancréas
Physiologique chez le sujet obèse ou la femme enceinte
Quelles sont les cellules à l’origine de cette régénération ?
Régénération des cellules β au sein du pancréas ?
Preuve de concept
Preuve de concept
Régénération des cellules β pancréatiques (1)
Régénération des cellules β pancréatiques (2)
Bibliographie sélectionnée
Dor, Nature 2004
Xu, Cell 2008
Nir, J Clin Invest 2007
Collombat, Cell 2009
Thorel, Nature 2010
Herrera, Nature 2010
Régénération cellulaire au sein du pancréas: Limites
Origines du renouvellement β-cellulaire débattues
Etudes in vivo chez le rongeur uniquement
Quelles molécules pharmacologiques pour promouvoir cette régénération ?
- A partir de canaux: Tumorigénèse ?
- A partir de cellules α ou β: dysfonction endocrine / dosage/rapport cellulaire ?
Conclusion
Les progrès effectués ces 10 dernières années
permettent d’envisager de nouvelles sources pour traiter le patient diabétique
- Cellules pluripotentes
- Cellules reprogrammées
- Cellules régénérées in situ
-
Avantages sur transplantation îlots ou pancréas
Contrôle qualité
Masse infusée contrôlée et adaptée
Greffe autologue
-
Autres voies de recherche parallèles
Lutte contre l’auto-immunité
Site alternatif de transplantation (Ilots), tolérance…
Autres encore non explorées ?
How to make β-cells ?
« We believe that the potential of cellular therapies for diabetics is ever closer
and is an achievable goal…»
D’après Borowiak, M., Melton DA, Curr Opinion Cell Biology, 2009
Institut de Génomique Fonctionnelle, Montpellier, France
INSERM U1191, CNRS 5203, Université de Montpellier
Merci pour votre attention
Anatomie du pancréas
îlots de Langerhans
Foie
Diaphragme
Veine
Porte
Artère gastrique
Vésicule
Biliaire
Tronc
coeliaque
Canal
Cystique
Glande
surrénale
Canal
Hépatique
Artère et veine
spléniques
Canal
Cholédoque
Rate
Queue du
pancréas
Artère
Hépatique
Pancréas
Corps du
pancréas
Rein droit
Rein gauche
Ampoule
de Vater
Jéjunum
Artère et veine
mésentériques sup
Tête
du pancréas
Canal de
Wirsung
Duodénum
Veine cave
inférieure
Aorte
Veine
mésentérique
Bloc duodéno-hépato-pancréatique
Adapté d’après © sanofi-aventis France
Masse des cellules β pancréatiques adultes et renouvellement
Croissance/Néogenèse
CELLULES SOUCHES
PROGENITEURS
PROGENITEURS
Canaux pancréatiques
Mort
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