Communications intercellulaires dynamiques au sein des îlots pancréatiques analysées par multi-electrode arrays : rôles physiologiques et applications biotechnologiques en diabétologie

Dynamic intercellular communications within pancreatic islets analyzed by multi-electrode arrays : physiological roles and biotechnological applications in diabetology

• Auteur / Autrice : Manon Jaffredo
• Direction : Matthieu Raoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Ducret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Raoux, Thomas Ducret, Miriam Cnop, Raphaël Scharfmann, Magalie Ravier, Pedro Herrera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miriam Cnop, Raphaël Scharfmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules souches

CGH array

Électrophysiologie

Diabètes

Îlots pancréatiques

Mots clés libres

Îlots pancréatiques

Cellule β

Diabète

Cellules souches iPSC

Electrophysiologie

Multi-Electrode Array

Pancreatic islets

Β cell

Diabetes

Stem cells (iPSC)

Electrophysiology

Multi-Electrode Array

Résumé

Les îlots pancréatiques sont le principal capteur de glycémie et intègrent toutes les informations métaboliques et hormonales pour adapter en temps réel la sécrétion des hormones, telles que l'insuline par les cellules β majoritaires et le glucagon par les cellules α. Dans le diabète de type 1 (DT1) les cellules β sont détruites par réaction auto-immune et dans le DT2 la masse de cellules β, la fonction et le réseau intra-îlot sont altérés. La réactivité de ces micro-organes est due à leurs propriétés électriques, encodant rapidement l’information, et aux communications entre cellules β/β et β/non-β. Cependant des outils non-invasifs à haute résolution et long terme pour les analyser manquent. L’électrophysiologie extracellulaire par multi-electrode arrays (MEAs) le permet en mesurant des signaux cellulaires mais aussi multicellulaires (SPs) dus aux couplages entre cellules β. J’ai donc utilisé les MEAs (i) pour explorer la physiologie/physiopathologie des îlots et (ii) pour des applications en diabétologie. J’ai montré que la cinétique biphasique de la sécrétion d’insuline était encodée par les SPs avec des changements dynamiques de couplages entre cellules β. Une hormone intestinale importante (GLP-1) augmente la 2de phase alors que des conditions diabétiques (glucotoxicité) réduisent la 1re. La réponse aux nutriments requiert de plus la coopération avec les cellules α, car leur suppression (modèle inductible GluDTR) réduit l’activité basale et la 2de phase des cellules β en présence d’un mélange physiologique d’acides aminés. J’ai également caractérisé électrophysiologiquement les cellules β humaines dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSC), déterminé leurs couplages, établi leur contrôle qualité et démontré l’impact fonctionnel d’une mutation d’intérêt (ZnT8) éditée par CRISPR/Cas9. Un contrôle qualité fonctionnel des îlots humains avant greffe chez des patients DT1 a également été réalisé et comparé aux résultats cliniques. Enfin, mes enregistrements de SPs analysées par microélectronique en temps réel ont permis de valider un modèle in silico de biocapteur dans un simulateur de référence de patients DT1. En conclusion, mes travaux montrent (i) l’importance des communications intra-îlots dans leur adaptation physiologique dynamique, (ii) et que l’exploitation des SPs ouvre des applications allant du pancréas artificiel à la thérapie cellulaire personnalisée.

Pancreatic islets are the main sensor of glycaemia and they integrate all the metabolic and hormonal inputs to adapt in real time the secretion of hormones such as insulin by β cells and glucagon by α cells. In type 1 diabetes (T1D) β cells are destroyed by immune attack, and in T2D, β cell mass, function and the intra-islet network are altered. The islet micro-organs are highly reactive due to their electrical properties encoding rapid information and due to intercellular communications between β cells and β/non-β cells. Nevertheless, non-invasive, high resolution and long-term approaches for analysis are still lacking. Extracellular electrophysiology with multi-electrode arrays (MEAs) allows this analysis of islets by measuring both cellular as well as multicellular signals (SPs) due to β cell coupling. During my PhD, I used MEAs (i) to explore islet physiology/pathophysiology and (ii) for biotechnological applications in diabetology. I have shown that biphasic kinetics of insulin secretion are encoded by SPs through dynamic changes in β cell coupling. An important intestinal hormone (GLP-1) increases the 2nd phase of β-cell activity while diabetic conditions (glucotoxicity) reduce the 1st phase. Islet responses to nutrients also require α/β cell cooperation since α cell ablation in the inducible GluDTR mice model reduced both the basal and 2nd phase of β cell activity generated by glucose and a physiological mix of amino acids. I have also performed the electrophysiological characterization of human β cells derived from induced pluripotent stem cells (iPSC), determined their coupling, established their quality control and shown the functional impact of a mutation of interest (ZnT8) edited by CRISPR/Cas9. A functional quality control of human islets prior to transplantation in T1D patients was also performed for correlations with clinical data. Finally, my SP recordings analyzed in real time by microelectronics has contributed to validate an in silico model of biosensor in a FDA-approved simulator of T1D patients. In conclusion, my work demonstrates (i) the role of intra-islet communications in the dynamic physiological adaptation of these micro-organs, (ii) and that detailed characterization of SPs opens new applications from artificial pancreas to personalized cell therapy.