Le pancréas: structure et fonction

Le pancréas et l’îlot de Langerhans

Le pancréas est une glande digestive et neuroendocrine produisant des enzymes digestives (pancréas exocrine) et des hormones (pancréas endocrine). Le pancréas est divisé en lobules et est composé de deux principaux tissus, le tissu exocrine qui représente environ 99% du pancréas total et le pancréas endocrine qui représente environ 1% du pancréas. À l’état embryonnaire, les tissus exocrine et endocrine sont formés à partir de la différenciation de deux bourgeons épithéliaux (dorsal et ventral) qui vont fusionner et former les différents types cellulaires pancréatiques (progéniteurs ductaux et acineux qui vont former les cellules ductales et acineuses; les progéniteurs endocriniens qui vont donner les cellules alpha/bêta/delta/PP pancréatiques) via la modulation de l’expression de différents facteurs de transcription [16, 17]. Le tissu endocrine pancréatique est composé de structures pluricellulaires hautement vascularisées et innervées, appelées îlots de Langerhans. Le pancréas humain contient entre 0,1 et 1 million d’îlots de Langerhans. Chaque îlot est composé d’approximativement 2500 cellules et de 5 principaux types cellulaires endocrines : les cellules bêta (β) sécrétant l’insuline, les cellules alpha (α) sécrétant le glucagon, les cellules delta (δ) sécrétant la somatostatine, les cellules PP sécrétant le polypeptide pancréatique et les cellules à ghréline sécrétant la ghréline (Figure 1). Chaque hormone produite par un type cellulaire endocrine pancréatique a un impact spécifique sur la régulation du métabolisme glucidique.

Chaque îlot présente une structure spécifique, qui sera différente d’un îlot à un autre au sein d’un même pancréas (taille, répartition au niveau de la tête, du corps et de la queue du pancréas), différente entre deux pancréas d’une même espèce (hétérogénéité interindividuelle) et entre deux pancréas d’espèces différentes [13]. De plus, le contexte physiologique du sujet donneur du pancréas (indice de masse corporelle (IMC), âge, hémoglobine glyquée (HbA1c)) contribue à la variabilité architecturale de l’îlot [18]. La taille, la répartition (tête, corps, queue), la vascularisation ainsi que l’innervation des îlots sont d’autant plus de paramètres complexifiant la structure du pancréas [18, 19]. Pour illustrer cette complexité architecturale et pour montrer le paradoxe actuel de la recherche sur la physiologie de l’îlot, de nombreuses études ont montré des différences architecturales significatives entre l’îlot humain et murin. Plus précisément, l’îlot murin présente un corps composé de cellules # représentant 60 à 80% de la masse totale de l’îlot et un manteau externe composé de cellules ” et ! pancréatiques qui représentent respectivement 15 à 20% et moins de 10% de la masse de l’îlot. En comparaison à l’îlot murin, l’îlot humain présente une tout autre architecture avec une plus grande variabilité de la répartition et de la proportion des différentes populations pancréatiques : 54% de cellules β, 36% de cellules α et 10% de cellules δ. Ces différences en terme de structure vont au-delà de simples différences architecturales, mais impliquent des différences d’interactions cellulescellules entre les populations endocrines et des mécanismes paracrines différents chez ces deux espèces. D’autre part, de nombreuses études ont montré une part très importante de l’innervation et de la vascularisation dans la régulation des sécrétions hormonales. Concernant la vascularisation, des études ayant cherché à déterminer le niveau d’irrigation de l’îlot ont montré que via le système sanguin artériel (petites artérioles passant à travers le manteau de l’îlot par des pores), l’irrigation se fait d’abord au niveau du corps de l’îlot régulant principalement l’activité des cellules β pancréatiques puis, via un système de capillaires sanguins, le sang ainsi que l’insuline sécrétée vont venir irriguer les cellules du manteau de l’îlot et ainsi moduler l’activité des cellules α et δ (majoritairement présentes à la périphérie de l’îlot) [20-22] .

Syndrome métabolique et diabète

Le syndrome métabolique

Le syndrome métabolique est un sujet de santé publique, du fait de sa forte prévalence et de l’importance de son dépistage aussi bien à l’échelle d’un pays, permettant la mise en place de programmes spécifiques, qu’à l’échelle individuelle dans le but de traiter un patient en connaissant les facteurs de risques pouvant s’appliquer à son cas (prise en compte des paramètres environnementaux et familiaux). Le syndrome métabolique est le nom donné à un groupe de facteurs de risques liés entre eux et étant démontrés comme augmentant la prévalence des maladies coronaires, cardio-vasculaires et du diabète. Plusieurs définitions du syndrome métabolique ont été proposées. La première fut définie par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) en 1998 dans le cadre d’une mise à niveau de la définition du diabète [23]. Celle-ci définissait le syndrome métabolique comme une association de marqueurs de l’insulinorésistance et d’au moins 2 autres marqueurs parmi lesquels l’obésité, l’hypertension, l’hypertriglycéridémie, une diminution du taux de HDL ou encore une microalbuminémie. En 2001, une étude effectuée par le « National Cholesterol Education Program » et nommée « Adult Treatment Panel III (ATP III) » a amené à la modification de cette première définition.  En effet cette étude a déterminé que le syndrome métabolique ne devait plus être défini sur la seule base de l’insulino-résistance, mais sur le diagnostic de la présence chez un patient de 3 des 5 facteurs suivants : obésité abdominale, hypertriglycéridémie, diminution du taux de lipoprotéine de haute densité (HDL), hypertension et hyperglycémie [24]. Finalement la définition actuelle du syndrome métabolique est venue d’un consensus trouvé par la fédération internationale du diabète (IDF) et du « American Heart Association / National Heart, Lung, and Blood institute (AHA / NHLBI) » (Figure 2). De ce consensus est ressorti en plus des critères définis par l’ATP III l’exclusion du paramètre insulino-résistance et l’obligation pour le patient de présenter une obésité abdominale.

Les diabètes

Il existe différents types de diabète dont les 3 principaux sont : (1) le diabète de type 2 (diabète insulino-indépendant, DNID, DT2) qui représente 90% des cas de diabète et qui est le résultat d’une diminution de la sécrétion de l’insuline et d’une insulino-résistance des tissus périphériques ; (2) le diabète de type 1 (diabète insulino dépendant, DID, DT1) qui se caractérise par une insuffisance de la production de l’insuline devant être compensée par l’administration quotidienne de celle-ci dans le but de réguler la glycémie ; et (3) le diabète gestationnel résultant de l’apparition d’un état hyperglycémique décelé durant la grossesse. Le diabète touchait près de 171 millions de personnes en 2000 et devrait toucher près de 366 millions de personnes d’ici 2030 (source : www.who.int). L’OMS prévoit qu’en 2030, le diabète sera la septième cause de décès dans le monde. L’OMS définit le diabète comme étant un désordre métabolique, caractérisé par une hyperglycémie et une dérégulation du métabolisme des carbohydrates, des lipides et des protéines [23]. Les effets à long terme du diabète se caractérisent par des dommages, la dysfonction et les défaillances de nombreux systèmes organiques. Le diabète serait une pathologie à l’origine multifactorielle et à composante environnementale [25] et génétique [26]. Il est caractérisé par une glycémie à jeun supérieure à 7,0 mmol/l et une glycémie deux heures après un test oral au glucose (75 g de glucose) supérieure à 11,1 mmol/l [23].

L’insulino-résistance

L’insulino-résistance est caractérisée par une diminution de la réponse de certains tissus à l’insuline. Celle-ci mène alors par une diminution de la réponse biologique à l’action de l’insuline. La résistance à l’insuline va toucher les différents organes présentant une fonction clef dans le métabolisme du glucose qui sont le foie, le muscle, le tissu adipeux et le pancréas (pour revue : [25, 27]). Au niveau du tissu adipeux, il a été montré une augmentation de la production des acides gras libres, mécanisme connu pour amplifier l’insulino-résistance, mais également pour agir sur d’autres tissus clefs tels que le foie. L’augmentation de la production des acides gras libres (FFA) en association avec l’insulino-résistance va induire une dérégulation globale du métabolisme hépatique caractérisée par une augmentation de la production de glucose (néoglucogenèse), une inhibition des voies du stockage du glucose (glycolyse, glycogenèse, lipogenèse), la production de cytokines pro inflammatoires et la modification du métabolisme des lipoprotéines [25]. D’autre part, l’obésité ainsi que l’insulinorésistance vont induire une restructuration de l’architecture de l’îlot de Langerhans.

Plasticité pancréatique

Des contextes physiologiques spécifiques tels que l’obésité ou encore le diabète peuvent moduler le nombre, la morphologie et l’architecture des îlots de Langerhans [28] (Figure 3). La littérature rapporte deux principaux groupes de modifications architecturales de l’îlot : les conditions physiologiques induisant une augmentation de la masse # pancréatique (obésité, grossesse) et celles induisant une diminution de cette population (diabète) [28]. Ces deux groupes reflètent la capacité et la limite d’adaptation de l’îlot à son environnement. Néanmoins,  de nombreuses études ont également montré une modification de toute l’architecture de l’îlot dans ces mêmes conditions avec la modulation des deux autres principaux types cellulaires de l’îlot que sont les cellules ” et !, ainsi que des modifications d’interactions cellules-cellules [18, 28-34].

Cas d’obésité

L’obésité est caractérisée par une hyperinsulinémie chronique. Cet hyperinsulinisme résulte d’une demande accrue en insuline dans le but de compenser l’hyperglycémie chronique et est également corrélé au développement d’une insulino-résistance. L’obésité est connue pour induire une modification de l’architecture de l’îlot en terme de ratio entre les différents types cellulaires et en terme d’architecture globale. La réorganisation de la population β pancréatique est le mécanisme le plus connu. Des études effectuées sur des souris ob/ob (souris mutante pour le gène de la leptine) ont montré une augmentation de la masse et de l’aire β pancréatique avec des proportions de cellules à insuline passant de 85% chez les souris contrôles à 92% chez les souris ob/ob [18]. Ces mêmes études ont montré une réorganisation de l’îlot avec une modification des interactions intercellulaires. Plus précisément, l’îlot de souris ob/ob présente une architecture plus proche de celle de l’humain avec des cellules α et δ plus présentes au niveau du corps de l’îlot [18]. Chez l’humain, la même augmentation de la masse β a été reportée. En utilisant les pancréas de 167 patients non diabétiques (53 minces, 61 obèses), l’équipe de Saisho a montré une augmentation de 30% de la surface β pancréatique et une augmentation de 50% de la masse β pancréatique. Dans la même étude, ils ont montré une corrélation entre masse β et l’IMC chez les sujets non diabétiques. Concernant les populations non β, peu de modifications ont été rapportées chez l’obèse (humain ou modèle murin), seule une modification du ratio β/ α-δ a été observée [18] [29].

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Table des matières

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION
Introduction générale
Le pancréas: structure et fonction
I. Le pancréas et l’îlot de Langerhans
II. Syndrome métabolique et diabète
A. Le syndrome métabolique
B. Les diabètes
C. L’insulino-résistance
III. Plasticité pancréatique
A. Cas d’obésité
B. Cas de diabète de type 2
L’hormone somatostatine
I. Découverte et caractérisation
II. La somatostatine, un modulateur paracrine de la fonction endocrine pancréatique
A. Les récepteurs de la somatostatine dans l’îlot de Langerhans
B. Sécrétion et action de l’hormone somatostatine
C. Sécrétion et action dans des conditions pathologiques
D. Traitement des diabètes
Les acides biliaires et leurs récepteurs
I. Synthèse et circulation entéro-hépatique
A. Acides biliaires primaires et secondaires
B. Circulation entéro-hépatique
II. Le récepteur membranaire aux acides biliaires TGR5
A. Structure
B. Expression du récepteur aux acides biliaires, TGR5
C. Ligands du récepteur TGR5
a. Ligands naturels
b. Ligands synthétiques et semi-synthétiques
D. Rôles du récepteur TGR5
a. TGR5 et inflammation
b. TGR5, homéostasie et métabolisme
c. TGR5 et pancréas
CONTEXTE DE L’ÉTUDE ET HYPOTHESE DE TRAVAIL
CHAPITRE 2 : MATERIEL ET MÉTHODES
Modèles utilisés
I. Ilots de Langerhans humains
A. Isolement des îlots de Langerhans humains
II. Les modèles murins
D. Souris C57B6j
E. Souris Knock-Out pour le gène de la somatostatine (Laboratoire du Professeur Gilon)
F. Souris Knock-Out pour le gène du récepteur TGR5 (collaboration avec le Professeur Schoonjans)
G. Isolement et culture des îlots de Langerhans de souris
III. Lignées cellulaires
A. Cellules murines pancréatiques TGP52 (ATCC)
B. Cellules murines pancréatiques MIN6 (collaboration avec le Professeur Abderrahmani)
C. Cellules 804G
Tests fonctionnels et modulation de l’expression génique
I. Culture et évaluation des îlots de Langerhans isolés
II. Knock-down du gène de TGR5 (GPBAR1) par la technique des petits ARN interférences
III. Détermination de l’apoptose et de la nécrose dans une préparation d’îlots de Langerhans
IV. Détermination de l’efficacité des agonistes de TGR5 (collaboration avec le Professeur Staels)
V. Sécrétions et contenus intracellulaires
Expression génique et protéique
I. Préparation tissulaire
II. Etude de l’expression transcriptionnelle (ARN)
A. Lyse cellulaire
B. Extraction / purification des ARN messagers
C. RT-PCRq
III. Etude de l’expression protéique
A. Lyse cellulaire / conditionnement tissulaire
B. Extraction / purification des protéines
C. Western-blot
D. Dosages immunologiques
E. Immunohistochimie.
CHAPITRE 3 : RÉSULTATS.
Le récepteur TGR5 est exprimé dans les cellules δ pancréatiques et module l’activité endocrine pancréatique (papier soumis et révisé)
I. Le récepteur TGR5 est exprimé dans le pancréas endocrine
II. Le récepteur TGR5 est exprimé dans les cellules δ pancréatiques et intestinales
A. Le récepteur TGR5 est exprimé dans les cellules δ pancréatiques chez l’humain, la souris et le minipig
B. Le récepteur TGR5 est exprimé dans les cellules δ intestinales
C. Le récepteur aux acides biliaires TGR5 est exprimé dans des lignées cellulaires pancréatiques et intestinales
III. Les expressions de TGR5 et de la somatostatine sont corrélées dans des conditions pathologiques
A. Les expressions de TGR5 et de la somatostatine sont modulées et corrélées dans les îlots de Langerhans de sujets contrôles, obèses et diabétiques de type 2
B. Les diabétiques de type 2 présentent une augmentation de la proportion de cellules delta pancréatiques exprimant le récepteur TGR5
C. L’expression de TGR5 et de la somatostatine sont associées dans des modèles d’hyperglycémie
D. L’expression de TGR5 est augmentée dans les cas de somatostatinome humain
IV. La modulation de l’expression de TGR5 par siRNA dans les îlots de Langerhans humains et dans la lignée delta pancréatique TGP52 régule l’expression de la somatostatine
V. L’activation de TGR5 par des agonistes spécifiques module la sécrétion des hormones pancréatiques humaines
A. Optimisation des tests de sécrétions hormonaux avec des agonistes du récepteur TGR5 sur des îlots humains isolés
B. L’activation du récepteur TGR5 par différents agonistes spécifiques stimule la sécrétion de la somatostatine pancréatique
C. L’activation du récepteur TGR5 par un agoniste spécifique stimule la sécrétion de l’insuline
D. L’activation du récepteur TGR5 à long terme sur des îlots de Langerhans en culture n’a pas d’impact significatif sur l’expression transcriptionnelle des principales hormones pancréatiques
VI. Recherche d’un modèle d’étude du mécanisme impliquant le récepteur TGR5 dans la modulation de la somatostatine pancréatique
A. La lignée cellulaire murine TGP52 : un modèle delta pancréatique exprimant le récepteur TGR5
B. La lignée humaine Endoc cell line : un modèle bêta pancréatique exprimant le récepteur TGR5 (collaboration avec le Pr Scharfmann)
C. Etude des souris Knock-out pour le gène de la somatostatine (SST KO) (Pr Gilon)
D. Etude pancréatique des souris knock-out pour le gène du récepteur TGR5 (TGR5 KO) (collaboration Pr Schoonjans)
CHAPITRE 4 : DISCUSSION
CHAPITRE 5 : CONCLUSION

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