Evaluation de l'effet de la photobiomodulation sur la viabilité et la fonctionnalité des cellules bêta et îlots pancréatiques - Laboratoire de Bioénergétique Fondamentale et Appliquée
Thèse Année : 2023

Impact of photobiomodulation on the survival and functionality of beta cells and pancreatic islets

Evaluation de l'effet de la photobiomodulation sur la viabilité et la fonctionnalité des cellules bêta et îlots pancréatiques

Résumé

Introduction. Despite optimal insulin treatment and appropriate therapeutic education, certain diabetic patients exhibit significant glycaemic variability, characteristic of unstable diabetes. Pancreatic islet transplantation is indicated in these cases. These islets were isolated from the pancreas of a deceased donor and cultured for 24-72h to enable recipient immune system preparation through immunosuppression. However, the viability of human islets diminishes after isolation, and around half of the islets are destroyed after transplantation due to various stresses (inflammation, substrate deprivation, hypoxia), necessitating multiple transplants (2 to 3) to achieve optimal glycaemic control. Photobiomodulation (PBM) involves the selective absorption of specific wavelengths by mitochondria, resulting in biological changes such as enhanced cell viability and reduced inflammation. While PBM has demonstrated positive effects in treating diabetes-related complications, such as ulcers, neuropathic pain, and glucose intolerance, its direct impact on beta cells and islets is relatively underexplored.Aims. This study aimed to assess the effect of 670 nm, 2.8 mW/cm² PBM on beta cells (MIN6), rat islets, and human islets, and in vivo influence on streptozotocin-induced diabetic rat models transplanted with islets pre-conditioned with PBM.Results. The results showed that exposure to PBM for 5s to 24h did not impair the viability or functionality of MIN6 cells or rat islets. Pre-conditioning MIN6 cells and rat islets with 24h of PBM before inflammatory stress (TNF-α, Interferon-γ, IL-1β) or substrate deprivation (glucose and serum) reduced the impact of these stresses on viability, glucose-responsive insulin secretion, and mitochondrial functions. This protective effect was also observed when PBM was concurrently applied with stress. However, no effect was observed under hypoxic stress conditions (1% O2), likely due to the weaker impact of this stress on beta cell mitochondrial function. In a model involving diabetic rats transplanted with PBM-preconditioned islets compared to non-preconditioned islets, metabolic parameters such as weight gain, glycaemia, C-peptide secretion, and glucose tolerance test were comparable, indicating that pre-conditioned islets did not compromise their long-term in vivo functionality. Moreover, application of PBM to human islets after isolation improved their viability and insulin secretion in response to glucose. Preconditioning of these human islets with PBM before inflammatory stress maintained their viability and functionality at levels similar to those in non-stressed islets.Discussion. In summary, PBM applied to stress-free beta cells and rat islets does not affect their viability and functionality in vitro and in vivo. Isolation of human islets resulted in reduced viability compared to rat islets, primarily because of isolation process and transportation time (before isolation and after isolation to lab experiment). Thus, the application of PBM to isolated human islets significantly enhances their viability and functionality. Furthermore, pre-emptive PBM application before in vitro stress helps mitigate the impact of stress on MIN6 cells, rat islets, and human islets. These findings suggest that PBM could be considered as a non-invasive and relatively simple technique, applicable during the human islet culture period (24-72h) to protect them from the stress associated with transplantation. This could potentially reduce the number of transplants required per patient to achieve a satisfactory glycaemic control.
Introduction. Malgré un traitement optimal par insuline, certains patients diabétiques présentent une variabilité glycémique importante associée à des évènements métaboliques majeurs impactant leur qualité de vie, définissant le diabète instable. La greffe d'îlots pancréatiques est alors indiquée. Ces îlots sont isolés du pancréas d’un donneur décédé puis maintenus en culture pendant 24 à 72h pour permettre l’immunosuppression du receveur. La viabilité des îlots humains diminue après leur isolement, et environ la moitié seront détruits suite à la greffe en raison de divers stress (inflammation, privation de substrat, hypoxie), obligeant à multiplier les greffes (2 à 3) pour atteindre un objectif glycémique optimal. La photobiomodulation (PBM) implique l'absorption sélective de certaines longueurs d'onde par les mitochondries, entraînant des modifications biologiques telles qu'une amélioration de la viabilité cellulaire et une réduction de l'inflammation. Bien que la PBM ait démontré des effets positifs dans le traitement de complications du diabète telles que les ulcères, les douleurs neuropathiques et l'intolérance au glucose, son impact direct sur les cellules bêta et les îlots est peu documenté. Objectifs. Ce travail visait à évaluer l'effet in vitro de la PBM à 670 nm et 2,8 mW/cm² sur les cellules bêta (MIN6), les îlots de rats et humains et son influence in vivo sur des rats diabétiques induits par la streptozotocine, greffés d’îlots pré-conditionnés par PBM. Résultats. Les résultats ont démontré qu'une exposition de 5sec à 24h à la PBM n'altérait ni la viabilité ni la fonctionnalité des MIN6 et des îlots de rats. Le pré-conditionnement des cellules MIN6 et des îlots de rats avec 24h de PBM avant un stress inflammatoire (TNF-α, Interféron-γ, IL-1β) ou par privation de substrats (glucose et sérum) a réduit l'impact de ces stress sur : la viabilité, la sécrétion d'insuline en réponse au glucose et les fonctions mitochondriales. Cette protection était également observée lorsque la PBM était appliquée simultanément aux stress. En revanche, aucun effet n’était observé en cas de stress par hypoxie (1% d’O2), probablement en lien avec un impact plus faible de ce stress sur les fonctions mitochondriales des cellules bêta. Dans un modèle de rats diabétiques greffés d'îlots préconditionnés par PBM et comparés à des îlots non préconditionnés, les paramètres métaboliques tels que la prise de poids, la glycémie, la sécrétion de c-peptide et le test de tolérance au glucose étaient comparables, indiquant que le pré-conditionnement des îlots n'altérait pas leur fonctionnement in vivo à long terme. De plus, l'application de la PBM sur les îlots humains après isolement améliorait leur viabilité et leur sécrétion d'insuline en réponse au glucose. Le préconditionnement de ces îlots humains par la PBM avant un stress inflammatoire permettait de maintenir leur viabilité et leur fonctionnalité à un niveau similaire à celui d’îlots non stressés. Discussion. En somme, la PBM appliquée aux cellules bêta et aux îlots de rats, non soumis à un stress préalable, n'affecte pas leur viabilité ni leur fonctionnalité in vitro et in vivo. Après isolement, les îlots humains présentent une viabilité réduite par rapport aux îlots de rats, principalement à cause du processus d'isolement des îlots humains. Ainsi, la PBM appliquée aux îlots humains après leur isolement améliore leur viabilité et leur fonctionnalité. De plus, l'application préalable de la PBM avant des stress in vitro permettait de limiter l'impact de ces stress sur les MIN6, les îlots de rats et les îlots humains. Ces résultats suggèrent que la PBM pourrait être envisagée comme une technique non invasive et relativement simple à mettre en œuvre, applicable pendant la période de culture des îlots humains (24-72h) pour les protéger du stress associé à la greffe. Ceci pourrait potentiellement réduire le nombre de greffes nécessaires par patient pour atteindre un contrôle glycémique satisfaisant.
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-04752181 , version 1

Citer

Quentin Perrier. Evaluation de l'effet de la photobiomodulation sur la viabilité et la fonctionnalité des cellules bêta et îlots pancréatiques. Médecine humaine et pathologie. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALS047⟩. ⟨tel-04752181⟩
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