Pancreatic intra-islet vessel ablation and regeneration as a model for promoting active beta and delta cell cycling

Stephanie Bourgeois
Persbericht

De nieuwvorming van β-cellen als een therapie voor type 1 diabetes

Nick Jonas, Theresa May en Halle Berry, in dit rijtje van bekende namen zie je wellicht niet meteen een verband. Toch hebben deze beroemdheden allen iets met elkaar gemeen, ze werden namelijk allemaal gediagnosticeerd met type 1 diabetes. Je zal ongetwijfeld al wel van deze aandoening gehoord hebben, maar wat houdt het nu juist in voor ons lichaam?

Type 1 diabetes is een auto-immuunziekte die de insuline-producerende β-cellen in de pancreas aanvalt en vernietigt met een insulinetekort tot gevolg. Insuline is het hormoon dat de bloedsuikerspiegel onder controle houdt. Wanneer de β-cellen verwoest worden, worden de suikers onvoldoende snel opgenomen en opgeslagen in de cellen. Indien deze patiënten niet behandeld worden, kunnen hun bloedsuikerspiegels razendsnel stijgen, wat we hyperglycemie noemen en wat de fatale complicaties tot gevolg kan hebben.

Leven met type 1 diabetes

Patiënten met type 1 diabetes moeten zich meermaals per dag injecteren met insuline, continu letten op wat ze eten in functie van hun bloedsuikerspiegel en hun insuline-dosis hiernaar aanpassen. Zelfs met de meest geavanceerde technologieën, zoals bijvoorbeeld een artificiële pancreas, hebben deze patiënten het nog moeilijk om hun bloedsuikerspiegels onder controle te houden en zijn ze onvoldoende beschermd tegen de complicaties die deze chronische ziekte met zich meebrengt. Nick Jonas omschreef leven met type 1 diabetes als volgt:

Het nastreven van perfectie met type 1 diabetes is onmogelijk. Er is zoveel dat je  niet in handen hebt, het vinden van een manier om kalm en geduldig te blijven op momenten dat diabetes je leven onderbreekt is de sleutel om ermee om te gaan. 

De zoektocht naar een curatieve therapie

Je zou nu natuurlijk kunnen denken, als het probleem is dat de β-cellen van de pancreas vernietigd zijn, kunnen we de cellen dan niet gewoon hernieuwen of terugplaatsen? Het herstel van de oorspronkelijke populatie β-cellen in de pancreas door middel van nieuwvorming of transplantatie zeg maar. Wel dat kan ook, maar het is jammer genoeg wel iets ingewikkelder dan dat. Wat je misschien eerst moet weten is dat β-cellen, cellen zijn die extreem moeilijk delen. In een volwassen persoon is de replicatiesnelheid van β-cellen minder dan 0.1%. Indien we een factor zouden kunnen identificeren die β-cel deling van de overgebleven β-cellen kan stimuleren, kunnen we op deze manier de oorspronkelijke β-cel populatie herstellen als een echte curatieve therapie. Anderzijds kan men ook eilandjes van Langerhans, die de β-cellen bevatten, transplanteren. Dit is momenteel een therapie voor patiënten met type 1 diabetes die het zeer moeilijk hebben om hun bloedsuikerspiegels onder controle te houden, maar zoals jammer genoeg vaak het probleem is met donor organen, zijn er niet genoeg eilandjes beschikbaar voor transplantatie en is er levenslange immuun-suppressie noodzakelijk.

De β-cel en bloedvaten

Onze onderzoeksgroep heeft veel onderzoek naar de nieuwvorming van β-cellen verricht en hiervoor gefocust op de belangrijke interactie tussen β-cellen en bloedvaten. Eilandjes van Langerhans zijn sterk doorbloedde mini-orgaantjes. Deze sterke doorbloeding is essentieel voor zuurstof- en nutriëntentoevoer en voor het uit uitscheiden van hormonen in respons tot glucose. Ook tijdens de embryonale ontwikkeling geven bloedvaten essentiële signalen die nodig zijn voor de ontwikkeling van de pancreas.

Mijn onderzoek

Omdat we weten dat bloedvaten zo essentieel zijn voor de werking van de β-cellen en de andere endocriene cellen in de eilandjes van Langerhans, vroegen we ons af wat het effect op de β-cellen zou zijn als we deze bloedvaten laten involueren en vervolgens een periode introduceren dat ze terug kunnen groeien. Maar hoe doen we dat precies, bloedvaten laten wegtrekken en terug doen groeien? Hiervoor hebben we een transgeen muismodel ontwikkeld waarin het mogelijk is om de werking van de molecule ‘vascular endothelial growth factor A’, of ‘VEGF-A’ tijdelijk te inhiberen. VEGF-A is een essentieel molecule die β-cellen produceren voor de vorming van bloedvaten tijdens embryogenese en nodig is voor bloedvatoverleving en functionaliteit gedurende de post-embryonale fase.

In dit transgene muismodel drukken we de oplosbare receptor ‘sFlt1’ uit die de VEGF-A moleculen kan capteren, waardoor ze niet meer op hun receptoren op de bloedvaten kunnen binden. Dit zal leiden tot een regressie van de bloedvaten in de eilandjes van Langerhans, een fenomeen dat we ook wel ‘hypovascularisatie’ noemen.

Onder normale omstandigheden scheiden de β-cellen VEGF-A uit en binden de VEGF-A moleculen op de VEGF receptor 2 op de bloedvaten. Dit leidt tot bloedvatoverleving en functionaliteit van de bloedvaten. In het transgene muismodel dat we hebben ontwikkeld, drukken de beta cellen ook de oplosbare receptor 'sFlt1' uit. Deze receptor zal VEGF-A moleculen capteren zodat ze niet meer op hun receptoren op de bloedvaten kunnen binden, wat zal leiden tot een verlies van bloedvaten, ook wel hypovascularisatie genoemd.

Gedurende deze periode van hypovascularisatie ondergaan de β-cellen verschillende veranderingen om met deze hypoxische omgeving, m.a.w. een omgeving met een verlaagde zuurstofdruk, om te kunnen gaan. Zo gaan de cellen bijvoorbeeld hun metabolisme aanpassen en meer energie produceren via de anaerobe energie pathway: de glycolyse, in plaats van de aerobe energie pathway: oxidatieve fosforylering.

Indien we vervolgens  de bloedvaten terug laten groeien, ook wel ‘revascularizatie’ genoemd, zagen we dat er signalen vrijkomen die β-cel deling stimuleren en dat het aantal β-cellen met tweevoud was toegenomen. Dit is uniek aangezien, zoals al eerder vermeld, het zeer moeilijk is β-cellen terug te laten delen. Bovendien zagen we ook dat de somatostatine-producerende δ-cellen van de pancreas ook aan een verhoogde ratio beginnen te delen zonder finaal te resulteren in een toename van het aantal delta cellen. We vermoeden dat de δ-cellen na een periode van zuurstof-tekort  hun identiteit kunnen veranderen naar β-cellen, een proces dat ook wel transdifferentiatie wordt genoemd. Zo dragen de δ-cellen ook bij tot de β-cel massa expansie. Dit zou zeer interessant zijn, maar blijft momenteel maar een hypothese.

Na de periode van hypovascularisatie hebben we een periode van revascularisatie geïntroduceerd. We hebben gezien dat in de revascularisatie periode, de β- en δ-cellen aan een verhoogd ratio beginnen te delen.

Van onderzoek naar een therapie

Hoe kunnen we dit alles precies vertalen naar een klinische therapie? Indien we de factor verantwoordelijk voor de verhoogde β-cel replicatie kunnen identificeren, zouden we hiermee een medicijn kunnen maken dewelke we kunnen toedienen aan patiënten met type 1 diabetes, zodat ze terug meer β-cellen hebben. Een andere interessante piste is om meer β-cellen beschikbaar te maken voor transplantatie. We kunnen bijvoorbeeld β-cellen van donor pancreassen isoleren, onze factor toedienen en hierdoor meer β-cellen produceren in het labo.

De weg naar het vinden van een remedie voor type 1 diabetes blijft nog lang maar mijn thesis brengt ons mogelijks toch een stapje dichterbij.

Bibliografie

Alonso, Laura C et al. 2007. “Glucose Infusion in Mice: A New Model to Induce Beta-Cell Replication.” Diabetes 56(7): 1792–1801.

Ashoor, Maryam F., Afra K. Bintouq, Martin K. Rutter, and Rayaz A. Malik. 2016. “Pancreatic Islet Cell Transplantation as a Treatment for Brittle Type 1 Diabetes: A Case Report and Review of the Literature.” Journal of Taibah University Medical Sciences 11(4): 395–400.

Atkinson, M. A., and G. S. Eisenbarth. 2001. “Type 1 Diabetes: New Perspectives on Disease Pathogenesis and Treatment.” The Lancet 358(9277): 221–29.

Bonhoeffer, Sebastian, Hiroshi Mohri, David Ho, and S Alan. 2020. “Quantification of Cell Turnover Kinetics Using 5-Bromo-2 ′ -Deoxyuridine 1.” Journal of Immunology 164(10): 5049–54.

Bottino, Rita, Massimo Trucco, A. N. Balamurugan, and Thomas E. Starzl. 2002. “Pancreas and Islet Cell Transplantation.” Bailliere’s Best Practice and Research in Clinical Gastroenterology 16(3): 457–74.

Brissova, Marcela et al. 2006. “Pancreatic Islet Production of Vascular Endothelial Growth Factor-A Is Essential for Islet Vascularization, Revascularization, and Function.” Diabetes 55(11): 2974–85.

Brissova, Marcela et al. 2014. “Islet Microenvironment, Modulated by Vascular Endothelial Growth Factor-A Signaling, Promotes β Cell Regeneration.” Cell Metabolism 19(3): 498–511.

Butler, A. E. et al. 2003. “Beta-Cell Deficit and Increased-Beta-Cell Apoptosis in Humans With Type 2 Diabetes.” Diabetes 52(1): 102–10.

Butler, A. E. et al. 2010. “Adaptive Changes in Pancreatic Beta Cell Fractional Area and Beta Cell Turnover in Human Pregnancy.” Diabetologia 53(10): 2167–76.

Chen, Hainan et al. 2011. “PDGF Signalling Controls Age-Dependent Proliferation in Pancreatic β-Cells.” Nature 478(7369): 349–55.

Chera, Simona et al. 2014. “Diabetes Recovery by Age-Dependent Conversion of Pancreatic δ-Cells into Insulin Producers.” Nature 514(7253): 503–7.

Corish, Pete, and Chris Tyler-Smith. 1999. “Attenuation of Green Fluorescent Protein Half-Life in Mammalian Cells.” Protein Engineering 12(12): 1035–40.

D’Hoker, Joke et al. 2013. “Conditional Hypovascularization and Hypoxia in Islets Do Not Overtly Influence Adult B-Cell Mass or Function.” Diabetes 62(12): 4165–73.

Dor, Yuval, Juliana Brown, Olga I Martinez, and Douglas A Melton. 2004. “Adult Pancreatic Beta-Cells Are Formed by Self-Duplication Rather than Stem-Cell Differentiation.” Nature 429(6987): 41–46.

Eberhard, Daniel, and Eckhard Lammert. 2009. “The Pancreatic β-Cell in the Islet and Organ Community.” Current Opinion in Genetics and Development 19(5): 469–75.

Georgia, Senta, and Anil Bhushan. 2004. “β Cell Replication Is the Primary Mechanism for Maintaining Postnatal β Cell Mass.” Journal of Clinical Investigation 114(7): 963–68.

Geron, Erez, Sigalit Boura-Halfon, Eyal D. Schejter, and Ben Zion Shilo. 2015. “The Edges of Pancreatic Islet β Cells Constitute Adhesive and Signaling Microdomains.” Cell Reports 10(3): 317–25.

Grün, Dominic et al. 2016. “De Novo Prediction of Stem Cell Identity Using Single-Cell Transcriptome Data.” Cell Stem Cell 19(2): 266–77.

Guney, Michelle A. et al. 2011. “Connective Tissue Growth Factor Acts within Both Endothelial Cells and β Cells to Promote Proliferation of Developing β Cells.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108(37): 15242–47.

Huo, Lili et al. 2016. “Life Expectancy of Type 1 Diabetic Patients during 1997–2010: A National Australian Registry-Based Cohort Study.” Diabetologia 59(6): 1177–85.

Lammert, E., O. Cleaver, and D. Melton. 2001. “Induction of Pancreatic Differentiation by Signals from Blood Vessels.” Science 294(5542): 564–67.

Lammert, E et al. 2003. “Role of VEGF-A in Vascularization of Pancreatic Islets.” Current Biology 13(12): 1070–74.

Lewandoski, M. 2001. “Conditional Control of Gene Expression in the Mouse.” Nature Reviews Genetics 2(10): 743–55.

Mazzetti, S. et al. 2004. “Lycopersicon Esculentum Lectin: An Effective and Versatile Endothelial Marker of Normal and Tumoral Blood Vessels in the Central Nervous System.” European journal of histochemistry : EJH 48(4): 423–28.

Meier, J et al. 2008. “Beta-Cell Replication Is the Primary Mechanism Subserving the Postnatal Expansion of Beta-Cell Mass in Humans.” Diabetes 57(6): 1584–94.

Muraro, Mauro J. et al. 2016. “A Single-Cell Transcriptome Atlas of the Human Pancreas.” Cell Systems 3(4): 385-394.e3.

Murtaugh, L Charles. 2007. “Pancreas and Beta-Cell Development : From the Actual to the Possible.” Development 134(3): 427–38.

Nikolova, Ganka et al. 2006. “The Vascular Basement Membrane: A Niche for Insulin Gene Expression and β Cell Proliferation.” Developmental Cell 10(3): 397–405.

Noble, Janelle A., and Ana M. Valdes. 2011. “Genetics of the HLA Region in the Prediction of Type 1 Diabetes.” Current Diabetes Reports 11(6): 533–42.

Papatheodorou, Konstantinos et al. 2016. “Complications of Diabetes 2016.” Journal of Diabetes Research 2016(6989453.).

Perl, Shira Y. et al. 2010. “Significant Human β-Cell Turnover Is Limited to the First Three Decades of Life as Determined by in Vivo Thymidine Analog Incorporation and Radiocarbon Dating.” Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 95(10): E234–39.

Polonsky, William H. 1999. Diabetes Burnout: What to Do When You Can’t Take It Anymore. American Diabetes Association Inc.

Reers, Christina et al. 2009. “Impaired Islet Turnover in Human Donor Pancreata with Aging.” Eur J endocrinol. 160(2): 185–91.

Reneker, Lixing W., Huiyi Chen, and P. A. Overbeek. 2011. “Activation of Unfolded Protein Response in Transgenic Mouse Lenses.” Investigative Ophthalmology and Visual Science 52(5): 2100–2108.

Rewers, Marian, and Johnny Ludvigsson. 2016. “Environmental Risk Factors for Type 1 Diabetes.” The Lancet 387(10035): 2340–48.

Riley, Kimberly G. et al. 2015. “Connective Tissue Growth Factor Modulates Adult β-Cell Maturity and Proliferation to Promote β-Cell Regeneration in Mice.” Diabetes 64(4): 1284–98.

Roh, Ji Yeol et al. 2013. “Modification of Enhanced Green Fluorescent Protein for Secretion out of Cells.” Biotechnology and Bioprocess Engineering 18(6): 1135–41.

Ryan, Edmond A et al. 2002. “Successful Islet Transplantation: Continued Insulin Reserve Provides Long-Term Glycemic Control.” Diabetes 51(7): 2148–57.

Ryding, A. D.S., M. G.F. Sharp, and J. J. Mullins. 2001. “Conditional Transgenic Technologies.” Journal of Endocrinology 171(1): 1–14.

Scaglia, L, C J Cahill, D T Finegood, and S Bonner-Weir. 1997. “Apoptosis Participates in the Remodeling of the Endocrine Pancreas in the Neonatal Rat.” Endocrinology 138(4): 1736‐1741.

Schindelin, Johannes et al. 2009. “Fiji - an Open Platform for Biological Image Analysis.” Nature Methods 9(7): 676–82.

Sharma, Rohit B et al. 2015. “Insulin Demand Regulates Beta Cell Number via the Unfolded Protein Response.” J Clin Invest 125(10): 3831–46.

Staels, Willem et al. 2017. “Conditional Islet Hypovascularisation Does Not Preclude Beta Cell Expansion during Pregnancy in Mice.” Diabetologia 60(6): 1051–56.

Strowitzki, M. J., E. P. Cummins, and C. T. Taylor. 2019. “Protein Hydroxylation by Hypoxia-Inducible Factor (HIF) Hydroxylases: Unique or Ubiquitous?” Cells 8(5): 384.

Szabat, Marta et al. 2016. “Reduced Insulin Production Relieves Endoplasmic Reticulum Stress and Induces β Cell Proliferation.” Cell Metabolism 23(1): 179–93.

Thorel, Fabrizio et al. 2010. “Conversion of Adult Pancreatic α Alpha-Cells to Beta-Cells after Extreme Beta-Cell Loss.” Nature 464(7292): 1149–54.

Universiteit of Hogeschool
Molecular and Cellular Life Sciences
Publicatiejaar
2020
Promotor(en)
Prof. Dr. Nico De Leu
Kernwoorden
Share this on: