Abstract
Nous avons examiné les effets d’un traitement au sulfate de vanadium (VOSO4) à 5 et 10 mg/kg pendant 30 jours sur l’activité endocrine du pancréas et l’histologie chez des rats non diabétiques et diabétiques induits par le STZ. Dans le groupe diabétique, les niveaux de glucose sanguin ont augmenté de manière significative tandis que le niveau d’insulinémie a diminué de manière significative. À la fin du traitement, VOSO4 à la dose de 10 mg/Kg a normalisé le niveau de glucose sanguin dans le groupe diabétique, a restauré l’insulinémie et a amélioré de manière significative la sensibilité à l’insuline. Le VOSO4 a également augmenté de manière dose-dépendante le nombre de cellules bêta insulino-immunopositives dans les îlots pancréatiques de rats non diabétiques. De plus, dans le groupe STZ-diabétique, la diminution du nombre de cellules bêta immunopositives à l’insuline a été corrigée pour atteindre le niveau de contrôle principalement avec la dose la plus élevée de vanadium. Par conséquent, le traitement par VOSO4 a normalisé les taux de glucose et d’insuline plasmatiques et a amélioré la sensibilité à l’insuline dans le diabète expérimental STZ et a induit la prolifération et/ou la régénération des cellules bêta chez les rats normaux ou diabétiques.
1. Introduction
Le vanadium est un métal de transition. On estime que plus de 60 mille tonnes de cet élément sont émises dans l’atmosphère chaque année à la suite d’activités humaines provenant principalement de la combustion de combustibles fossiles .
Après avoir pénétré dans le système circulatoire via les voies gastro-intestinales ou respiratoires, les composés du vanadium sont transportés par la transferrine ou, plus rarement, par l’albumine ou les composants de faible poids moléculaire du plasma, tels que les citrates et, dans une moindre mesure, les lactates ou les phosphates . De nombreuses études ont été menées sur les dérivés inorganiques et organiques du vanadium dans des modèles animaux de diabète induit, dans lesquels les composés étudiés se sont avérés avoir un impact sur les niveaux de glucose, de cholestérol et de triglycérides, sans effets secondaires nocifs significatifs lors d’une administration prolongée. De nombreuses expériences ont également été réalisées chez des patients diabétiques, confirmant l’effet thérapeutique des composés du vanadium sur les niveaux de glucose sanguin avec peu d’effets toxiques .
Il a été démontré que le vanadium (y compris le vanadyle et le vanadate) réduit le niveau de glucose sanguin en stimulant la glycogenèse, l’absorption du glucose et le métabolisme et en inhibant la formation de glucose via la gluconéogenèse et la glycogénolyse hépatiques . Il a été constaté que le vanadium et ses composés présentent une activité semblable à celle de l’insuline en imitant les actions de l’insuline par l’intermédiaire des voies d’activation de la tyrosine kinase du récepteur de l’insuline et de la cascade de phosphorylation des kinases. Par conséquent, le sulfate de vanadyle a été proposé comme agent thérapeutique pour le traitement du diabète de type 1. Le traitement par la streptozotocine (STZ) détruit les cellules bêta productrices d’insuline du pancréas et les rats diabétiques induits par la STZ sont considérés comme un modèle de diabète sucré de type 1. Bien qu’il ait été démontré que les composés du vanadium ont des propriétés antidiabétiques dans le modèle diabétique induit par le STZ, le mécanisme de leurs actions reste actuellement à l’étude. L’objectif de cette étude était d’étudier les réponses de 30 jours de traitement avec du sulfate de vanadium chez des rats non diabétiques et diabétiques induits par le STZ.
2. Matériaux et méthodes
2.1. Préparation des rats diabétiques
Les animaux ont été rendus diabétiques par une injection intrapéritonéale (ip) de STZ à une dose unique de 65 mg/Kg dans un tampon citrate 0,01 M (pH 4,5). Cette méthode ip a été choisie sur la base de rapports récents qui ont démontré un effet prononcé d’augmentation du glucose chez les rats diabétiques STZ .
2.2. Animaux et traitement
Des rats Wistar mâles, âgés de 5 à 6 semaines (pesant 175 à 200 g), ont été achetés à l’Institut Pasteur de Tunisie et utilisés conformément au Comité d’éthique local de l’Université de Tunis pour l’utilisation et le soin des animaux conformément aux recommandations du NIH. Ils ont reçu de la nourriture (régime standard de granulés – Badr Utique-TN) et de l’eau ad libitum et ont été logés à cinq par cage sous une température collectée (22°C) avec un cycle lumière-obscurité de 12 heures. Les rats ont été divisés en six groupes.
Le groupe 1 était des animaux témoins non diabétiques (contrôle ND) et a reçu quotidiennement une injection intrapéritonéale (ip) de NaCl 9. Les groupes 2 et 3 étaient ND et ont reçu quotidiennement une dose de 5 ou 10 mg de VOSO4/Kg, respectivement (ND + 5 mg/Kg et ND + 10 mg/Kg), pendant 30 jours. Le groupe 4 était un contrôle diabétique (contrôle D) auquel on a injecté une dose unique de 65 mg/Kg de STZ. Les groupes 5 et 6 comprenaient des animaux diabétiques STZ traités avec 5 ou 10 mg/Kg de VOSO4 pendant 30 jours, respectivement (D + 5 mg/Kg, D + 10 mg/Kg). Les groupes STZ ont été traités par le VOSO4 après 48 heures de diabète induit par la STZ.
2.3. Analyses biochimiques
Tous les animaux ont été mis à jeun 12 heures avant la détermination de la glycémie par un glucomètre (ACCU-CHEK-Active Roche). La sensibilité à l’insuline a été mesurée après injection ip de 1 U/Kg d’insuline et la glycémie a été déterminée à intervalles de 30 min pendant 2 heures en pourcentage du taux d’hormone à .
Les animaux ont été sacrifiés après 24 heures du dernier traitement et le sang a été collecté et le sérum a été traité pour l’estimation de l’insuline qui a été déterminée par le kit Elisa (distribué par BioVendor).
2.4. Évaluation immunohistochimique
Une coloration immunohistochimique de l’insuline a été réalisée afin de caractériser l’intégrité des cellules bêta des îlots de Langerhans. Pour cela, des sections de tissus présentant la plus grande surface maximale des îlots de Langerhans ont été sélectionnées pour les comparaisons entre les groupes. Les sections ont d’abord été déparaffinées, hydratées à travers une série décroissante d’éthanol, immergées dans un tampon citrate (pH 6) pendant 40 min, puis incubées avec un anticorps polyclonal anti-insuline de cobaye dilué dans 50 mM Tris-HCl, pH 7,6 (DAKO). Après lavage, les sections ont été incubées avec un anticorps anti-porc de Guinée conjugué à la phosphatase et la procédure de révélation a été assistée par la machine TechMate 500. Enfin, les sections ont été colorées à l’hématoxyline/éosine.
Dix îlots pancréatiques par rat ont été examinés au microscope et le nombre de cellules insulino-positives et insulino-négatives a été compté en numérotant leurs noyaux. Les données sont exprimées en pourcentage de cellules immunopositives à l’insuline/nombre total de cellules dans chaque îlot.
2.5. Analyse statistique
La significativité de la différence entre les divers groupes a été évaluée par une analyse de variance à sens unique (ANOVA) suivie du test de comparaison multiple de Tukey, et la valeur a été considérée comme significative au niveau.
3. Résultats
L’effet du traitement par VOSO4 sur la glycémie des rats non diabétiques (ND) et diabétiques (D) est illustré dans la figure 1. Il n’y a pas eu de changements significatifs dans les niveaux de glucose sanguin dans le groupe témoin ND pendant le traitement (Figure 1(a)). Le traitement des rats ND avec VOSO4 à 5 ou 10 mg/Kg n’a pas modifié de manière significative les niveaux de glucose sanguin pendant les 10 premiers jours. Cependant, la glycémie a diminué de manière significative à la fin du traitement avec la dose de 5 mg/Kg et a été réduite de manière significative de 15 à 30 jours avec la dose de 10 mg/Kg par rapport au groupe ND témoin. Au 30ème jour, la diminution de la glycémie était d’environ 8 et 15%, respectivement, pour les doses de 5 et 10 mg/Kg par rapport au groupe témoin. Comme on pouvait s’y attendre, une augmentation notable de la glycémie a été observée chez les rats témoins traités par STZ par rapport aux animaux non traités ( versus mg/dL) indiquant une installation du diabète qui s’est maintenue pendant toute l’expérience. Le traitement du groupe diabétique (D) avec 5 mg/Kg de VOSO4 a réduit significativement le niveau de glucose sanguin à partir du jour 10 tandis qu’une dose de 10 mg/Kg a diminué significativement et progressivement le niveau de glucose sanguin à partir du jour 5 pour atteindre un niveau normal au jour 30. Les valeurs notées de la glycémie à 30 jours étaient et par rapport à mg/dL, respectivement, dans les groupes D + 5, D + 10 et le groupe D témoin (Figure 1(b)).
Le tableau 1 a montré les niveaux d’insuline dans les groupes ND et D sans et après traitement par VOSO4. Les rats ND traités avec 5 mg/Kg de VOSO4 n’ont pas montré de changements significatifs du niveau d’insulinémie, mais une augmentation marquée a été obtenue avec 10 mg/Kg par rapport au groupe ND témoin ( versus µg/L). De plus, dans le groupe D, l’insulinémie a été profondément réduite par rapport aux animaux du groupe ND ( versus µg/L). L’administration de VOSO4 dans les groupes D a augmenté de façon marquée l’insulinémie de manière dose-dépendante. En effet, les taux d’insuline ont été augmentés chez les rats diabétiques de à et µg/L avec, respectivement, des doses de 5 mg et 10 mg/Kg.
Les modifications des sensibilités à l’insuline après l’injection ip d’insuline (1 U/Kg) chez les animaux normaux et traités pour le diabète sont présentées dans la figure 2. Chez les rats ND, le traitement par 10 ou 5 mg de VOSO4 n’a pas modifié le profil glycémique en réponse à l’administration d’insuline (Figure 2(a)). En effet, dans ces groupes, l’effet hypoglycémique maximal de l’insuline a été observé à 60 et 90 min, respectivement, et correspondait à peu près à la valeur initiale de la glycémie. Les animaux diabétiques traités avec la faible dose de VOSO4 ont montré un profil de glycémie similaire à celui du groupe témoin D avec une diminution maximale à 60 min, tandis que ceux traités avec la forte dose ont présenté une diminution maximale significative () et rapide de la glycémie à 30 min après l’injection d’insuline (Figure 2(b)).
Dans les groupes traités avec VOSO4, la taille des îlots pancréatiques a été observée comme étant plus grande par rapport à leurs groupes témoins respectifs ND et D (Figures 3 et 4). Les analyses statistiques ont montré que les traitements par VOSO4 ont induit une augmentation marquée du nombre de cellules immunopositives à l’insuline d’environ 20% dans les groupes ND + 5 et 27% dans les groupes ND + 10 mg/Kg (Figure 5). Le traitement par VOSO4 a augmenté significativement le nombre de cellules immunopositives à l’insuline dans les groupes STZ-diabétiques de manière dose-dépendante de 12 et 23%, respectivement, avec des doses de 5 et 10 mg/Kg (Figure 5). La comparaison entre les groupes traités par STZ-diabétique et les rats témoins ND n’a indiqué aucune différence significative.
(a)
(b)
(c)
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Coloration immunohistochimique de l’insuline dans les cellules bêta des îlots de Langerhans pancréatiques de rats diabétiques STZ-.de rats diabétiques. Notez qu’il y a plus de cellules immunopositives à l’insuline chez les rats diabétiques STZ traités que chez les rats diabétiques STZ non traités. Contrôle D (a), D traité avec 5 mg/Kg de VOSO4 (b), et D traité avec 10 mg/Kg de VOSO4 (c). Dix îlots par rat ont été analysés. Barre d’échelle : 50 µm.
Effet du sulfate de vanadyle sur le nombre de cellules bêta en %. Les valeurs représentent la moyenne ± SD ; versus contrôle ND ; versus contrôle D ; versus D + 5 mg/Kg. 10 îlots par rat ont été analysés.
4. Discussion
Nous avons étudié les propriétés antidiabétiques du vanadium en explorant ses effets sur la glycémie et l’insuline ainsi que sur les cellules B du pancréas endocrine.
En utilisant des rats diabétiques induits par le STZ, nous avons montré que le traitement avec le sulfate de vanadyle (VOSO4) à 5 et 10 mg/Kg réduisait significativement les niveaux moyens de glucose sanguin au 10ème et 5ème jours, respectivement, par rapport au groupe témoin non traité. Au 30e jour, les rats diabétiques ayant reçu la dose la plus élevée du composé présentaient un niveau de glycémie similaire à celui des animaux témoins ND. Cependant, chez les rats ND, le traitement avec la dose la plus faible de VOSO4 n’a pas modifié de manière significative le niveau de glucose dans le sang, tandis que la dose la plus élevée a induit une diminution faible et progressive au jour 15 du traitement et la glycémie a diminué d’environ 14% au jour 30. Nos résultats sont en accord avec les données précédentes démontrant que l’administration orale de composés de vanadium chez des animaux diabétiques induits par le STZ ou génétiquement hérités ou nutritionnels améliorait significativement l’hyperglycémie . Chez l’homme, Soveid et al. ont rapporté l’innocuité et l’efficacité d’une thérapie orale de sulfate de vanadyle pendant une période de 30 mois chez des patients diabétiques de type 1 en diminuant le besoin d’insuline et le niveau de glucose dans le sang.
Notre étude a également révélé que l’effet hypoglycémique du VOSO4 était accompagné d’une augmentation marquée du niveau d’insulinémie basale dans le groupe diabétique d’une manière dose-dépendante. Avec la dose de 10 mg, le niveau d’insulinémie des rats diabétiques était presque normalisé. En effet, la diminution de la glycémie enregistrée notamment chez les rats diabétiques exposés au composé du vanadium peut être liée à l’augmentation concomitante des concentrations d’insuline plasmatique. Ces résultats sont en accord avec les données précédentes concernant l’efficacité des composés de vanadium dans l’amélioration de l’état diabétique.
En outre, nous avons étudié l’effet de l’administration de vanadium sur la sensibilité à l’insuline chez les rats diabétiques et non diabétiques. Dans les groupes ND, nous avons montré un effet hypoglycémique maximal de l’insuline à 60-90 min après l’introduction de l’hormone. Cependant, dans les groupes D, le traitement par VOSO4 à la dose de 10 mg a amélioré la sensibilité à l’insuline avec une diminution plus rapide et plus prononcée de la glycémie après l’injection de l’hormone alors que la dose de 5 mg n’a pas modifié de manière significative la réponse glycémique des rats D. L’amélioration de la sensibilité à l’insuline induite par le VOSO4 est en accord avec de nombreuses études indiquant que le vanadium peut être considéré comme un puissant mimétique de l’insuline ou un trophique de l’insuline dans divers tissus .
Il a été montré que les composés du vanadium sont caractérisés par de multiples voies d’action entraînant une diminution de la glycémie . Des études in vivo et in vitro ont rapporté que le sulfate de vanadyle augmentait le transport et le métabolisme du glucose dans les muscles squelettiques, le foie et les tissus adipeux . Grâce à leur similarité structurelle avec les anions orthophosphates, les dérivés organiques du vanadium inhibent la protéine phosphotyrosine phosphatase . Ils inhibent également l’activité de la PTP-1B, enzyme responsable de la déphosphorylation du récepteur de l’insuline, provoquant une résistance à l’insuline. Un autre mécanisme de réduction de la glycémie par les composés du vanadium est l’activation de la kinase PKB/Akt qui conduit à l’augmentation de l’absorption du glucose par le transporteur GLUT4. L’activation de PKB/Akt stimule également la phosphorylation de GSK3, ce qui entraîne la stimulation de la synthèse du glycogène. D’autre part, il a été constaté que l’inhibition de la kinase C-jun N-terminale améliore la sensibilité à l’insuline dans le diabète expérimental .
Le vanadium augmente le transport et l’oxydation du glucose ainsi que l’activité tyrosine-kinase du récepteur de l’insuline et exerce des effets semblables à ceux de l’insuline sur les métabolismes du glucose et des lipides par des voies biochimiques insulino-dépendantes ou insulino-indépendantes .
Il est bien connu que le traitement par STZ détruit les cellules bêta des îlots pancréatiques en induisant un diabète sucré insulinodépendant . Ainsi, dans la présente étude, nous avons montré une réduction de la surface des îlots pancréatiques associée à une diminution marquée du nombre de cellules bêta immunoréactives pour l’insuline dans le groupe diabétique par rapport aux animaux témoins non diabétiques. Cependant, dans les groupes ND et D, le traitement par VOSO4 a augmenté la taille des îlots pancréatiques par rapport aux groupes témoins respectifs. Plus important encore, le traitement par VOSO4 des rats diabétiques a augmenté de manière dose-dépendante le nombre de cellules bêta immunopositives à l’insuline par rapport au groupe diabétique non traité, ce qui suggère que VOSO4 peut générer les cellules bêta chez les rats diabétiques induits par le STZ. En fait, le nombre de cellules bêta dans les îlots des rats diabétiques traités par VOSO4 à 5 et 10 mg n’était pas significativement différent de celui du groupe ND. Ceci est en accord avec les recherches précédentes concernant la propriété insulinotrope pancréatique de ce composé . De manière intéressante, le traitement au vanadium a également augmenté de manière significative le nombre de cellules bêta dans les îlots de rats non diabétiques.
Dans un modèle murin de segmentation du pancréas perfusé à l’alloxane, Waguri et al ont rapporté des processus de régénération des cellules bêta à partir de cellules précurseurs extra-îlots. En effet, chez les rats diabétiques STZ, le traitement par VOSO4 pourrait stimuler la prolifération des cellules bêta à partir des cellules endocrines intra-îlot et la différenciation à partir des cellules précurseurs extra-îlot.
En conclusion, la présente étude démontre que le sulfate de vanadyle pourrait être utile comme agent antidiabétique potentiel. Cependant, comme les preuves actuelles sont encore limitées et basées principalement sur des modèles animaux et que l’on sait peu de choses sur les formulations thérapeutiques et les effets secondaires des composés de vanadium, des investigations supplémentaires sur leur utilisation à long terme comme thérapie conventionnelle pour les patients diabétiques sont nécessaires.
Conflit d’intérêts
Les auteurs déclarent qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.
Reconnaissance
Ce travail a été soutenu par le ministère tunisien de l’Enseignement supérieur et de la Recherche scientifique.