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Avril 2006

La longue histoire du sucre sanguin



  2. Du principe antidiabétique à l'hormone transgénique

Vers les découvertes capitales du vingtième siècle

À la fin du dix-neuvième siècle, on commence seulement à soupçonner l’importance des glandes à sécrétion interne, celles qui sont dépourvues de canal excréteur. Si la notion de sécrétion interne a été établie par C. Bernard en 1856 à propos du glucose, libéré dans la circulation par le foie, c’est en 1892 que le médecin anglais, George Redmayne Murray (1865-1939), démontre, malgré le scepticisme de la communauté médicale, que l’administration d’extraits de glande thyroïde de mouton à un patient atteint de myxœdème (maladie due au dysfonctionnement de la glande thyroïde) permet de supprimer les symptômes. Il réussit même à maintenir son patient en bonne santé pendant vingt-huit ans ! Ainsi, ce type de glande agit en sécrétant une substance chimique dans le sang. Cependant, il faudra attendre 1914  pour qu’Edward C. Kendall réussisse à isoler 35 grammes d’hormone thyroïdienne à partir de trois tonnes de thyroïde de bœuf.

Pour la première fois, en 1889, le médecin français Raphaël Lépine (1840-1919), fondateur de La revue de médecine et des Archives de médecine expérimentale, expose la conception d’un pancréas à sécrétion interne contrôlant la concentration sanguine en glucose. Il décrit en outre, en 1895, une forme de diabète très particulière liée à un défaut de réabsorption du glucose au niveau des reins. Pour l’anecdote, Raphaël est le frère du célèbre préfet Louis Lépine dont le fameux concours porte encore aujourd’hui le nom. Mais c’est seulement en 1893 que l’expérimentation va démontrer, de façon incontestable, l’existence de cette sécrétion interne quand Hédon constate qu’un petit fragment de pancréas greffé sous la peau d’un chien suffit à empêcher le diabète expérimental résultant de l’ablation du pancréas. Il remarque, de plus, que l’action du greffon dépend de sa vascularisation, ce qui conforte la notion de sécrétion interne, même si les cellules sécrétrices correspondantes restent inconnues.

Diamare, en 1889, et Laguesse, en 1893, après une étude exhaustive des pancréas de vertébrés, établissent le lien entre les îlots décrits par Langerhans en 1869 et l’action antidiabétique du pancréas. Pourtant, à l’époque, beaucoup de spécialistes restent convaincus de la primauté des régimes alimentaires pour soigner le diabète sucré. Il faut dire qu’à l’occasion de la famine due au siège de Paris en 1870, Apollinaire Bouchardat (1806-1886), pharmacien et chimiste français, avait déjà remarqué que le rationnement alimentaire, de même que l’exercice physique, se traduisait par une disparition de la glycosurie chez les diabétiques. Mais si ce régime se révèle efficace chez les adultes diabétiques, il n’empêche pas de mourir les enfants. Ceci conduit le médecin français Étienne Lancereaux (1829-1910) à distinguer, en 1870, le diabète juvénile maigre du diabète gras de l’adulte, ce qui correspond à la classification actuelle en diabète de type I (diabète insulinodépendant) et de type II (diabète non insulinodépendant).

Les nouvelles idées sur les glandes à sécrétion interne conduisent à diverses tentatives pour obtenir un extrait de pancréas doué d’action antidiabétique. Les expériences deviennent plus faciles à interpréter car le dosage du glucose sanguin et urinaire est devenu nettement plus fiable. En 1906, Ludwig Zuelzer utilise un extrait de pancréas de lapin pour traiter le coma diabétique et, 10 ans plus tard, un médecin roumain, Nicolas Paulescu, parvient à traiter un chien diabétique avec un extrait alcoolique de pancréas qu’il appelle Pancréine. Malgré la confirmation de ces résultats, en 1919, par Kleiner et Meltzer, ils restent controversés. En effet, certains extraits, vraisemblablement contaminés, sont toxiques. D’autres produisent des effets secondaires importants voire des états de choc. On se rend compte que, lors des tentatives d’extraction d’un hypothétique principe antidiabétique, les enzymes du suc pancréatique détruisent la plupart des substances de l’extrait.

La découverte de l’insuline

L’avancée décisive se produit en 1921 quand, à la lecture d’un article mentionnant que la ligature du canal pancréatique entraîne la destruction des cellules qui sécrètent le suc pancréatique mais pas celles des îlots de Langerhans, Grant Banting (1891-1941), un canadien maître de conférences en physiologie, écrit dans son carnet : « ligaturer le canal pancréatique de chiens. Attendre six à huit semaines. Prélever et extraire ». En juillet 1921, il obtient du professeur Mc Leod (1876-1935), physiologiste à l’université de Toronto, les moyens de tester son hypothèse. Un jeune diplômé canadien, Charles Herbert Best (1899-1978) lui est adjoint pour réaliser les dosages de glucose dans le sang et l’urine des chiens en expérience. Malgré la perte de plusieurs animaux, notamment en raison d’infections, c’est un succès. Mc Leod apporte tout son soutien au projet d’isolement de l’« isletine » qui deviendra l’insuline. Un autre chercheur canadien, James Bertram Collip (1892-1965), se joint à l’entreprise. L’équipe utilise aussi du pancréas embryonnaire parce qu’il ne produit quasiment pas de suc digestif. Diverses méthodes d’extraction et diverses méthodes d’administration (orale, intraveineuse, sous cutanée) sont aussi testées et Collip introduit la mesure de l’acétone sanguine et du glycogène hépatique pour suivre la réponse du foie aux injections d’extrait pancréatique. C’est encore lui qui découvre, en 1922, une méthode de précipitation progressive des extraits pancréatiques par l’alcool permettant une purification suffisante pour ne pas provoquer d’effets secondaires. Les essais cliniques vont alors se multiplier et les résultats sont positifs.
C’est le nom de Leonard Thompson qui restera dans l’histoire. Il est le premier être humain à recevoir une injection d’extrait pancréatique contenant de l’insuline. Ce jeune homme de 14 ans, hospitalisé avec une glycémie de 5 g/L et émettant 3 à 5 litres d’urine par jour, reçut des extraits purifiés de pancréas qui firent passer l’élimination quotidienne de glucose par les urines de 100 g à 7,5 g. En mai 1922, la découverte de l’insuline est annoncée officiellement par Mc Leod. Fait exceptionnel consacrant l’importance de cette découverte, le prix Nobel est attribué dès l’année suivante à Mc Leod et Banting. Tout aussi exceptionnelle est la volonté affichée de ces derniers de partager leur prix avec Best et Collip qui n’ont pas été récompensés par le comité Nobel.

La même année, Murlin et Kimball postulent la sécrétion, par le pancréas endocrine, d’une hormone aux effets antagonistes de ceux de l’insuline, pour laquelle ils proposent le nom de glucagon. Mais c’est seulement en 1954 que le glucagon est isolé sous forme cristallisée par A. Staub qui démontre que, à l’instar de l’insuline, il s’agit d’une protéine. D’autres hormones provoquent la libération de glucose par le foie, comme l’adrénaline et les glucocorticoïdes, hormones libérées en cas de stress. Mais le couple antagoniste insuline – glucagon joue un rôle essentiel dans le contrôle de la glycémie parce qu’il est mis en jeu directement par les cellules sécrétrices elles-mêmes qui mesurent en permanence la concentration sanguine en glucose. Lorsque la glycémie augmente, après un repas, c’est l’insuline, hypoglycémiante, qui est sécrétée, lorsque la glycémie diminue, lors d’un exercice, c’est le glucagon, hyperglycémiant, qui est sécrété.

De la recherche fondamentale à la production industrielle

Dès l’année 1923, aux États Unis, les laboratoires Eli Lilly commencent à produire industriellement l’insuline extraite de pancréas de bœuf et de porc. Elle est obtenue sous forme cristallisée par Abel en 1926 et sa structure tridimensionnelle est établie par cristallographie aux rayons X en 1935. Pourtant, la séquence des acides aminés de cette hormone protéique ne sera révélée qu’en 1954 par Frederic Sanger. C’est la première fois qu’est déterminée la séquence des acides aminés constituant une protéine, prouesse scientifique qui lui vaut le prix Nobel de chimie en 1958. Sanger recevra de nouveau en 1980 le prix Nobel de chimie pour avoir établi la première séquence complète de l’ADN d’un génome, celui du virus bactériophage lambda. Seules trois personnes au monde ont reçu deux fois le prix Nobel.

Si une insuline de synthèse est obtenue en 1964 par Panatotis et Kastoyannis, à l’université de Pittsburgh (USA), c’est davantage un exploit technique qu’une avancée commerciale, en raison de son coût. On découvre aussi d’autres substances qui peuvent aider à soigner les diabétiques. Ainsi, dès 1946, les premiers sulfamides hypoglycémiants, stimulants de la sécrétion d’insuline destinés aux diabétiques de type II (non insulinodépendants), sont découverts lorsque l’on remarque que leur administration, en tant que bactériostatiques, entraîne une hypoglycémie.

L’insuline extraite de pancréas de bœuf et de porc permettra de changer la vie de millions de diabétiques de type I et de faire la fortune des laboratoires qui la produisent. D’autres formes vont être mises au point au cours des années suivantes, comme l’insuline à action prolongée permettant de limiter le nombre d’injections et, plus récemment, l’insuline ultra rapide. En 1940, la société qui deviendra Bayer, met au point la première bandelette de détection du glucose urinaire. Dans les années suivantes, d’autres progrès techniques vont améliorer la vie des diabétiques de type I. Arthur E. Smith invente la seringue jetable et Roehr Products commercialise vers 1955 les premières seringues jetables en plastique sous le nom de Monoject. Cette idée fera aussi la fortune de Becton Dickinson, une firme américaine qui deviendra le plus gros producteur de seringues jetables. Des autopiqueurs, des lecteurs automatiques de bandelettes pour la mesure du glucose sanguin sont aussi développés et, plus récemment, des pompes à insuline portables.

La qualité de l’insuline d’extraction s’améliore au cours des années : dans les année 1970, l’insuline de porc est humanisée en modifiant le seul acide aminé qui la distingue de l’insuline humaine. En 1978, les laboratoires Eli Lilly réussissent le clonage du gène humain de l’insuline, étape importante pour produire de l’insuline par génie génétique. En 1982, la première insuline humaine obtenue par expression du gène humain dans une bactérie, apparaît sur le marché. Contrairement aux insulines extraites de pancréas animaux, celle-ci est véritablement de l’insuline humaine. En 1986, les laboratoires Novo choisissent la levure Saccharomyces cerevisiae plutôt que le colibacille pour exprimer le gène humain de l’insuline et obtenir l’hormone industriellement.

Et demain ?

D’autres travaux de recherche fondamentale menés à partir des années 1970 ont d’abord permis de localiser les récepteurs à insuline à la surface des cellules cibles du foie et du muscle, en marquant l’insuline radioactivement. On a découvert ensuite qu’il s’agit d’une famille de récepteurs – enzymes, inconnus jusque là, appelés récepteurs à tyrosine kinase, dont on sait aujourd’hui qu’il en existe une large variété, plus de cinquante, répartis en une vingtaine de familles différentes. Lorsqu’ils se lient à l’insuline, les récepteurs déclenchent une cascade d’événements intracellulaires aboutissant à la modulation de diverses enzymes et de gènes. Les récepteurs passent ensuite à l’intérieur de la cellule cible où ils sont recyclés. Aujourd’hui, les recherches portent notamment sur de nouvelles molécules, ciblant de façon de plus en plus fine les récepteurs, comme certains analogues de l’insuline. Parallèlement, de nouveaux traitements médicaux des séquelles du diabète, comme les complications ophtalmologiques et rénales ont été mis au point ainsi que la greffe du pancréas. Aujourd’hui, les personnes atteintes de diabète sont très nombreuses car les connaissances accumulées dans ce domaine permettent, le plus souvent, de les garder en vie alors que, dans le passé, leur espérance de vie était souvent limitée. Elles espèrent cependant que les progrès vont continuer pour atténuer les effets et les séquelles de l’affection.

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L’EXPÉRIENCE

Rechercher le glycogène du foie

1. Comment montrer la présence de glycogène dans le foie ?

Le glycogène est une macromolécule, un polymère de glucose, présent chez de nombreux animaux et chez les champignons. Il constitue une forme de stockage du glucose. Chez les vertébrés, le foie est le principal site de stockage du glycogène avec les muscles. La structure moléculaire du glycogène est proche de celle de l'amidon, forme de stockage du glucose rencontrée chez les végétaux chlorophylliens, ce qui lui a valu d'être longtemps qualifié d'amidon animal.
L'iode se fixe aux polymères du glucose en formant un complexe coloré. Avec l'amidon le complexe est bleu-violacé tandis qu'avec le glycogène, il est brun-acajou.
Le liquide de broyage d'un fragment de foie contient du glycogène qui peut être mis en évidence directement par la coloration brune qu'il donne avec l'iode.

Matériel
Un peu de foie frais ou congelé (boeuf, porc, veau, volaille). Un cube de 3 cm de côté suffit. Petits ciseaux ou lame de rasoir. Soucoupe. Eau iodée, teinture d'iode ou n'importe quel désinfectant à base d'iode, type Bétadine®. Filtre à café, entonnoir, flacon (pot de yaourt), 2 tubes, pilon ou petite cuillère.

Comment procéder ?

Réduire l'échantillon de foie en purée en le découpant finement avec les ciseaux directement dans la soucoupe. Si on utilise une lame de rasoir, hacher finement l'échantillon sur une planchette. Récupérer la purée dans un récipient. Ajouter un peu d'eau et écraser les fragments de foie autant que possible avec une petite cuillère ou un pilon. Filtrer le broyat et verser le filtrat dans un tube. Verser le même volume d'eau dans l'autre tube. Ajouter quelques gouttes de la solution iodée dans chaque tube et mélanger par retournement en bouchant avec le pouce.

Résultats

L'eau prend la couleur jaune de l'iode libre tandis que l'extrait de foie montre une coloration brune caractéristique du glycogène. La même démonstration est possible sur du muscle ou sur des mollusques (huître, moule).
Selon l'origine du foie et la date de l'abattage, la quantité de glycogène présent dans les cellules du foie est extrêmement variable.


Extrait de foie de poulet + solution iodée à gauche ; eau + solution iodée à droite

2. Observer les cellules du foie qui stockent le glycogène

Dans les cellules du foie, le glycogène forme des granulations qui se colorent en brun en présence d'iode. En étalant des cellules de foie frais provenant du boucher (le foie congelé ne convient pas, les cellules sont détruites) dans une solution contenant de l'iode (teinture d'iode, eau iodée) on peut observer au microscope les granulations de glycogène.

Matériel

Microscope, foie frais (lapin, mouton, porc, génisse, veau, poulet, etc.), couteau, lames de microscopie, lamelles, teinture d'iode ou eau iodée, glycérol (glycérine), compte gouttes.

Comment procéder ?

  • Couper un petit morceau de foie et gratter avec la pointe du couteau la surface de la section de façon à déposer sur une lame de microscope un échantillon de la taille d'une tête d'allumette.
  • Dissocier au maximum l'échantillon avec le couteau pour séparer les cellules puis recouvrir d'une goutte de colorant, eau iodée ou teinture d'iode (pour colorer le glycogène). 
  • Laisser agir environ une à plusieurs minutes (faire des tests).
  • Déposer une goutte de glycérine (glycérol) et bien mélanger avec la pointe du couteau. Le glycérol évite l’évaporation du milieu de montage.
  • Poser une lamelle sur l’échantillon et placer l’ensemble sur une feuille de papier essuie-tout qui servira à essorer le trop plein de liquide.
  • Utiliser une autre feuille pour presser sur la lamelle en effectuant quelques mouvements latéraux de façon à dissocier les cellules en prenant garde de ne pas casser la lamelle.
  • Si nécessaire, essuyer la surface de la lamelle.
  • Observer au microscope à faible grossissement pour rechercher les régions de la préparation où les cellules sont dissociées et suffisamment colorées.
Selon l'origine du foie et la date de l'abattage, la quantité de glycogène présent dans les cellules du foie est extrêmement variable.

Résultats
Cellules du foie (lapin). Grossissement 400 X
Cellules du foie (lapin). Grossissement 1000


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