Date of Award

4-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Biomedical Sciences

Department

Anatomy

First Advisor

Starling Emerald Bright David

Abstract

Diabetes Mellitus (DM) is a chronic condition characterised by pancreatic β-cell dysfunction and consistently elevated blood glucose levels (hyperglycaemia), either due to the inability of the body to produce any or adequate amounts of insulin or the inability of the body to effectively utilise the produced insulin (i.e., insulin resistance). DM can be classified into 3 main types: Type 1 DM (T1DM), Type 2 DM (T2DM), and Gestational Diabetes Mellitus (GDM). GDM is defined as “hyperglycaemia that is first diagnosed during pregnancy with glucose levels below those considered diagnostic of overt diabetes outside of pregnancy”.

The mature pancreas is a bifunctional organ composed mostly of exocrine tissue organised in acini, and a ductal scaffold. The endocrine tissue, embedded within the exocrine tissue, constitutes about 5% of the pancreas. It consists of cells that produce and secrete several peptide hormones into the bloodstream that mediate the pancreas's regulation of glucose homeostasis. These cells, which all cluster together in the islets of Langerhans, are: α- cells (produce glucagon, Gcg), β-cells (produce insulin, Ins), δ-cells (produce somatostatin), PP- cells (also known as γ cells, produce pancreatic polypeptide), and ɛ-cells (produce ghrelin). Malfunctions in endocrine cells can lead to diseases, for example, malfunctioning in β-cells can lead to DM.

Certain genes, such as Pdx1, Nkx6.1, Nkx2.2, Pax6, and Arx are essential for normal development of the pancreas and glucose metabolism. GDM offspring have a higher risk of developing DM and metabolic diseases in later stages of life. We speculate that this increased risk began as early as embryogenesis. We propose that the hyperglycaemic state during pregnancy alters the expression of genes involved in pancreas development and differentiation. We also speculate that GDM affects the expression of these genes in such a way interfering with the function of those genes in the pathways governing early pancreas organogenesis and development, specially α- and β-cells differentiation and maintenance and foetal pancreatic metabolism, ultimately leading to altered glucose metabolism in the offspring. These changes may be contributing to the increased foetus’s risk of developing metabolic diseases later in life.

Thus, we quantified the expression of the pancreatic islet hormones, Ins and Gcg, through different developmental stages (Embryonic day (E) 13.5, E14.5, E16.5, E18.5 and 1-day old), and investigated some of the key transcription factors involved in pancreatic differentiation and maturation (pancreatic and duodenal homeobox 1 (Pdx1), NK6 homeobox 1 (Nkx6.1), paired box 6 (Pax6), NK2 homeobox 2 (Nkx2.2), aristaless related homeobox (Arx)) through two developmental stages (E18.5, and 1-day old) using immunofluorescence in offspring of control and GDM rats. Then we analysed RNA from these offspring through E18.5 and 1-day old to identify Differentially Expressed Genes (DEGs) and associated pathways. Finally, we verified some of the DEGs using RT-qPCR.

E18.5 GDM embryos exhibited reduced β-cell and increased α-cell number percentages compared to control embryos. They also exhibited reduced expression of Ins and Gcg among other genes. 1-day old GDM pups exhibited macrosomia, glucose intolerance in 60 minutes Intraperitoneal Glucose Tolerance Test (IPGTT) although they were not diabetic, and reduced β-cell and increased α-cell area percentages compared to control pups. They also exhibited a reduction in the percentage of Pdx1+ Ins+, Nkx6.1+ Ins+, Nkx2.2+ Ins+/Gcg+, and Pax6+ Ins+/Gcg+ cells compared to control pups. The DEGs in GDM offspring were associated with insulin secretion (GO:0030073), establishment of protein localisation to extracellular region (GO:0035592), regulation of peptide transport (GO:0090087), response to glucose (GO:0009749), protein maturation (GO:0051604) and protein processing (GO:0016485), and insulin metabolic process (GO:1901142) pathways. This is the first time such research has been conducted to the best of our knowledge. The knowledge gained from this research, and any similar future research, will be of great importance in understanding the specific mechanism(s) contributing to GDM offspring’s increased risk of DM and metabolic diseases. This understanding can be utilised to develop and/or enhance screening protocols, proactive intervention methods, and/or customised treatments.

Arabic Abstract


برمجة التطور الطبيعي للبنكرياس مقابل البنكرياس الذي تم تغير تمثيله الأيضي: تأثير سكري الحمل في الفأر

مرض السكري هو حالة مزمنة تتميز باضطراب وظيفي في خلايا بيتا في البنكرياس وارتفاع مستمر في مستويات الجلوكوز في الدم، إما بسبب عدم قدرة الجسم على إنتاج كميات كافية من الإنسولين أو عدم قدرة الجسم على استخدام الإنسولين المنتج بفعالية (أي مقاومة الإنسولين). يمكن تصنيف مرض السكري إلى 3 أنواع رئيسية: مرض السكري من النوع 1 (T1DM)، مرض السكري من النوع 2 (T2DM)، ومرض سكري الحمل (GDM). يُعرف مرض سكري الحمل بأنه فرط السكر في الدم الذي يتم تشخيصه لأول مرة أثناء الحمل بمستويات الجلوكوز أقل من تلك التي تعتبر تشخيصية للسكري الواضح خارج فترة الحمل.

البنكرياس الناضج هو عضو ثنائي الوظيفة يتألف في الغالب من الأنسجة الإفرازية المنظمة في الحويصلات البنكرياسية، والهيكل القنوي للبنكرياس. تشكل الخلايا الهرمونية في البنكرياس، المضمنة في الأنسجة الإفرازية، حوالي 5% من البنكرياس. تتكون الخلايا الهرمونية من الخلايا التي تنتج وتفرز عدة هرمونات تنتدب إلى الدورة الدموية تؤدي إلى تنظيم البنكرياس لتوازن الجلوكوز. هذه الخلايا، التي تتجمع جميعها في جزر لانجرهانز، هي: خلايا ألفا (تنتج الجلوكاجون، Gcg)، وخلايا بيتا (تنتج الإنسولين، Ins)، وخلايا دلتا (تنتج السوماتوستاتين)، وخلايا PP (المعروفة أيضاً باسم خلايا γ (الببتيد البنكرياسي)، وخلايا ε (تنتج الغريلين). يمكن أن يؤدي الخلل في الخلايا الهرمونية إلى نشأة الأمراض. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي العيب في خلايا بيتا إلى مرض السكري.

بعض الجينات، مثل Pdx1 و Nkx6.1 و Nkx2.2 و Pax6 و Arx، ضرورية للتطور الطبيعي للبنكرياس وأيض الجلوكوز. يتمتع أطفال الأمهات المصابات بمرض سكري الحمل بمخاطر أعلى للإصابة بمرض السكري والأمراض الأيضية في مراحل لاحقة من الحياة. نعتقد أن هذا الخطر المتزايد يبدأ في وقت مبكر مثل فترة تطور الجنين. نقترح أن زيادة الجلوكوز في الدم أثناء الحمل تؤثر على تعبير الجينات المعنية في تطور وتميز البنكرياس، ونفترض أن مرض سكري الحمل يؤثر على تعبير هذه الجينات بطريقة تتداخل مع وظيفة تلك الجينات في المسارات التي تحكم تكوين وتطور البنكرياس في مراحله المبكرة، خاصة في تمايز وصيانة خلايا ألفا وبيتا وأيض الجنين، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى تغيير استقلاب الجلوكوز في النسل. قد تساهم هذه التغيرات في زيادة خطر الجنين للإصابة بأمراض الأيض في مراحل لاحقة من الحياة.

لذلك، قمنا بقياس تعبير هرمونات جزر لانجرهانز، الإنسولين والجلوكاجون، عبر مراحل تطور مختلفة (الأيام الجنينية 13.5، 14.5، 16.5، 18.5 وعمر يوم واحد)، وبحثنا في بعض عوامل التشغيل الوراثي الرئيسية المعنية في تمايز البنكرياس ونضجه (Pax6، Arx، Nkx2.2، Nkx6.1، Pdx1) عبر مرحلتين تطوريتين (اليوم الجنيني 18.5 وعمر يوم واحد) باستخدام تقنية الإشعاع المناعي في أجنة/صغار الجرذ من مجموعة الضوابط ومجموعة سكري الحمل. ثم قمنا بتحليل الحمض الريبونوكليكي (RNA) من هذه الأجنة/صغار الجرذان في اليوم الجنيني 18.5 وعمر يوم واحد لتحديد الجينات ذات التعبير المختلف (DEGs) والمسارات البيولوجية المرتبطة بهذه الجينات. أخيراً، قمنا بالتحقق من بعض DEGs باستخدام تقنية RT-qPCR.

أظهرت أجنة سكري الحمل في اليوم الجنيني 18.5 نقصاً في نسبة خلايا بيتا وزيادة في نسبة خلايا ألفا مقارنة بأجنة المجموعة الضابطة. كما أظهرت نقصاً في تعبير الإنسولين والجلوكاجون والعديد من الجينات الأخرى. أظهرت جرذان سكري الحمل في عمر يوم واحد تضخماً في الجسم وعدم التحمل للجلوكوز في الدقيقة الستين في اختبار تحمل الجلوكوز تحت الجلدي (IPGTT) على الرغم من أنهم لم يكونوا مصابين بالسكري، ونقصاً في نسبة خلايا بيتا وزيادة في نسبة خلايا ألفا مقارنة بجرذان المجموعة الضابطة. أظهرت أيضاً تناقصاً في نسبة الخلايا Pdx1⁺ Ins⁺ و Nkx6.1⁺ Ins⁺ و Nkx2.2⁺ Ins⁺/Gcg⁺ و Pax6⁺ Ins⁺/Gcg⁺ مقارنة بجرذان المجموعة الضابطة. كانت الجينات ذات التعبير المختلف في مجموعة سكري الحمل مرتبطة بالمسارات البيولوجية المتعلقة بإفراز الإنسولين (GO:0030073)، وتأسيس توجيه البروتين إلى المنطقة الخارجية (GO:0035592)، وتنظيم نقل الببتيد (GO:0090087)، والاستجابة للجلوكوز (GO:0009749)، ونضج البروتين (GO:0051604) ومعالجة البروتين (GO:0016485)، وعملية أيض الإنسولين (GO:1901142).

هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء بحث مثل هذا بحسب علمنا. ستكون المعرفة المكتسبة من هذا البحث، وأي بحث مستقبلي مماثل، ذات أهمية كبيرة في فهم الآليات الخاصة التي تسهم في زيادة خطر الإصابة بداء السكري والأمراض الأيضية لذرية النساء المصابات بسكري الحمل. يمكن استخدام هذا الفهم لتطوير و/أو تعزيز بروتوكولات الفحص، وطرق التدخل الوقائي النشط، و/أو العلاجات المخصصة.

Download

Included in

Anatomy Commons

Share

COinS