Oxidative stress (OS) plays a pivotal role in diabetes mellitus (DM) onset, progression, and chronic complications. Hyperglycemia-induced reactive oxygen species (ROS) have been shown to reduce insulin secretion from pancreatic β-cells, to impair insulin sensitivity and signaling in insulin-responsive tissues, and to alter endothelial cells function in both type 1 and type 2 DM. As a powerful antioxidant without side effects, astaxanthin (ASX), a xanthophyll carotenoid, has been suggested to contribute to the prevention and treatment of DM-associated pathologies. ASX reduces inflammation, OS, and apoptosis by regulating different OS pathways though the exact mechanism remains elusive. Based on several studies conducted on type 1 and type 2 DM animal models, orally or parenterally administrated ASX improves insulin resistance and insulin secretion; reduces hyperglycemia; and exerts protective effects against retinopathy, nephropathy, and neuropathy. However, more experimental support is needed to define conditions for its use. Moreover, its efficacy in diabetic patients is poorly explored. In the present review, we aimed to identify the up-to-date biological effects and underlying mechanisms of ASX on the ROS-induced DM-associated metabolic disorders and subsequent complications. The development of an in-depth research to better understand the biological mechanisms involved and to identify the most effective ASX dosage and route of administration is deemed necessary.

Bone marrow-derived multipotent stromal cells (BMMSCs) represent an attractive therapeutic modality for cell therapy in type 2 diabetes mellitus (T2DM)-associated complications. T2DM changes the bone marrow environment; however, its effects on BMMSC properties remain unclear. The present study aimed at investigating select functions and differentiation of BMMSCs harvested from the T2DM microenvironment as potential candidates for regenerative medicine. BMMSCs were obtained from Zucker diabetic fatty (ZDF; an obese-T2DM model) rats and their lean littermates (ZL; controls), and cultured under normoglycemic conditions. The BMMSCs derived from ZDF animals were fewer in number, with limited clonogenicity (by 2-fold), adhesion (by 2.9-fold), proliferation (by 50%), migration capability (by 25%), and increased apoptosis rate (by 2.5-fold) compared to their ZL counterparts. Compared to the cultured ZL-BMMSCs, the ZDF-BMMSCs exhibited (i) enhanced adipogenic differentiation (increased number of lipid droplets by 2-fold; upregulation of the Pparg, AdipoQ, and Fabp genes), possibly due to having been primed to undergo such differentiation in vivo prior to cell isolation, and (ii) different angiogenesis-related gene expression in vitro and decreased proangiogenic potential after transplantation in nude mice. These results provided evidence that the T2DM environment impairs BMMSC expansion and select functions pertinent to their efficacy when used in autologous cell therapies.

Background: Advanced glycation end products (AGEs) and oxidative stress (OS) have been linked to bone complications related to type 2 diabetes mellitus (T2DM). However, the effects of AGEs and OS on bone marrow mesenchymal stromal cells (BMMSCs), which play a key role in bone homeostasis and repair, remain unclear. Objectives: This study aimed to investigate the effects of AGEs on BMMSCs function and the ability of N-acetylcysteine (NAC) to alleviate AGE-induced OS in a T2DM context. Methods: Bone marrow (BM) and BMMSCs were isolated from Zucker diabetic fatty (ZDF) rats, which serve as a T2DM model, and their lean littermates (ZL, controls) at 24 weeks of age. Results: The results show that long-standing T2DM leads to changes in the BM’s cellular composition and BMMSCs function that are distinct from age-related changes. In vitro, AGEs decreased BMMSCs viability, proliferation, and migration. The effects of AGEs were stronger in BMMSCs derived from a T2DM microenvironment. In both T2DM- and ZL-BMMSCs, AGEs induced cytoplasmic ROS, which was differentially reduced by NAC. The effect of NAC on T2DM-BMMSCs was greater when the cells were pre-treated with NAC 24 h before exposure to AGEs, whereas simultaneous exposure to both resulted in a smaller effect. Conclusions: These results show that AGEs impair BMMSCs expansion and functionality. AGE-induced ROS generation may be a critical factor in this impairment, while NAC was able to reduce OS in BMMSCs from a T2DM context. These findings highlight the vicious negative effects of the T2DM microenvironment on BMMSCs and underscore the need for further studies to better understand the underlying mechanisms and to explore strategies aimed at mitigating OS in the T2DM context.

Le diabète type 2 (DT2) est un problème de santé majeur. Il touche plus de 5% de la population mondiale et sa prévalence ne cesse pas d'augmenter. Le DT2 est une maladie métabolique caractérisée par une hyperglycémie chronique, entraînant de sévères complications (cardiopathies, néphropathies, rétinopathies, neuropathies...) dont la prise en charge est lourde et coûteuse. Le DT2, n'épargne pas le tissu osseux, augmentant le risque de fracture et limitant le potentiel de réparation osseuse. Les mécanismes sous-jacents sont complexes, mais le microenvironnement DT2 reste un des éléments déterminants. En effet, l'hyperglycémie chronique entraîne une formation exacerbée de produits de glycation avancés (AGEs) et un stress oxydatif chronique modifiant la matrice et la fonctionnalité cellulaire y compris celle des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (CSMs). Les CSMs sont des actrices essentielles de la réparation osseuse et des candidates prometteuses pour l'ingénierie tissulaire, or l'impact des AGEs et du stress oxydatif sur ces cellules reste partiellement caractérisé. De plus, l'utilisation d'antioxydants, sur les CSMs, pour la régulation du stress oxydatif intracellulaire a été peu investigué jusqu'à maintenant. La première partie de ce projet doctoral visait à comprendre l'impact du DT2 sur la fonctionnalité des CSMs à l'aide d'un modèle animal développant un DT2 : le rat Zucker Diabetic Fatty (ZDF) et son homologue sain le rat Zucker Lean (ZL) comme contrôle. Nous avons montré que les CSMs-ZDF, issues d'un microenvironnement DT2, et cultivées in vitro en normoglycémie, présentent des modifications de plusieurs fonctions pertinentes pour la réparation osseuse (adhésion, clonogénicité, prolifération, migration, différenciation adipocytaire) comparées à celles issues des animaux contrôle. Ainsi, l'utilisation de CSMs autologues, en l'état, semble compromise pour les thérapies cellulaires de réparation osseuse. Pour mieux comprendre l'impact du microenvironnement DT2 sur les CSMs, nous avons étudié les effets des AGEs. Les résultats ont montré que les AGEs altèrent la viabilité, la prolifération, la migration et le profil d'expression génique des CSMs. Les effets des AGEs sur CSMs-ZDF étaient plus prononcés comparés à ceux observés sur les CSMs-ZL. Les AGEs conduisent à un état de stress oxydatif par la production en excès d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) intracellulaire ; il est très rapide, reste constant pendant 60min et n'induit pas la formation d'excès de superoxide (O2-) par les mitochondries. Afin de réguler les ROS intracellulaires, induits par les AGEs ou d'autres inducteurs, nous avons étudié le potentiel de la N-acétylcystéine et l'astaxanthine, deux antioxydants puissants, sur les CSMs humaines, CSMs-ZDF et CSMs-ZL. Bien que les taux de ROS intracellulaires soient similaires chez les CSMs -ZDF et CSMs -ZL, il est modulé différemment en réponse aux antioxydants. La co-exposition aux antioxydants s'est avérée plus efficace que la pré-exposition avec une augmentation de la capacité antioxydante. L'astaxanthine a montré une excellente cytocompatibilité, contrairement à la N-acétylcystéine qui diminue la viabilité des CSMs-ZDF. De plus, les CSMs-ZDF ont montré un profil d'expression génique, en réponse à l'exposition aux antioxydants, diffèrent de celui des CSMs-ZL. Enfin, l'implantation d'hydrogels contenant de l'astaxanthine dans des défauts osseux chez le rat sain, semble favoriser une néoformation osseuse. Dans l'ensemble, les résultats obtenus contribuent à une meilleure compréhension de l'impact du microenvironnement DT2 sur la fonctionnalité des CSMs. Ils suggèrent également que l'utilisation d'antioxydants pour contrer le stress oxydatif généré par les AGEs peut faire partie de nouvelles stratégies pour la réparation osseuse chez les patients DT2.