Unité Neuro-vasculaire (UNV)

LE SYSTЀME NERVEUX 

Le système nerveux (SN) est composé de différentes entités, on distingue le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique (SNP). Le SNC est composé du cerveau et de la moelle épinière. Le SNP est constitué de différents nerfs permettant d’envoyer les informations du SNC vers les organes périphériques et réciproquement de recevoir les informations périphériques pour les transmettre à la moelle épinière et/ou à l’encéphale. Divers types cellulaires assurent le bon fonctionnement du SN ayant des rôles structurels et fonctionnels distincts.

Unité Neuro-vasculaire (UNV) 

Pour assurer le bon fonctionnement du SNC et maintenir l’homéostasie cérébrale, une barrière biologique permet d’isoler le SNC du reste du corps : la barrière hémato-encéphalique (BHE). Cette barrière permet de faire le lien et de trier les substances entre la circulation sanguine (sang) et le SNC. Cette dernière permet de contrôler étroitement l’entrée et la sortie (influx vs efflux) des substances exogènes (médicaments, toxines) présentes dans le sang au sein du parenchyme cérébral faisant de celle-ci une entité ayant un rôle clé dans la protection du SN. L’unité neurovasculaire est un ensemble anatomo-fonctionnel au sein duquel les cellules composant la BHE (cellules endothéliales, péricytes, astrocytes), les cellules immunitaires (microglies) et les neurones vont étroitement entrer en interaction .

Le concept de l’UNV comprend divers types de cellules qui contribuent toutes à la structure et à la fonction de la BHE. Les éléments anatomiques centraux sont les cellules endothéliales vasculaires qui constituent la paroi des vaisseaux sanguins, étroitement scellée par des jonctions inter-endothéliales. La membrane basale endothéliale enveloppe la face abluminale de l’endothélium et des péricytes. Les péricytes étendent des prolongements le long de la paroi externe du vaisseau (comme indiqué en A). Au niveau des veinules postcapillaires, les membranes basales endothéliales et parenchymateuses sont séparées et délimitent l’espace périvasculaire dans lequel résident les macrophages périvasculaires. Les astrocytes fixent des pieds terminaux à la face abluminale du vaisseau. Les neurones et les microglies sont des types de cellules centrales supplémentaires qui sont associés à la BHE et sont donc considérés comme des membres de l’UNV. Occasionnellement, les cellules du sang périphérique, telles que les lymphocytes et les monocytes circulant dans le flux sanguin dans des conditions saines, rejoignent l’UNV lorsqu’elles interagissent avec la surface luminale de l’endothélium dans des conditions inflammatoires. (A) L’UNV en un coup d’œil. (B) Vue détaillée de la section transversale et des différentes couches.

Les cellules endothéliales

Les cellules endothéliales forment les vaisseaux sanguins cérébraux. Ces sont les premières cellules rentrant en jeu pour isoler physiquement le parenchyme cérébral de la circulation sanguine. Les cellules endothéliales de la BHE sont composées de multiples types de jonctions permettant de s’interconnecter entre elles formant ainsi un endothélium imperméable et sélectif (2). Cependant, certaines molécules sont aptes à passer librement la BHE comme l’oxygène passant du sang vers le cerveau et le dioxyde de carbone empruntant le sens inverse. Cet échange par simple diffusion est indispensable pour permettre un apport énergétique aux cellules composant l’UNV afin qu’elles assurent leur rôle. Les jonctions serrées sont donc les premières actrices dans le maintien de la perméabilité entravant ainsi les flux paracellulaires des molécules hydrophiles entre les cellules endothéliales. Elles permettent également de réguler la disposition des différents composés des cellules endothéliales via la séparation de leurs parties apicale et basolatérale. Une distribution organisée des lipides, des glycoprotéines, des récepteurs et des transporteurs est observée (3). Les jonctions serrées font intervenir des protéines transmembranaires spécifiques de la famille des claudines et des occludines ainsi que des molécules d’adhésions. Ces protéines sont en interaction direct avec le cytosquelette de la cellule grâce aux protéines de la zona occludens (4). L’interaction dynamique de ces diverses protéines permet de générer une barrière physique empêchant ainsi le passage de molécules non désirées ou dangereuses dans le parenchyme cérébral.

Les cellules de l’UNV ont quand même besoin de certaines molécules (glucose, acides aminés, nutriments) pour leur fonctionnement soulignant ainsi d’autres voies de passage pour permettre leur entrée dans le cerveau. En effet, pour permettre le passage de molécules des systèmes de transport facilités ou actifs sont nécessaires. Ils assurent ainsi les influx et les efflux d’une multitude de molécules nécessaire au maintien de l’homéostasie cérébrale (5). Les plus connus sont le transporteur de Glucose (GLUT-1) et la glycoprotéine P (P-gp). Pour certains composés un système d’endocytose peut être sollicité (6).

Des jonctions dites adhérentes sont également retrouvées entre cellules endothéliales faisant intervenir des protéines transmembranaires les cadhérines endothéliales vasculaires (VEcadherin). Elles servent à la mise en place des jonctions serrées et agissent en synergie avec elles pour réguler la perméabilité .

Les péricytes

Les péricytes sont des cellules qui vont recouvrir les cellules endothéliales. Elles vont être en interaction avec les cellules endothéliales grâce à des protéines N cadhérines et des connexines. L’intégrité de la BHE sera assurée en partie par ces cellules par leurs fonctions d’angiogenèse et de stabilisation de la microvasculature (8). Elles contiennent des protéines contractiles permettant la régulation du diamètre des vaisseaux et du flux sanguin .

Les cellules gliales 

Le cerveau est constitué de 90% de gliocytes. Que ce soit les astrocytes ou les microglies leurs rôles sont multiples au sein du SN.

Les astrocytes 

Les astrocytes sont les cellules les plus abondantes du SN. Ces cellules étoilées avec de nombreux prolongements vont permettre de se connecter à l’environnement notamment en recouvrant 99% des micro-vaisseaux cérébraux. Ce sont des cellules de soutien et nourricières. En effet, ils vont transporter les principaux ions et protons (K+ , Ca2+, Na+ ) pour maintenir la balance ionique entre le milieu intracellulaire et extracellulaire. Ils vont également participer à la neurotransmission en catabolisant des neurotransmetteurs ou en fournissant des précurseurs aux neurones (10). Les astrocytes régulent l’homéostasie métabolique en synthétisant le glycogène et en fournissant aux neurones des substrats énergétiques (11). Via le déploiement des pieds astrocytaires sur le réseau sanguin, ils vont être très impliqués dans la régulation du pH sanguin et dans le maintien de l’intégrité de la BHE. Les astrocytes synthétisent une protéine la Sonic Hedgehog (SHH). Son action provoque une augmentation de l’expression des protéines participant à la formation des jonctions serrées (12). Hormis leurs rôles nourriciers et de soutien, en conformation activée ils participent à la mise en place des lignes de défense suite à un dommage cérébral. L’activation astrocytaire se fait via la surexpression d’une protéine qui constitue les filaments intermédiaires du cytosquelette : la « glial fibrillary acidic protein (GFAP) » (13). Ce qui va provoquer un changement morphologique cellulaire (hypertrophie). Une fois activés, ils vont avoir de multiples rôles. Ils peuvent former une cicatrice gliale englobant la lésion cérébrale et limitant ainsi sa propagation. Ils sont capables de promouvoir la réparation de la BHE et de limiter la neurodégénérescence (14). Cependant, ils peuvent présenter des effets néfastes sur le SN suite à leur activation. Ils vont ainsi produire des réactions cytotoxiques comme générer un stress oxydatif. Une inflammation chronique via une activation astrocytaire soutenue favorise l’apparition d’atteintes neuronales et une dérégulation de la perméabilité de la BHE dans diverses pathologies neurodégénératives (Parkinson, Maladie d’Alzheimer) .

Les cellules endothéliales, les péricytes et les astrocytes participent à la formation d’une membrane basale endothéliale entourant les capillaires sanguins renforçant le maintien de la BHE. Ces trois types cellulaires font partie intégrante de l’ensemble central communément appelé BHE. Cependant, l’UNV contient d’autres types cellulaires.

Les microglies

Pour protéger le SNC, des cellules résidentes, les microglies considérées comme les macrophages du SNC, sont la première ligne de défense immunitaire. Ce sont des cellules qui possèdent des ramifications cellulaires en constante interaction avec le parenchyme cérébral. Ces cellules très dynamiques permettent d’assurer l’homéostasie cérébrale. Elles arborent un phénotype et des propriétés fonctionnelles distinctes suivant leur état d’activation. Le processus d’activation des microglies s’effectue dès lors qu’un changement au sein de leur environnement proche se produit (entrée d’un pathogène, lésion cérébrale, changements dans la constitution du milieu extracellulaire…). Dans un état dit « de surveillance » ou « non activé », de nombreux prolongements cellulaires jouent le rôle de « senseur » au sein du microenvironnement (16). Dès qu’une modification de leur environnement est détectée, un changement morphologique va avoir lieu via la rétraction des prolongements et l’augmentation de la taille du corps cellulaire. En outre, l’expression de nouvelles protéines et la sécrétion de facteurs pro/anti inflammatoires va se produire. Elles vont également pouvoir dans certains cas proliférer et migrer au niveau du site lésionnel afin d’acquérir des activités de phagocytose pour faire disparaitre les débris cellulaires.

Classiquement l’activation des microglies se définit selon une nomenclature basée sur deux stades d’activation : les microglies de type M1 dites « pro-inflammatoire » et les microglies de type M2 dites « anti-inflammatoire » (17). Cette classification « simpliste » des phénotypes microgliaux est remise en cause depuis quelques années suite à la démonstration de la capacité des microglies de passer d’un phénotype à un autre selon les conditions environnementales .

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
LE SYSTЀME NERVEUX
I. Unité Neuro-vasculaire (UNV)
1. Les cellules endothéliales
2. Les péricytes
3. Les cellules gliales
a. Les astrocytes
b. Les microglies
4. Les neurones
II. Un neurotransmetteur : l’acétylcholine
1. Voies cholinergiques
2. Rôle
a. En périphérie
b. Au niveau central
3. Synthèse
4. Action sur des récepteurs spécifiques
5. Dégradation
III. Inhibiteurs des acétylcholinestérases
1. Classification
2. Mode d’action
a. Inhibition réversible : exemple du Donépézil
b. Inhibition irréversible : exemple des organophosphorés
3. Contexte d’utilisation des inhibiteurs d’acétylcholinestérases
a. Agriculture/ Armes chimiques
b. En thérapie
IMAGERIE MÉDICALE in vivo
I. Tomographie par émission de positons (TEP)
1. Principe in vivo
2. Radiochimie : couplage de l’isotope radioactif avec le traceur
3. Injection du radiotraceur et réaction nucléaire associée
4. La détection
5. Reconstruction
II. Radiotraceurs utilisés
1. Pour suivre le métabolisme du glucose : le 2-désoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose
2. Pour suivre la neuroinflammation : marqueur glial, la protéine translocatrice de 18 KDa (TSPO)
a. Localisation et structure
b. Fonctions et rôles physiologiques
c. Surexpression de TSPO et inflammation
d. Radiotraceurs ciblant TSPO
OBJECTIFS DES ÉTUDES
RÉFÉRENCES
ÉTUDE 1 Intoxication avec un inhibiteur irréversible des acétylcholinestérases, l’organophosphoré NIMP (analogue du sarin) dans un modèle murin
INTRODUCTION
I. Les organophosphorés (OPs)
1. Voies de pénétration dans l’organisme
2. Voie d’élimination
II. Intoxication aigüe vs chronique
1. Intoxication aigüe
2. Intoxication chronique
III. Lien entre l’exposition aux OPs et le développement de maladies
1. Syndrome de la guerre du Golfe
2. Pathologies neurologiques
a. Maladies neurodégénératives
b. Hyperexcitabilité neuronale
IV. Impact sur les fonctions cérébrales
1. Etudes cliniques et précliniques
a. Troubles psychiatriques et comportementaux
b. Modifications des rythmes cérébraux
c. Modifications des macrostructures/microstructures du SNC
d. Neuroinflammation
2. Imagerie TEP suite à une intoxication par un OP pour suivre la réponse inflammatoire
V. Traitements d’urgence pour assurer fonctions vitales
VI. Besoin de traitements neuroprotecteurs
VII. Modèles animaux
OBJECTIFS
MATÉRIEL ET MÉTHODES
I. Modèle d’intoxication au NIMP
1. Détermination de la DL50
II. Doses utilisées (0.5 DL50 versus 0.9 DL50)
III. Injection en sous cutanée
IV. Symptômes
V. Imagerie TEP longitudinale au [18F]DPA-714
1. Phase 1 : Détermination d’une fenêtre thérapeutique d’action
2. Phase 2 : traitement neuroprotecteur (Montelukast)
a. Dose de MK et administration
VI. Immunohistofluorescence
VII. Analyse des données et statistiques
RÉSULTATS
I. Etude comportementale
II. Suivi de l’évolution de la neuroinflammation après une intoxication au NIMP
1. Fixation du [18F]DPA-714
a. Suivi longitudinal avant traitement anti-inflammatoire
b. Après traitement anti-inflammatoire
III. Analyse histologique
DISCUSSION
RÉFÉRENCES
ÉTUDE 2 Thérapie utilisant un inhibiteur réversible des acétylcholinestérases, le Donépézil, dans un modèle préclinique de la maladie d’Alzheimer
INTRODUCTION
I. Une maladie multifactorielle : principaux phénomènes physiopathologiques
1. Atrophie cérébrale
2. Accumulation de protéines mal conformées
a. Les plaques amyloïdes
b. Les dégénérescences neurofibrillaires
c. L’hypothèse prion
3. Atteinte du système cholinergique
II. Imagerie TEP des biomarqueurs de la MA
1. Pour un suivi de l’évolution de la maladie
a. Imagerie TEP du métabolisme cérébral du glucose
b. Imagerie TEP des agrégats protéiques
c. Imagerie TEP du système cholinergique
2. Pour tester des approches thérapeutiques
OBJECTIFS
MATÉRIEL ET MÉTHODES
I. Produits chimiques et radiochimiques
II. Modèle murin de la maladie d’Alzheimer
III. Traitement au Donépézil
IV. Acquisition de l’imagerie TEP au [18F]FDG
V. Analyse des données TEP au [18F]FDG
VI. Caractérisation de la charge amyloïde dans le modèle icv Aβ25-35
1. Autoradiographie au [18F]Florbetapir
2. Imagerie par rayons X à contraste de phase
VII. Analyse statistique
1. Analyse régionale
2. Approche par cartographie paramétrique statistique
RÉSULTATS
I. Imagerie TEP cérébrale au [18F]FDG
II. Charge amyloïde
1. Autoradiographie au [18F]florbetapir
2. Imagerie par rayons X à contraste de phase
DISCUSSION
CONCLUSION
RÉFÉRENCES
ÉTUDE 3 Imagerie TEP avec le [18F]-2- fluoro-2-désoxy-sorbitol ([18F]FDS) pour la détermination quantitative de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique induite par les ultrasons focalisés transcrâniens
INTRODUCTION
I. Altérations pathologiques de la barrière hémato-encéphalique (BHE)
II. Biomarqueurs de l’intégrité de la BHE
III. Méthodes d’imagerie utilisées pour évaluer la perméabilité de la BHE in vivo
IV. [18F]-2- fluoro-2-désoxy-sorbitol ([18F]FDS) : un traceur candidat
V. Ouverture transitoire de la BHE grâce à la méthode des ultrasons focalisés (FUS)
OBJECTIFS
MATÉRIEL ET MÉTHODES
I. Production du [18F]FDS
II. Ultrasons focalisés (FUS)
III. Test d’extravasation au bleu d’Evans
IV. Imagerie TEP au [18F]FDS
1. Approches quantitatives en TEP : la modélisation
a. Modèle Logan
b. Modèle à 1-compartiment (1-cpt)
V. Analyse Statistique
RÉSULTATS
DISCUSSION
CONCLUSION
RÉFÉRENCES
CONCLUSION GÉNÉRALE

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