Cerebral small vessel disease (SVD) is a vascular neurodegenerative disease which is the leading cause of vascular dementia and causes 20% of strokes. 20-30% of those over 80 show signs of the disease as white matter hyperintensities on MRI scans, doubling their risk of stroke and trebling their risk of dementia. Sporadic SVD is thought to be caused by hypertension but 30% of sufferers are normotensive and an alternative hypothesis implicates loss of integrity of the blood brain barrier (BBB). To investigate this, I studied brains from normotensive people with early stage SVD and found reduced capillary endothelial claudin-5 (a BBB tight junction protein), more oligodendrocyte precursor cells (OPCs; the precursors to myelinating oligodendrocytes), and more microglia/macrophages compared to controls. Furthermore, in a relevant rat model of spontaneous SVD, the Stroke Prone Spontaneously Hypertensive Rat (SHRSP; disease model; DM) I found that reduced endothelial claudin-5 was the earliest change, appearing at 3 weeks of age, followed by OPC proliferation, appearing at 4 weeks, and then increased number of microglia/macrophages, appearing at 5 weeks. Importantly, all these changes occurred at a young age (< 5 weeks), before any measurable hypertension. These changes were confirmed in an ex vivo slice culture model (i.e. removing blood flow), ruling out direct damage by leakage of blood components through an impaired BBB and suggesting an inherent endothelial cell dysfunction as the primary cause, with secondary BBB defects. This hypothesis of endothelial dysfunction is supported by increased endothelial cell proliferation in both human SVD tissue and the DM rats, and lower levels of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) in brains of DM rats. To study this further I isolated primary brain microvascular endothelial cells (BMECs) from DM and control rats and found that those from DM rats formed less mature tight junctions (less membranous claudin-5) than control BMECs. I also found that conditioned media (CM) from DM BMECs causes OPCs in culture to proliferate more and mature less. This indicates that the endothelial dysfunction is inherent to the endothelial cells, rather than induced by other cell types, and through secreted factors causes OPC changes mirroring what is seen in vivo. Using an antibody array, I identified HSP90α as a candidate secreted factor and showed that it is necessary (by blocking the protein in CM) and sufficient (by adding recombinant HSP90α) to induce the maturation phenotype in OPCs, but not the proliferation phenotype. The idea that endothelial dysfunction causes SVD begs the question of what causes endothelial dysfunction, especially in our inbred DM rat strain. To establish this, I reanalysed sequencing data of the DM and control rats from a previously published study, searching for mutations which lead to truncated proteins in genes expressed in brain endothelial cells. We confirmed the candidate gene Atp11b, a phospholipid flippase, was mutated as predicted. I found that knocking down Atp11b using siRNA in a control endothelial cell line caused endothelial dysfunction and a loss of tight junction maturity, and that CM from these cells causes OPCs to proliferate more and mature less, mirroring what we see in primary DM BMECs and suggesting that Atp11b has a key function in promoting normal endothelial function. Furthermore, I showed that knocking down Atp11b causes cells to secrete increased levels of HSP90α. I propose a mechanism whereby ATP11B regulates the retention of HSP90α within endothelial cells, which in turns regulates eNOS levels and activity, as has been shown previously. In summary, this work shows that there are many pre-symptomatic changes which occur in the brain in the development of SVD in DM rats, and that these are ultimately caused by endothelial dysfunction. As these changes are similar to those found in spontaneous human SVD, I propose that endothelial dysfunction is a key mechanism of human SVD, which may in the future lead to new therapies.

Metal-based engineered nanomaterials (ENMs) have potential to revolutionize diagnosis, drug delivery and manufactured products, leading to greater human ENM exposure. It is crucial to understand ENM pharmacokinetics and their association with biological barriers such as the blood-brain barrier (BBB). Physicochemical parameters such as size and surface modification of ENMs play an important role in ENM fate, including their brain association. Multifunctional ENMs showed advantages across the highly regulated BBB. There are limited reports on ENM distribution among the blood in the brain vasculature, the BBB, and brain parenchyma. In this study, ceria ENM was used to study the effect of size on its pharmacokinetics. Four sizes of ceria ENMs were studied. Five nm ceria showed a longer half-life in the blood and higher brain association compared with other sizes and 15 and 30 nm ceria had a higher blood cell association than 5 or 55 nm ceria. Because of the long circulation and high brain association of 5 nm ceria compared with other sizes, its distribution between the BBB and brain parenchyma was studied. The in situ brain perfusion technique showed 5 nm ceria (99%) on the luminal surface of the BBB rather than the brain parenchyma. For biomedical applications in the central nervous system (CNS), it is vital to develop stable and biocompatible ENMs and enhance their uptake by taking advantage of their unique properties. Cross-linked nanoassemblies entrapping iron oxide nanoparticles (CNA-IONPs) showed controlled particle size in biological conditions and less toxicity in comparison to Citrate-IONPs. CNA-IONPs considerably enhanced MRI T2 relaxivities and generated heat at mild hyperthermic temperatures (40 ~ 42°C) in the presence of alternating magnetic field (AMF). Numerous researchers showed mild whole body hyperthermia can increase BBB permeability for potential brain therapeutic application. Compared to conventional hyperthermia, AMF-induced hyperthermia increased BBB permeability with a shorter duration of hyperthermia and lower temperature, providing the potential to enhance IONP flux across the BBB with reduced toxicity. Overall, ENMs with optimized physicochemical properties can enhance their flux across the BBB into the brain with desirable pharmacokinetics, which provide great potential for diagnosis and therapy in the CNS.

Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:03Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Diego Becker Borin.pdf: 1553948 bytes, checksum: b94d052c85f74f3bcc5e4cadbcb71e67 (MD5) Diego Becker Borin.pdf.txt: 134530 bytes, checksum: f3ad94a2052d1806ff21e9c0ce7733fb (MD5) Diego Becker Borin.pdf.jpg: 3538 bytes, checksum: b4b8b2603cafaeb4736f56efe30f7f1d (MD5) Previous issue date: 2013-03-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Creatine is a biomolecule endogenously synthesized from amino acids which can also be obtained through the diet. But it does not permeate easily through the blood-brain barrier (BBB), so the brain must supply their needs through the synthesis of creatine in the central nervous system (CNS) by itself. Creatine has a major role in maintaining stable levels of adenosine triphosphate (ATP) thus keeping the whole body in a proper condition. Neurodegenerative diseases leads to decreases in ATP levels, which compromises cellular metabolism, generating the increase of reactive species that could lead to neuronal cell death. Therefore, it becomes important to increase creatine levels in neurodegenerative diseases, so it could provide new alternative treatments for these diseases. This study aimed to develop and characterize liposomes with creatine, as well as investigate its protective effect in ischemia and reperfusion (I/R) brain model. Two methodologies were used for the preparation of liposomes, the lipid film hydration and ethanol injection. Due the best results were obtained by the ethanol injection method, this was chosen for the preparation of liposomes in in vivo tests. The rats were tested using I/R by clamping bilateral carotid arteries and different groups were treated with creatine (30 mg/kg) in free form (Liv+I/R) and liposomed (Lip+I/R) and compared with the control group and I/R. The animals motor activity, exploratory and memory abilities were evaluated through field tests and passive avoidance, 24 and 48 hours after I/R, respectively. After 72 hours, the animals were euthanized and the brains removed for biochemical determination of levels of reactive species and ascorbic acid (AA), and the biochemical breakdown activity of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT). The suspensions of liposomes used for the in vivo treatment had homogenous average particle diameter (154 ± 6.9 nm), low polydispersity index (0.211 ± 0.019), pH near neutral (around 6.7), negative potential Zeta (-21 ± 1.8 mV) and association rate around 31%. The results of field tests have shown that I/R caused a change in exploratory activity of animals and increased oxidative stress in the brain of rats subjected to I/R. Liposomes creatine protected the change in exploratory activity and increased oxidative stress in rat cortex. Already in free form, creatine was not able to protect against these changes. With these results, we can conclude that the production of liposomes containing creatine technological feasibility presented, demonstrating the potential to increase the bioavailability of creatine into the CNS via the BBB. / A creatina é uma biomolécula sintetizada endogenamente a partir de aminoácidos, que também pode ser obtida através da dieta. Porém, ela não permeia facilmente através da barreira hematoencefálica (BHE), assim o cérebro deve suprir suas necessidades através da síntese de creatina no próprio sistema nervoso central (SNC). A grande importância da creatina para o funcionamento correto do organismo está em manter estáveis os níveis de adenosina trifosfato (ATP). Doenças neurodegenerativas levam a déficits de ATP, o que compromete o metabolismo celular, gerando espécies reativas (ERs) capazes de levar as células neuronais à morte. Assim, torna-se importante aumentar os níveis de creatina em doenças neurodegenerativas, podendo gerar novas alternativas de tratamento para estas doenças. Desta forma, o presente trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar lipossomas de creatina, bem como, investigar o seu efeito protetor em um modelo de isquemia e reperfusão (I/R) cerebral. Foram utilizadas duas metodologias para o preparo dos lipossomas, a hidratação do filme lipídico e a injeção de etanol. Devido aos melhores resultados obtidos pelo método de injeção de etanol, este foi escolhido para o preparo dos lipossomas a serem aplicados nos testes in vivo. Os ratos foram submetidos ao processo de I/R pelo clampeamento bilateral das artérias carótidas, sendo os diferentes grupos tratados com a creatina (30 mg/kg) na forma livre (Liv+I/R) e lipossomada (Lip+I/R), sendo comparados com os grupos controle e I/R. A atividade locomotora, exploratória e a memória dos animais foram avaliadas através dos testes de campo aberto e da esquiva passiva, 24 e 48 h após a I/R, respectivamente. Após 72 h, os animais foram eutanasiados e os cérebros removidos para as determinações bioquímicas dos níveis de ERs e ácido ascórbico (AA), e a atividade das enzimas superóxido dismutase (SOD) e catalase (CAT). As suspensões de lipossomas utilizadas para o tratamento in vivo apresentaram diâmetro médio de partícula homogêneo (154 ± 6,9 nm), com baixo índice de polidispersão (0,211 ± 0,019), pH próximo a neutralidade (em torno de 6,7), potencial Zeta negativo (-21 ± 1,8 mV) e taxa de associação em torno de 31%. Os resultados do teste de campo aberto demonstraram que a I/R causou alteração na atividade exploratória dos animais. Além disso, o estudo demonstrou aumento no estresse oxidativo no cérebro de ratos submetidos a I/R. Os lipossomas de creatina protegeram a alteração na atividade exploratória e o aumento do estresse oxidativo em córtex de ratos. Já a creatina na forma livre não foi capaz de proteger contra estas alterações. Através destes resultados, pode-se concluir que a produção de lipossomas contendo creatina apresentou viabilidade tecnológica, demonstrando potencial para aumentar a biodisponibilidade de creatina para o SNC através da BHE.

L'épilepsie est une maladie neurologique chronique caractérisée par des crises spontanées et récurrentes. Les crises sont générées par un déséquilibre dans le fonctionnement des neurotransmetteurs et des canaux ioniques qui contrôlent l'excitabilité. L'épileptogenèse est majoritairement associée à des pertes neuronales, une gliose, une inflammation plus ou moins importants. Un tiers des patients deviennent réfractaires. Récemment, plusieurs équipes ont montré une association entre les épilepsies focales pharmacorésistantes et la rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE). De plus, une implication du système immunitaire ainsi qu'une cause auto-immune de l'épilepsie ont été suggérées. Dans cette thèse, nous avons observé dans le tissu de patients atteints d'épilepsie pharmacorésistante du lobe temporal (ELT), des fuites d'Immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme et leur accumulation dans les neurones présentant des signes de neurodégénérescence. Le récepteur d'IgG de grande affinité FcyRI est surexprimé sur les cellules ayant une morphologie de type microglie/ macrophages, tandis que le récepteur de faible affinité FcyRIII et le récepteur inhibiteur FcγRII sont moins présents. Dans ce même tissu nous avons noté que les protéines du complément C3c et C5b9 sont exprimées. Ensuite, nous avons étudié si le modèle murin d'épilepsie focale induite par injection intra-amygdalienne de kaïnate reproduit la physiopathologie de l'ELT associée à une rupture de la BHE. ZO-1, la principale protéine des jonctions serrées, présente un marquage discontinu indiquant que la BHE a été affectée. Nous avons remarqué des fuites d'IgGs et d'albumine ainsi que leur accumulation dans le parenchyme coïncidant avec la survenue des crises. La présence d‘IgG dans l'épilepsie pourrait également avoir une cause auto-immune. Nous avons utilisé des puces à protéines pour identifier des antigènes qui induisent une réponse immunitaire, dans le plasma des patients atteints d'ELT, Nous avons sélectionné 19 auto-anticorps spécifiques qui peuvent servir de potentiels biomarqueurs diagnostiques L'ensemble de ces résultats suggère que les fuites d'IgG sont associées à une déficience neuronale, conduisant à des changements immunologiques dans le foyer épileptique qui participent à la pathogénèse de l'ELT. Nous pensons qu'une meilleure interprétation des profils de ces auto-anticorps pourrait offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Epilepsy is a chronic neurologic disorder characterized by recurrent unprovoked seizures. Seizures are generated by an imbalance in the functioning of neurotransmitters and ion channels that control excitability. Epileptogenesis is mostly associated with neuronal loss, gliosis, and inflammation more or less important. A third of patients become drug refractory. Recently, several teams have shown an association between drug-resistant focal epilepsy and disruption of the blood-brain barrier (BBB). In addition, a possible role of the immune system and an autoimmune nature in epilepsy has been suggested. In this thesis, in the tissue of patients with drug-resistant temporal lobe epilepsy (TLE), leakage of immunoglobulin G (IgG) into the parenchyma and IgG accumulation in neurons with attendant signs of neurodegeneration was observed. In addition, the high affinity IgG receptor, FcγRI was expressed on microglia/macrophage shaped cells. The expression of the low affinity IgG receptor, FcγRIII and the inhibitory IgG receptor, FcγRII was decreased. In the same tissue the complement proteins C3c and C5b9 were present on astrocyte/ microglia and macrophage/ microglia shaped cells respectively. Then, we evaluated whether the mouse model of focal epilepsy induced by intra-amygdala microinjection of kainic acid reproduced a pathophysiology of TLE associated with BBB impairment. ZO-1, the main tight junction protein presented discontinuous staining indicating that BBB was affected. Both IgG and albumin extravasations from blood vessels were noted and its parenchymal accumulation was concomitant with seizure occurrence. Another hypothesis of IgG presence in epilepsy incriminates an auto-immune cause. Protein microarray technology was used for identification in pooled plasma samples, of antigens that bind plasma antibody from TLE patients. 19 potential autoantibodies were identified as potential diagnostic biomarkers. Together, these observations suggest that IgG leakage is associated with neuronal impairment, leading to immunological changes in epileptic focus involved in the pathogenesis of TLE. A better interpretation of the profiles of these autoantibodies could offer new therapeutic and diagnostic perspectives.

Dans les maladies neurodégénératives comme la sclérose en plaques, la neuro-inflammation modifie l'activité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) par des altérations cellulaires et moléculaires complexes. La caractérisation de tels changements moléculaires par une approche d'étiquetage in vivo justifie la recherche d’outils de ciblage fiables et de biomarqueurs. Les stratégies pour définir in vivo ces marqueurs sont cependant compliquées par la pléthore de molécules cibles accessibles, par l’intrication des régions atteintes au sein du tissu sain et par les altérations structurales potentielles des molécules cibles étudiées par histopathologie. Le but de ce travail est de rationaliser la découverte de biomarqueurs des altérations moléculaires dans les tissus par une stratégie de sélection in vivo de répertoires de phages présentant des peptides à leur surface (phage display), les ligands présents dans les deux répertoires (sain et pathologique) étant ensuite soustraits physiquement. Cette stratégie de soustraction (« PhiSSH ») permettant d’enrichir un répertoire en ligands spécifiques est d’un intérêt majeur dans le cas de répertoires complexes tels ceux obtenus dans des sélections in vivo.Nous présentons l'application de cette stratégie dans le modèle de rat de la sclérose en plaques, l’Encéphalomyélite Autoimmune Expérimentale (EAE), où les lésions disséminées dans le système nerveux central engendrent la sélection d’une grande quantité de clones s’associant au tissu sain, par comparaison avec les rats témoins en bonne santé. L'efficacité de la technique de soustraction a été contrôlée par séquençage massif des trois repertoires, «EAE», «SAIN», et «SOUSTRACTION». Plus de 95 % des clones communs aux répertoires EAE et contrôle sont absents du répertoire de la soustraction. Un ensemble de clones de phages et des peptides synthétisés chimiquement dessinés après l’analyse bioinformatique du répertoire de soustraction a été testé a) sur des tissus de rats EAE et sains et b) sur des cellules humaines en culture (HCMEC/D3) constituant un modèle de BHE, dans des conditions inflammatoires, (activation IL- 1ß) ou non activées. Un des clones et quatre peptide testés ont montré une association spécifique sur les cellules endothéliales de BHE dans des conditions inflammatoires. Pour identifier la cible d’un phage spécifique des lésions neuro-inflammatoires, nous avons mis en œuvre un procédé de création de liaison covalente entre ce phage et les protéines exprimées par des cellules de BHE cultivées en présence d’IL-1ß, puis effectué une analyse par spectométrie de masse. La galectine-1 est apparue comme une cible potential de ce phage. La découverte de biomarqueurs spécifiques de modifications moléculaires et cellulaires de régions inflammatoires disséminées dans les tissus sains, comme c’est le cas dans la plupart des pathologies présentant une activité neuro–inflammatoire, sera facilitée par l’utilisation de la stratégie de soustraction PhiSSH décrite dans ce document. / In neurodegenerative disorders like multiple sclerosis, neuroinflammation modifies the blood brain barrier (BBB) status by causing complex cellular and molecular alterations. Characterization of such molecular changes by an in vivo labeling approach is most challenging to generate reliable in vivo targeting tools and biomarkers. In vivo strategies to define such markers are, however, hampered by the plethora of the accessible target molecules, the vicinity of diseased target expression among healthy tissue and the potentially structural alterations of target molecules when studied by histopathology. The aim of this work is to streamline the biomarker discovery of pathological molecular tissue alterations by in vivo selection of phage displayed peptide repertoires that are further submitted to physical DNA subtraction (“PhiSSH”) of sequences encoding common peptides in both repertoires (HEALTHY and PATHOLOGY). The strategy of Subtraction allows thus the enrichment of clones specific for one repertoire and is of particular interest for complex repertoires produced by in vivo selection. We present the application of this strategy in the multiple sclerosis rat model, Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) pathology, where target lesions are disseminated in the central nervous system (CNS) generating a large amount of clones binding to healthy tissue among the recovered repertoire clones binding to the lesions by comparison with healthy control rats. The efficiency of the subtraction was monitored by massive sequencing of the three repertoires, «EAE», «HEALTHY», and «SUBTRACTION». More than 95% of the clones common to EAE and Healthy repertoires were shown to be absent from the Subtraction repertoire. A set of randomly chosen clones and synthesized peptides from the EAE and subtraction repertoires were tested for differential labeling of a) diseased and healthy animal tissues and b) an in vitro BBB model, in IL-1ß challenged and resting control state culture human cells (hCMEC/D3). One of the phage clones and 4 chemically synthesized peptides showed specific binding to brain ECs in neuro-inflammatory conditions. Using a strategy of crosslinking of an EAE specific phage clone on protein targets expressed by IL-1ß activated ECs followed by mass spectrometry, we propose hypothetically Galectin-1 as a possible target of this phage. PhiSSH will be useful for in vivo screening of small peptide combinatorial libraries for the discovery of biomarkers specific of molecular and cellular alterations untangled with healthy tissues, as in most pathologies presenting neuroinflammatory activity.

But : La perte de l’intégrité de la barrière hémo-encéphalique (BHE) est l’une des caractéristiques principales de la sclérose en plaques. Cette augmentation de la perméabilité est associée à une désorganisation des molécules de jonction serrée et à une augmentation de l’expression de molécules d’adhérence essentielles à l’extravasation des cellules immunitaires. Identifier de nouvelles molécules impliquées dans ce processus est donc crucial pour le développement de nouvelles thérapies contre la sclérose en plaques visant à promouvoir l’intégrité de la BHE et à diminuer la migration des leucocytes dans le système nerveux central (SNC) au cours du processus neuro-inflammatoire. Dans cette étude, le rôle spécifique de la molécule d’adhérence ALCAM, qui est exprimé à la surface des cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et de certains sous-types de leucocytes, a été évalué. Méthodologie : À l’aide d’une analyse protéomique exhaustive, notre laboratoire a identifié ALCAM comme étant une molécule d’adhérence surexprimée par les CE-BHE mises en culture dans un milieu pro-inflammatoire. Dans le but d’étudier le rôle spécifique d’ALCAM durant la diapédèse leucocytaire, nous avons induit chez des souris de type sauvages et des souris ALCAM déficientes l’encéphalite auto-immune expérimentale (EAE), le modèle animal de la sclérose en plaques. Le rôle d’ALCAM a aussi été étudié à l’aide d’un système d’adhérence sous flux laminaire. Cet appareil, qui imite un capillaire cérébral, permet de suivre en temps réel le mouvement des leucocytes, soumis à une pression physiologique, dans un tube couvert à sa base par des CE-BHE. Résultats : En utilisant ce système d’adhérence, j’ai pu démontrer que des anticorps dirigés contre ALCAM réduisent de façon significative le roulement et l’adhérence de monocytes CD14+ humains à la surface de CE-BHE. Par ailleurs, ces anticorps préviennent de façon marquée la diminution de la vitesse moyenne des cellules au cours de l’expérience. Par le fait même, j’ai aussi observé une réduction significative de l’extravasation des monocytes traités avec de l’anti-ALCAM au travers de CE-BHE dans un modèle statique de migration. Subséquemment, j’ai démontré que ces monocytes migrent plus rapidement et en plus grand nombre au travers d’une barrière constituée de cellules endothéliales méningées à comparer à des CE-BHE. Bien que des observations similaires ont été effectuées en utilisant des lymphocytes T CD4+ humains ex vivo, j’ai été incapable de reproduire ces résultats à l’aide de cellules Th1 et Th17 réactivées in vitro. Par opposition à nos données in vitro, j’ai découvert que les souris déficientes en ALCAM développent une EAE active plus sévère que celle observée chez des souris de type sauvages. Cette EAE est par ailleurs associée à une infiltration périvasculaire de lymphocytes T pro-inflammatoires et de monocytes/macrophages de type M1 plus marqué chez les souris ALCAM déficientes. L’induction d’une EAE par transfert adoptif, dans laquelle des cellules immunitaires de type sauvage réactivées par du MOG sont injectées à des souris déficientes en ALCAM, suggère que la pathophysiologie observée durant l’EAE active serait liée à l’absence d’ALCAM au niveau de la BHE. Une caractérisation de la barrière des souris ALCAM déficientes non immunisées a par la suite révélé une réduction de l’expression de certaines molécules de jonction serrée. Une analyse plus poussée a par ailleurs démontré qu’ALCAM est lié indirectement à des molécules de jonction serrée des CE-BHE, ce qui expliquerait l’augmentation de la perméabilité de celle-ci chez les souris déficientes en ALCAM. Une analyse de la perméabilité intercellulaire de la BHE effectuée in vitro a d’autre part corrélé ces résultats. Conclusion : Collectivement, nos données prouvent qu’ALCAM joue un rôle prépondérant dans la diapédèse des monocytes, mais pas des lymphocytes Th1 et Th17 au travers de la BHE. Par ailleurs, nos résultats suggèrent qu’ALCAM remplit une fonction biologique cruciale favorisant le maintien de l’intégrité de la BHE en agissant comme molécule adaptatrice intermédiaire entre les molécules de jonction serrées et le cytosquelette. De cette façon, l’absence d’ALCAM au niveau des CE-BHE promeut indirectement le recrutement de leucocytes pro-inflammatoires dans le SNC des souris atteintes de l’EAE en augmentant la perméabilité des vaisseaux sanguins de la BHE. / Aim: The loss of blood-brain barrier (BBB) integrity is a hallmark of multiple sclerosis. It is associated with a disorganization of junctional molecules and an upregulation of cell adhesion molecules essential for immune cell transmigration. Identifying novel key players involved in this process is thus crucial for the development of MS therapies aimed at promoting BBB integrity and decreasing leukocytes trafficking into the central nervous system (CNS) during neuroinflammation. In this study, the specific role of the adhesion molecule ALCAM, found on BBB endothelial cells (BBB-ECs) and subsets of leukocytes, was assessed. Methods: We first identified ALCAM as an important molecule upregulated during inflammation in a proteomic screen of in vitro cultured primary human BBB-ECs. In order to study the effects of ALCAM on leukocyte transmigration, both active and passive experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) was induced in ALCAM KO and WT animals. The specific role of ALCAM during leukocyte transmigration was also assessed using a modified adhesion assay under sheer-stress, in which leukocytes flow across a capillary-like channel lined with a monolayer of BBB-ECs under physiological pressure. Results: Using the modified adhesion assay, we demonstrated that anti-ALCAM blocking antibodies significantly reduce the rolling and the adhesion of human CD14+ monocytes interacting with primary human BBB-ECs, as well as prevent their overall decrease in velocity. Concurrently, we also observed a significant reduction in the migration of ex vivo CD14+ monocytes, across a monolayer of human BBB-ECs. These monocytes also migrated more rapidly and in higher number across meningeal endothelial cells, as compared to BBB-ECs. While similar observations were made using ex vivo CD4+ T lymphocytes, we failed to reproduce these results using in vitro activated Th1 and Th17 cells. In opposition to our in vitro data, ALCAM KO mice developed a more severe active EAE associated with a significant increase in perivascular infiltration of pro-inflammatory lymphocytes (Th1/Th17) and M1 monocytes/macrophages, as compared to WT controls. In addition, EAE transfer experiments, in which ALCAM KO mice received WT MOG-reactivated splenocytes, suggested that the pathophysiology observed in active EAE was linked to the absence of ALCAM on BBB-ECs. Phenotypic characterization of un-immunized ALCAM KO mice revealed a reduced expression of BBB junctional proteins. Further analysis showed that ALCAM is indirectly associated with tight junction molecules of the BBB-ECs, which explains the increased CNS parenchymal blood vessel in vivo permeability in ALCAM KO animals. Correlating with these data, primary culture of mouse brain BBB-ECs was shown to possess a lower TEER and an increased permeability coefficient. Conclusion: Collectively, our data provide evidence of the implication of ALCAM in monocyte transmigration, but not Th1 or Th17 lymphocyte diapedesis across CNS endothelium. Our results also point to a biologically crucial function of ALCAM in maintaining BBB integrity by acting as an adaptor molecule between tight junctions and the cytoskeleton. As such, the absence of ALCAM at the level of BBB-ECs indirectly promotes the recruitment of pro-inflammatory leukocytes in the CNS of EAE animals by increasing the BBB vessels permeability.

La barrière hémato-encéphalique (BHE) protège le système nerveux central (SNC) des fluctuations plasmatiques des molécules endogènes, mais aussi exogènes, et notamment des molécules à potentiel thérapeutique. L’imperméabilité de la BHE est compensée par la présence de mécanismes qui assurent le transport transendothélial des nutriments nécessaires au tissu nerveux, parmi lesquels la transcytose relayée par différents récepteurs. Dans le but d’améliorer le transfert d’agents thérapeutiques à travers la BHE, nous développons des « vecteurs » qui se lient à certains de ces récepteurs. Au cours de notre thèse, nous avons développé et optimisé des modèles in vitro de BHE et barrière sang-moelle épinière (BSME) syngéniques de rats et souris, basés sur la co-culture de cellules endothéliales microvasculaires (CEMs) cérébrales (CEMCs) ou spinales (CEMSs) et d'astrocytes. Parmi les récepteurs étudiés, nous montrons que le LDLR est exprimé à la membrane plasmique apicale des CEMCs et qu’il est impliqué dans la transcytose du LDL tout en évitant le compartiment lysosomal, confirmant l’intérêt de son ciblage dans nos approches. Nous montrons que nos vecteurs, conjugués à une molécule organique ou à un cargo protéique, sont endocytés par les CEMCs de façon LDLR-dépendante, évitent le compartiment lysosomal et franchissent la monocouche de CEMCs. Nous avons également mis en place des modèles in vitro de BHE et BSME enflammés, sachant que l’inflammation des CEMs est associée à de nombreuses pathologies du SNC. Ces modèles seront utiles pour évaluer des stratégies de vectorisation ciblant préférentiellement les structures du SNC en situation pathologique. / The blood-brain barrier (BBB) protects the central nervous system (CNS) from plasma fluctuations of endogenous, but also exogenous molecules, including therapeutic molecules. The BBB’s restrictive properties are compensated by the presence of different mechanisms that provide transport of nutrients across the BBB, including transcytosis of endogenous ligands mediated by receptors. Our objective is to improve drug delivery across the BBB and we developed “vectors” that target different recpetors. During our thesis we developed and optimized cellular tools and approaches, in particular syngeneic in vitro models of the BBB and blood-spinal cord barrier (BSCB) from both rat and mouse, based on the co-culture of brain (BMECs) or spinal cord (SCMECs) microvascular endothelial cells (MECs) and astrocytes. Among the receptors we studied, we show that the LDL receptor (LDLR) is expressed at the apical plasma membrane of BMECs and confirmed that it is involved in transcytosis of LDL through the vesicular compartment, while avoiding the lysosomal compartment, further establishing its interest as a target receptor. We show that our vectors conjugated to an organic molecule or to a protein cargo are endocytosed by BMECs in a LDLR-dependent manner, avoid the lysosomal compartment and cross the BMEC monolayers. Finally, we developed BBB and BSCB in vitro models in inflammatory conditions, considering that MECs inflammation is associated with many CNS lesions and pathologies. These models will be useful to better understand the inflammatory processes of CNS endothelial cells and to evaluate vectorization strategies preferentially targeting CNS structures in pathological condition.

La barrière hémo-encéphalique (BHE) est formée des cellules endothéliales microvasculaires cérébrales reliées entre elles par des jonctions serrées. Grâce à sa perméabilité restreinte et sélective, la BHE entrave le passage des molécules et cellules du sang vers le système nerveux central (SNC). Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), une maladie inflammatoire du SNC, la rupture de la BHE permet aux cellules immunes actives d'infiltrer le tissu cérébral. Il s'ensuit une réaction inflammatoire excessive au cours de laquelle d'autres leucocytes sont recrutés dans le cerveau et qui culmine par la formation des plaques de démyélinisation caractéristiques de la SEP. On dénote au niveau de ces lésions une présence importante de lymphocytes T CD4⁺ activés et de cytokines pro-inflammatoires propres à une réponse de type TH1, tels l’IFN-γ et l’IL-1. Curieusement cependant, l’inhibition de la voie TH1 n’empêche pas l’apparition de la maladie dans le modèle murin de la SEP et en aggrave même les symptômes. On attribue maintenant aux lymphocytes TH17, nommées en raison de leur capacité à produire de l’IL-17, un rôle clé dans le développement de la maladie. L’objectif de ce travail de thèse visait à caractériser les lymphocytes TH17 chez l’humain et définir leur contribution exacte dans la fragilisation de la BHE, une étape décisive dans la formation des lésions de SEP. Pour ce faire, nous avons mis au point une méthode expérimentale permettant l’expansion in vitro de populations de lymphocytes TH17 à partir de cellules mononuclées du sang de donneurs sains. Nos travaux démontrent que l’IL-23 induit la production d’IL-17, d’IL-22 et de granzyme B par les lymphocytes T CD4⁺CD45RO⁺ mémoires humains et qu’une proportion des cellules exprime de manière concomitante de l’IL-17 et de l’IFN-γ. La fréquence des lymphocytes T CD4⁺ IL17⁺, IL-22⁺ et des doubles positifs IL-17⁺IFN-γ⁺ est significativement plus élevée dans les lignées de lymphocytes TH17 provenant de patientes en poussée que dans celles de contrôles. Nos analyses démontrent que les cellules endothéliales de la BHE expriment de faibles niveaux des récepteurs de l’IL-17 et de l’IL-22 à l’état basal mais que leur présence est accrue dans le cerveau de patients atteints de SEP. L’activation du récepteur de l’IL-17 entraîne une augmentation de la perméabilité de la BHE et une perturbation de l’organisation des protéines de jonction occludine et ZO-1. Finalement, nous démontrons que la migration des lymphocytes TH17 à travers la BHE est régie en grande partie par la molécule d’adhérence ICAM-1 et que les lymphocytes qui co-expriment l’IL-17 et l’IFN-γ sont plus aptes à franchir la BHE que ceux qui produisent uniquement l’une ou l’autre de ces cytokines. Nous retrouvons d’ailleurs des cellules qui expriment simultanément les facteurs de transcription T-bet et RORC, associés respectivement aux lymphocytes TH1 et aux TH17, au sein des infiltrats péri-vasculaires des lésions actives de SEP. Les travaux présentés dans cette thèse auront permis d’affiner nos connaissances sur les mécanismes d’entrée des lymphocytes TH17 dans le SNC et les propriétés délétères des cytokines qu’ils sécrètent, notamment dans l’activation et la déstabilisation de l’endothélium cérébral. / The blood-brain barrier (BBB) plays a crucial role in protecting the central nervous system (CNS) by restricting entry of cells and molecules into the brain. In the CNS disorder multiple sclerosis (MS), breakdown of the BBB allows activated leukocytes to infiltrate the brain parenchyma, leading to the formation of the characteristic demyelinated lesions. For decades, MS was viewed as a TH1-mediated disease, a notion that was largely supported by studies in its animal model and by the abundance of prototypical TH1-associated cytokines within active MS lesions. However, over the years, accumulating evidence has highlighted the involvement of another subset of CD4⁺ T cells that express IL-17, therefore named TH17 lymphocytes, in the pathology of the disease. The goal of the work presented herein was to characterize the human TH17 lymphocyte population and define their contribution to the disruption of the BBB and leukocyte infiltration into the CNS, both important early events in the formation of MS lesions. To do so, we developed and optimized a method to successfully generate human TH17 lines in vitro from peripheral blood mononuclear cells of healthy donors. We demonstrate that in response to IL-23, human memory CD4⁺CD45RO⁺ but not naïve CD4⁺CD45RA⁺ T lymphocytes produce IL-17, IL-22, and granzyme B, with a subset of cells simultaneously expressing IL-17 and IFN-γ. Interestingly, we measure a significant increase in the percentage of T CD4⁺ IL17⁺, of IL-22⁺, and of IL-17⁺IFN-γ⁺ dual producers in TH17 cell lines expanded from the peripheral blood of acutely relapsing MS women as compared to those generated from healthy controls and remitting MS patients. We show that both IL-17 and IL-22 receptors are upregulated on BBB endothelial cells in situ during inflammation and that IL-17 enhances BBB permeability by disrupting the integrity of tight junction proteins occludin and ZO-1. Finally, we provide evidence that TH17 lymphocytes transmigrate efficiently across human brain endothelial cells via the adhesion molecule ICAM-1 and show that IL-17⁺IFN-γ⁺ double producers have an increased propensity to do so. Accordingly, we detect lymphocytes that display immunoreactivity against both the TH1- and TH17-associated transcription factors T-bet and RORC within perivascular infiltrates of active MS lesions. The work presented in this thesis has refined our understanding of the mechanisms that drive TH17 lymphocyte recruitment into the CNS and shed light on the deleterious effect of TH17-secreted cytokines, specifically in the activation and breakdown of the BBB.