Les patients atteints de syndromes d’hypoventilation centrale ont une hypoventilation associée à une sensibilité au CO2 réduite ou abolie, au moins pendant le sommeil. A ce jour, il n’existe pas de traitement pharmacologique (Gozal, 1998, Cielo & Marcus, 2014). Ce constat nous a conduit à étudier les mécanismes de modulation de la commande centrale respiratoire (CCR) de base ou lors d’une hypercapnie par 3 molécules distinctes (i.e. l’étonogestrel, l’érythropoïétine, la leptine) dontl’implication dans la réponse ventilatoire à l’hypercapnie préalablement démontrée ou suggérée a éveillé un intérêt thérapeutique.Dans ce contexte, l’objectif de ces travaux de thèse a constitué d’une part à caractériser l’influence de ces molécules sur la ventilation de base et sur la réponse ventilatoire à l’hypercapnie,d’autre part à déterminer en parallèle leurs mécanismes d’action. Pour aborder cette problématique,nous avons mené nos expérimentations sur des souris sauvages recevant de l’étonogestrel et des souris génétiquement modifiées sous-exprimant l’érythropoïétine (Epo-TAgh) et déficientes en leptine(ob/ob). Afin appréhender les mécanismes centraux mis en jeu par l’ETO en normocapnie, nous avons couplé l’analyse de la CCR lors d’applications pharmacologiques à de l’histologie fonctionnelle sur des préparations ex vivo de bulbe rachidien-moelle épinière isolé de souris nouveau-née. En revanche pour étudier les mécanismes d’actions de l’Epo et la leptine en normocapnie et lors d’une hypercapnie,nous avons couplé une analyse des variables ventilatoires enregistrées par pléthysmographie à de l’histologie fonctionnelle sur des souris ob/ob et Epo-TAgh. Pour ces dernières, une analyse de la CCR sur des préparations ex vivo de bulbe rachidien-moelle épinière isolé de souris nouveau-né Epo-TAgha également été réalisée. Nos données obtenues chez l’animal sauvage sont permis de mettre en évidence un effet dose dépendant de l’ETO sur la fR de base en normocapnie. L’effet global du progestatif semble résulter de la sommation d’un effet facilitateur bulbaire dépendant d’interactions avec des récepteurs GABAA etNMDA et de l’activation des systèmes sérotoninergiques. L’ensemble de nos expériences réalisées sur les souris génétiquement modifiées Epo-TAgh et ob/ob ont permis de conclure que l’Epo ou la leptine n’était pas nécessaire à l’obtention d’une réponse ventilatoire à l’hypercapnie mais qu’un déficit en Epo ou en leptine induisait une modification du patron ventilatoire et du réseau neuronal activé par l’hypercapnie au niveau bulbaire pour l’Epo et également supra-bulbaire et diencéphalique pour la leptine. Nous posons ainsi l’hypothèse que ces modifications soient reliées à une plasticité neuronale importante induite par la déficience en Epo et en leptine. Les données obtenues ouvrent des perspectives quant au fait de déterminer si les mécanismes enclenchés par les progestatifs de la famille des gonanes visant à moduler la CCR pourraient être utilisés comme une alternative thérapeutique pertinente pour le traitement des troubles respiratoires rencontrés chez des patients souffrants de syndrome d’hypoventilation centrale. Enfin, la plasticité du réseau neuronal respiratoire induite par la déficience en Epo et en leptine pourrait aider à comprendre plus encore les mécanismes de la chémoréception centrale au CO2/H+ et mettre en avant des cibles thérapeutiques potentielles jusque-là insoupçonnées pour le traitement des CHS. / Non communiqué

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse vise à l'approfondissement des connaissances sur l'impact de l'environnement gestationnel sur le développement de la commande respiratoire chez le nouveau-né. La respiration est une activité rythmique et autonome. La maturation des réseaux neuronaux impliqués dans son contrôle commence au cours de la gestation et persiste pendant la période postnatale. Le contrôle respiratoire est donc particulièrement susceptible à des variations de l'environnement intra-utérin. Nous avons étudié l'effet de deux stress gestationnels chroniques distincts : l'exposition à des cannabinoïdes et l'exposition à une hypoxie prénatale. A l'aide de techniques intégrées telles que la pléthysmographie à corps entier, éléctrophysiologiques comme la préparation de tronc cérébrale isolé ou les tranches de bulbes et immunohisto- et neurochimiques, nous avons pu caractériser l'impact des stress prénataux étudiés sur la plasticité respiratoire développementale. Nous avons pu établir un rôle central de l'anandamide dans la modulation de la commande respiratoire, probablement via des mécanismes noradrénergiques. L'exposition prénatale au WIN 55,212-2 induit une hyperventilation basale chez la souris nouveau-née qui semble relever d'altérations périphériques. Elle induit également une accentuation de la réponse centrale à l'hypoxie aigue et affecte l'apparition d'irrégularités respiratoires telles que les apnées. Quant à l'hypoxie prénatale, elle induit une hyperventilation basale d'origine centrale ainsi qu'une augmentation de l'activité catécholaminergique du tronc cérébrale. / Breathing is an autonomic rhythmic activity. The maturation of the neuronal networks responsible for breathing control begins in early gestation and persists throughout the neonatal period. This renders breathing control particularly susceptible to early insults arising from the intra uterine environment. We have studied the effects of two such gestational stress factors, namely prenatal exposure to cannabinoids and to gestational hypoxia. We use a wide array of in vivo and in vitro techniques in order to characterise the effect of the adverse intra uterine environment on the development of respiratory control. These include integrated techniques such as whole body plethysmography, electrophysiological preparations (en bloc and brainstem slice recordings) as well as immunohisto- and neurochemical approaches. We show that the prenatal stress factors induce developmental respiratory plasticity. This translates as heightened basal ventilation, observed following prenatal exposure to both cannabinoids and hypoxia. Comparisons between in vivo and in vitro techniques reveal a peripheral origin for the alterations observed following prenatal exposure to cannabinoids, suggesting a perturbation of the initiation and/or integration of information from the peripheral carotid bodies. Following prenatal hypoxia, respiratory perturbations have a central origin and can thus be observed in reduced preparations such as brainstem slice recordings. Neurochemical and immunohistochemical assays also reveal alterations in the bioaminergic modulation of the respiratory rhythm generator, perhaps underpinning the observed effects on respiratory control.

Ce travail doctoral est consacré aux interactions entre la commande respiratoire et le désogestrel et son métabolite actif, l’étonogestrel. Le syndrome d’hypoventilation alvéolaire centrale congénitale (CCHS) est une pathologie neuro-respiratoire caractérisée par une absence de sensibilité à l’hypercapnie. Au sein du laboratoire, une observation a montré, chez deux patientes CCHS, une récupération de la chémosensibilité au CO2/H+ après exposition au désogestrel (Straus et al. 2010). Cependant, cette récupération n’étant pas systématique, il est important de caractériser les mécanismes d’action de ces molécules. Nous avons d’abord analysé rétrospectivement les variables respiratoires de base de ces deux patientes puis, chez le rongeur, utilisé différentes approches pharmacologiques et d’histologie fonctionnelle. Nous avons observé, chez les deux patientes CCHS, une augmentation de la fréquence respiratoire induite par le désogestrel. Chez l’animal, nous avons montré que l’étonogestrel exerçait un effet facilitateur bulbaire sur la fréquence respiratoire avec implication des systèmes sérotoninergiques. In vivo, l’étonogestrel exerce un effet dose-dépendant avec un effet facilitateur pour de faibles concentrations et un effet modérateur pour de plus fortes concentrations. D’autre part, nous avons montré que l’étonogestrel induit une potentialisation de la réponse à l’hypercapnie qui impliquerait des structures supra-bulbaires. Les résultats obtenus caractérisent les interactions de ce progestatif avec la commande respiratoire permettant d’ouvrir des perspectives quant aux conditions dans lesquelles des patients souffrant de ce syndrome pourraient recevoir ce progestatif dans le cadre d’un traitement. / The present doctoral work was investigated after clinical observations in patients suffering of congenital central alveolar hypoventilation syndrome (CCHS). This pathology is characterized by a decrease in the sensitivity to hypercapnia. In our laboratory, an observation shown, in such patients, a recovery of the chemosensibility to CO2/H+ after exposure to a gonane progestin, the desogestrel (Straus et al. 2010). However, this recovery was not systematic. So, it is important to characterize action mechanisms of etonogestrel, the active metabolite of the desogestrel. We retrospectively analyzed basal respiratory variables in the two CCHS patients include in the previous study (Straus et al. 2010) and used pharmacological and functional histological approaches on in vivo and ex vivo rodents. In both CCHS patients, we observed an increase in basal respiratory frequency induced by desogestrel. Results obtained in ex vivo central nervous system preparations highlighted, in normocapnia, a facilitatory effect of etonogestrel on the respiratory frequency involving medullary serotoninergic mechanisms. In vivo, this facilitatory effect is observed at 10-4/10-3mg/kg of etonogestrel but not at 1mg/kg, suggesting the activation of 1moderator mechanisms depending on supramedullary or peripheral systems. Furthermore, a potentiation of the respiratory response to hypercapnia was observed after exposure to etonogestrel. Data coming from ex vivo experiments pointed out the involvement of supramedullary areas. To conclude, whole of results reveal or characterize interactions of gonane progestin with the respiratory driveleading to perspectives for determining the conditions in which CCHS patients may receive this progestin for their treatment.

L'érythropoïétine (EPO) est une cytokine ayant un rôle important dans l'homéostasie de l'oxygène (O2). Lors d'une hypoxie chronique, l'EPO stimule la maturation des progéniteurs érythroïdes en globules rouges augmentant ainsi le transport de l'O2 aux tissus. Outre cet effet érythropoïétique, l'EPO module la réponse ventilatoire à l'hypoxie (RVH) par une action directe sur la commande centrale respiratoire (CCR) et les chémorécepteurs périphériques. Cet effet a été principalement caractérisé chez des souris mutantes surexprimant l'EPO. Cependant, plusieurs aspects de l'effet de l'EPO sur l'activité du réseau respiratoire demeurent inconnus. Nos résultats montrent qu'une application aigüe d'EPO diminue la dépression centrale hypoxique mesurée in vitro chez le nouveau-né. En revanche, elle n'affecte pas la RVH mesurée in vivo au cours du développement postnatal mais diminue la fréquence des apnées survenant en hypoxie sévère à 6% d'O2. Aussi, chez la souris adulte, l'administration chronique d'EPO et de C-EPO augmente la sensibilité des chémorécepteurs périphériques à l'O2 et maintient la ventilation durant la phase tardive de la RVH. Enfin, l'EPO diminue la sensibilité ventilatoire à l'hypercapnie grâce à des effets périphériques et centraux. L'ensemble de nos résultats montrent que l'EPO module la respiration et contribue à l'homéostasie de l'O2 et du CO2 grâce à ses effets plasmatiques et centraux. Elle représente un candidat à fort potentiel thérapeutique pour les pathologies respiratoires où la sensibilité chimique à l'O2 et au CO2 sont altérés telles que l'apnée du nouveau-né ou le mal chronique des montagnes. / Erythropoietin (EPO) is a cytokine that plays a major role in O2 homeostasis. Upon chronic hypoxia, EPO stimulates the maturation of erythroid progenitors into red blood cells, contributing to increased O2 carrying to tissues. Besides this well-known erythropoietic effect, EPO also modulates the respiratory response to hypoxia by interacting with the central respiratory network in the brainstem and the peripheral chemoreceptors. This effect was mainly characterized in adult mutant mice that overexpress EPO. Several aspects regarding EPO's effect on breathing regulation remain unknown. Our results show that acute EPO treatment increases the O2 sensitivity of the central respiratory network in newborn mice in vitro. However, EPO does not impact the hypoxic ventilatory response to hypoxia in vivo, but decreases the apneic events during severe hypoxia in mice at postnatal day 7. In WT adults, chronic but not acute EPO and C-EPO treatment increases the O2 sensitivity by stimulating both peripheral chemoreceptor and central respiratory network. Finally, both cerebral and plasmatic EPO blunt the ventilatory response to increased CO2 levels in adult mice. Taken together, these results imply that EPO, by acting on the ventilatory system, plays a key role in the modulation of the chemical sensitivity to O2 and CO2.

Le syndrome d'Ondine est une pathologie caractérisée par une abolition de la chémosensibilité au CO2/H+. Des données cliniques suggèrent que le désogestrel, un progestatif de la famille des gonanes, induit une récupération de la chémosensibilité (Straus et al., 2010). Ce travail avait pour objectif de mieux comprendre les mécanismes centraux par lesquels l'étonogestrel (ETO, le métabolite du désogestrel) permettrait d'induire une récupération de la chémosensibilité. Pour cela des approches pharmacologiques ont été couplées à de l'histologie fonctionnelle sur des préparations ex vivo de système nerveux central de rat nouveau-né. Les résultats obtenus ont mis en évidence qu’une exposition à l’ETO, dans une gamme de concentration proche de l’exposition clinique, renforce la réponse respiratoire au CO2/H+ et ce uniquement en présence du diencéphale. Plus précisément ce mécanisme aurait pour origine l’activation des neurones orexinergiques. L’analyse du profil d’expression de c-fos a montré que des structures du tronc cérébral, impliquées dans l’adaptation de la commande centrale respiratoire, étaient activées ou suractivées en présence d’ETO. Pour la majorité leur activation ou suractivation semblent dépendre de la signalisation orexinergique puisque l’effet de l’ETO est absent lors de l’antagonisation des récepteurs à l’orexine. Nous émettons alors l’hypothèse que la récupération de la chémosensibilité au CO2/H+ sous désogestrel implique, au moins en partie, les voies neuronales révélées dans notre étude. / Ondine’s curse is a disease characterized by a dysfunction of the CO2/H+ chemosensitivity. Clinical observation suggest that desogestrel, a progestin of the gonane family, have induced a recovery of CO2/H+ chemosensitivity (Straus et al., 2010).This work aimed to have a better understanding of the central mechanisms by which etonogestrel (ETO, the metabolite of desogestrel) may have induced a recovery of CO2/H+ chemosensitivity. Pharmacological exposures and c-fos expression analysis were performed in parallel on ex vivo preparations of central nervous system from newborn rats.Our results indicated that ETO strengthens the respiratory response to metabolic acidosis in a range of concentration close to the clinical exposure, by a diencephalic-dependent mechanism. More precisely our results suggested that this effect relied on the activation of diencephalic orexinergic neurons. Besides, the analysis of the c-fos expression revealed that ETO over-activated and activated several respiratory-related brainstem structures. For most of them their activation or overactivation seems to depend on the orexinergic signalisation since the increase in c-fos expression observed in response to ETO is no longer present when orexinergic receptors are antagonized. We assume that our results highlighted, at least in part, the neuronal pathway used by ETO to induce a recovery of the CO2/H+ chemosensitivity in Ondine patients.Our data open up pieces of reflexion about conditions about the mechanisms, underlined the recovery of CO2/H+ chemosensitivity in Ondine patients.