Contexte: L'encéphalopathie hépatique (EH) est une complication majeure de la maladie hépatique chronique (MHC) caractérisée par des symptômes débilitants, notamment des troubles cognitifs, psychiatriques et moteurs. Il est cru que l’EH, définie comme étant un syndrome métabolique, disparaît après une transplantation hépatique (TH). Cependant, des complications neurologiques persistantes ont été signalées chez jusqu'à 47 % des receveurs de TH. Plusieurs études rétrospectives ont démontré une association entre des antécédents d'épisodes d'EH pré-TH et une mauvaise condition neurologique après la TH. D’autre part, l’alcool est un facteur étiologique fréquent à l’origine de la MHC. Cependant, une consommation excessive d’alcool a également un impact sur le cerveau. À ce jour, l’impact des épisodes d’EH ainsi que de l’alcool sur le développement de l’EH et l’intégrité cérébrale reste indéfini. Par conséquent, nos objectifs étaient 1) d’évaluer l'impact de plusieurs épisodes d’EH (induits par l'ammoniac) et 2) d'évaluer l'effet d'une consommation constante d'alcool sur le déclin neurologique, l'intégrité et les lésions cérébrales chez les rats atteints de MHC induite par la ligature des voies biliaires (LVB). Méthodes: Pour le premier objectif, des rats LVB ont reçu une injection (s.c.) d'acétate d'ammonium (LVB-Ammoniac), précipitant un épisode sévère d'EH réversible (perte du réflexe de redressement) tous les 4 jours à partir de la semaine 3 post-chirurgie LVB ( total ; 4 épisodes). Des rats SHAM ont également reçu une injection d'ammoniaque et des rats témoins BDL/SHAM ont reçu une injection de solution saline. La coordination motrice (rotarod) et la mémoire à court et à long-terme (test de reconnaissance d'objets nouveaux) ont été évaluées une semaine après la dernière injection. Pour évaluer l'intégrité neuronale, une analyse d’immunobuvardage de type Western et d’immunofluorescence a été réalisée dans le cortex frontal, le cervelet et l'hippocampe. Pour le deuxième objectif, des rats LVB ont reçu de l'alcool (LVB-Alcool) deux fois par jour (51 % v/v, dose de 3 g/kg, par gavage) pendant 4 semaines. Les rats SHAM ont également reçu de l'alcool et les rats LVB/SHAM servant de contrôles ont reçu une solution saline. La coordination motrice (rotarod) et le comportement anxieux (champ ouvert et labyrinthe surélevé) ont été évalués une semaine après la dernière administration d'alcool. Des analyses d’immunobuvardage de type Western et d’immunofluorescence ont été effectuées pour étudier l'intégrité neuronale du cortex frontal et du cervelet. Résultats: Chez les LVB-Ammoniac, des niveaux protéiques plus élevés d’un marqueur astrocytaire (GFAP) et apoptotique (caspase-3 et Bax/Bcl2) ont été trouvés dans l'hippocampe, alors que les niveaux de marqueurs neuronaux (NeuN et SMI311) ont été réduits par rapport à tous les autres groupes expérimentaux. Les rats LVB-Ammoniac ont présenté des niveaux accrus de stress oxydatif plasmatique par rapport aux rats SHAM/BDL respectifs. Une diminution des niveaux de capacité antioxydante totale (CAT) et une augmentation des protéines modifiées par le 4-HNE ont été observées dans l'hippocampe (et non dans le cortex frontal ou le cervelet) du groupe LVB-Ammoniac par rapport aux rats SHAM/BDL respectifs. Les résultats d'immunofluorescence ont révélé la colocalisation du marqueur apoptotique (caspase-3 clivée) avec un marqueur neuronal (NeuN) dans la région CA1 de l'hippocampe des rats LVB-Ammoniac. Chez les rats LVB-alcool, il a été démontré une altération de la coordination motrice aux semaines 2, 3, 4 et 5 ainsi qu'une augmentation du comportement anxieux par rapport aux rats SHAM respectifs. Chez les rats BDL-alcool, il a été démontré une diminution des marqueurs neuronaux (NeuN et SMI311), une augmentation de l'activité enzymatique apoptotique (caspase-3 clivée), une augmentation des marqueurs de nécroptose (pRIP3 et pMLKL), une diminution de la CAT et une augmentation des protéines modifiées par 4-HNE dans le cervelet par rapport à tous les groupes. Les résultats d'immunofluorescence ont révélé la colocalisation du marqueur apoptotique (caspase-3 clivée) et du marqueur de nécroptose (pMLKL) dans les neurones de la couche granulaire du cervelet de rats LVB-alcool. Conclusion: De multiples épisodes d'EH sévère ont entraîné une perte de cellules neuronales dans l'hippocampe des rats LVB et qui est associée à une augmentation du stress oxydatif, à l'apoptose et à une diminution des cellules neuronales. Des niveaux élevés du marqueur astrocytaire (GFAP) dans l'hippocampe insinuent une gliose, pouvant être le résultat d'une perte neuronale. De plus, l'administration d'alcool aggrave les troubles de la coordination chez les rats LVB et qui ont été associés à une augmentation du stress oxydatif, à une diminution des marqueurs neuronaux (NeuN et SMI311) avec l’apoptose et la nécroptose dans le cervelet des rats LVB-alcool. Globalement, de multiples épisodes d’EH sévère ainsi qu'une consommation constante d'alcool, via le stress oxydatif, déclenchent une perte/lésion neuronale qui entraînera par conséquent une mauvaise condition neurologique après la TH. / Background: Hepatic encephalopathy (HE) is a major complication of chronic liver disease (CLD) characterized by debilitating symptoms, including cognitive, psychiatric, and motor disturbances. HE, defined as a metabolic syndrome, is believed to resolve following liver transplantation (LT). However, persisting neurological complications have been reported in up to 47% of LT recipients. Several retrospective studies have demonstrated an association between a history of HE episodes pre-LT and poor neurological outcome following LT. Furthermore, alcohol is a common etiological factor which causes CLD. However, excessive alcohol consumption also impacts the brain. To date, the impact of HE episodes as well as of alcohol on the development of HE and brain integrity remains undefined. Therefore, our aims were to 1) evaluate the impact of multiple episodes (induced by ammonia) and 2) evaluate the effect of constant alcohol consumption on neurological decline, brain integrity and injury in rats with CLD induced via bile-duct ligation (BDL). Methods: In the first aim, BDL rats were injected (s.c.) with ammonium acetate (BDLAmmonia), precipitating a reversible overt episode of HE (loss of righting reflex) every 4 days from week 3 post-BDL surgery (total; 4 episodes). SHAM rats were also injected with ammonia and BDL/SHAM rats were injected with saline as controls. To assess the neuronal integrity, western blot and immunofluorescence analysis were performed for frontal cortex, cerebellum, and hippocampus. Motor coordination (rotarod) and short- and long-memory (novel object recognition test) were assessed one week following last injection. In the second aim, BDL rats were administered alcohol (BDL-Alcohol) twice a day (51% v/v, dose of 3g/kg, via gavage) for 4 weeks. SHAM rats also received alcohol and BDL/SHAM rats received saline as controls. Motor coordination (rotarod) and anxiety-like behavior (open field and elevated plus maze) were assessed one week following last alcohol administration. Western blot and immunofluorescence analyses were performed to investigate neuronal integrity in frontal cortex and cerebellum. Results: In BDL-Ammonia, higher protein levels of astrocytic marker (GFAP) and apoptotic markers (caspase-3 and Bax/Bcl2) were found in the hippocampus, whereas neuronal markers (NeuN and SMI311) levels were reduced compared to all other experimental groups. BDLAmmonia rats showed increased levels of plasma oxidative stress compared to respective SHAM/BDL rats. Decreased levels of total antioxidant capacity (TAC) and increased 4-HNE modified proteins were found in the hippocampus (not in frontal cortex or cerebellum) of the BDL-Ammonia group compared to respective SHAM/BDL rats. Immunofluorescence results revealed the colocalization of apoptotic marker (cleaved caspase-3) with neuronal marker (NeuN) in the CA1 region of the hippocampus of BDL-Ammonia rats. BDL-Alcohol rats demonstrated impaired motor coordination at weeks 2, 3, 4, and 5 as well as an increase in anxiety-like behavior compared to respective SHAM rats. BDL-Alcohol rats showed a decrease in neuronal markers (NeuN and SMI311), an increase in apoptotic enzyme activity (cleaved caspase-3), an increase in necroptosis markers (pRIP3 and pMLKL), a decrease in TAC and an increase in 4-HNE modified proteins in the cerebellum compared to all groups. Immunofluorescence results revealed the colocalization of apoptotic marker (cleaved caspase3) and necroptosis marker (pMLKL) in granular layer neurons of the cerebellum of BDLAlcohol rats. Conclusion: Multiple episodes of overt HE led to neuronal cell loss in the hippocampus of BDL rats which was associated with increased oxidative stress, apoptosis and decreased neuronal count. Elevated levels of astrocytic marker (GFAP) in the hippocampus insinuate gliosis, possibly a result of neuronal loss. Moreover, alcohol administration worsens coordination impairments in BDL rats which were associated with increased oxidative stress, decreased neuronal markers (NeuN and SMI311) with apoptosis and necroptosis in the cerebellum of BDL-Alcohol rats. Overall, both multiple episodes of overt HE as well as continuous alcohol consumption, via oxidative stress, triggers neuronal loss/injury which consequently will lead to poor neurological outcome post-LT.

L’œdème cérébral est une complication associée à l’encéphalopathie hépatique (EH) lors d’une insuffisance hépatique chronique (cirrhose du foie). Présentement, l’origine de sa pathogenèse, vasogénique (rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE)) ou cytotoxique (prise anormale d’ions), n’a pas encore été déterminée. Il a été démontré que le co-transporteur Na-K-Cl (NKCC1) du côté luminal des microvaisseaux sanguins cérébraux (CMV) joue un rôle dans le développement de l’œdème cérébral dans des modèles d’ischémie où la bumetanide, un inhibiteur de NKCC, atténue l’œdème cérébral. Deux modèles d’EH ont été utilisés pour cette étude i) la ligature de la voie biliaire (BDL) qui présente l’hyperammoniémie chronique, l’œdème cérébral et le stress oxydatif systémique ; ii) l’anastomose portocave (PCA) qui présente de l’hyperammoniémie chronique seulement. Les buts du projet étaient de: i) définir l’origine du développement de l’œdème chez les rats BDL en étudiant l’extravasation de macromolécules, les jonctions serrées et l’activation des métalloprotéinases matricielles de la BHE; ii) observer les effets de l’hyperammoniémie chronique indépendamment sur la BHE chez les rats PCA; iii) évaluer le rôle de l’hyperammoniémie et du stress oxydatif et iv) étudier le rôle du NKCC1 dans les CMV dans la pathogenèse de l’œdème cérébral. Les résultats du projet démontrent que l’œdème est d’origine cytotoxique chez les rats BDL et que l’intégrité de la BHE est conservée chez les rats PCA malgré l’hyperammoniémie. L’expression génique du NKCC1 est associée à l’œdème mais pas son expression protéique et sa phosphorylation. Enfin, l’étude démontre que l’hyperammoniémie et le stress oxydatif indépendant ne jouent pas un rôle dans la pathogenèse de l’œdème mais suggère qu’ils y aient un effet synergique. / Brain edema is a complication associated with hepatic encephalopathy (HE) due to chronic liver failure (cirrhosis). It is unclear whether brain edema is of vasogenic (blood brain barrier (BBB) breakdown) or cytotoxic (abnormal cellular uptake of ions) origin. It has been demonstrated that the Na-K-Cl cotransporter (NKCC1) located on the luminal side of the cerebral microvessels (CMV) is implicated in the pathogenesis of brain edema in animal models of ischemia and that the administration of bumetanide, an inhibitor of NKCC, attenuates brain water increase. Two distinct animal models of chronic liver failure and HE are used in the present study; 1) bile duct ligation (BDL) where brain edema, chronic hyperammonemia and systemic oxidative stress are observed; 2) portacaval anastomosis (PCA) where only chronic hyperammonemia is observed. The aims of the study were to: i) determine the origin of brain edema in BDL rats measuring brain extravasation, tight junctions expression and matrix metalloproteinase activation; ii) observe the effects of chronic hyperammonemia on the BBB in PCA rats; iii) study the role of oxidative stress and hyperammonemia; iv) evaluate the role of NKCC in CMV in the pathogenesis of brain edema. The results of the study determined that brain edema in BDL rats is of cytotoxic origin and chronic hyperammonemia independently has no effect on the BBB. An increase of NKCC1 mRNA is associated with brain edema but protein expression and phosphorylation are not. Furthermore, hyperammonemia and oxidative stress independently are not implicated in the development of brain edema however a synergistic effect between the two pathogenic factors in BDL rats remains a possibility.

L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par la perte soudaine de la fonction hépatique résultant de la nécrose massive des hépatocytes en l’absence de pathologie hépatique préexistante. L’IHA s’accompagne de perturbations métaboliques et immunologiques qui peuvent entraîner l’apparition de complications périphériques et cérébrales telles qu’un syndrome de réponse inflammatoire systémique (SIRS), une encéphalopathie hépatique (EH), un œdème cérébral, une augmentation de la pression intracrânienne, et la mort par herniation du tronc cérébral. Les infections sont une complication fréquente de l’IHA et elles sont associées à un risque accru de développer un SIRS et une aggravation subséquente de l’EH avec un taux de mortalité augmenté. L’ammoniaque joue un rôle majeur dans les mécanismes physiopathologiques qui mènent au développement de l’EH et de l’œdème cérébral, et des études récentes suggèrent que les cytokines pro-inflammatoires sont également impliquées. Le but de cette thèse est d’étudier le rôle des cytokines pro-inflammatoires circulantes et cérébrales dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral lors d’IHA. Dans l’article 1, nous démontrons que l’inhibition périphérique du facteur de nécrose tumorale-α (TNF-α) par l’etanercept retarde la progression de l’EH en diminuant le dommage hépatocellulaire, réduisant l’inflammation périphérique et centrale ainsi que le stress oxydatif/nitrosatif hépatique et cérébral associé chez la souris avec une IHA induite par l’azoxyméthane (AOM). Ces résultats démontrent un rôle important du TNF-α dans la physiopathologie de l’EH lors d’IHA d’origine toxique et suggèrent que l’etanercept pourrait constituer une approche thérapeutique dans la prise en charge des patients en attente de transplantation hépatique. Dans l’article 2, nous simulons la présence d’une infection chez la souris avec une IHA induite par l’AOM pour mettre en évidence une éventuelle augmentation de la réponse inflammatoire. Nous démontrons que l’endotoxémie induite par le lipopolysaccharide (LPS) précipite la survenue du coma et aggrave la pathologie hépatique. Les cytokines pro-inflammatoires systémiques et cérébrales sont augmentées de façon synergique par le LPS lors d’IHA et résultent en une activation accrue de la métalloprotéinase matricielle-9 cérébrale qui s’accompagne d’une extravasation d’immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme cérébral. Ces résultats démontrent une augmentation majeure de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui contribue à la pathogenèse de l’EH lors d’IHA en condition infectieuse. Les résultats de l’article 3 démontrent que l’augmentation de la perméabilité de la BHE lors d’IHA induite par l’AOM en condition non infectieuse ne résulte pas de l’altération de l’expression des protéines constitutives de la BHE. Dans l’article 4, nous démontrons que l’exposition d’astrocytes en culture à des concentrations physiopathologiques d’ammoniaque ou d’interleukine-1β résulte en l’altération de gènes astrocytaires impliqués dans la régulation du volume cellulaire et dans le stress oxydatif/nitrosatif. Un effet additif est observé dans le cas d’un traitement combiné au niveau des gènes astrocytaires impliqués dans le stress oxydatif/nitrosatif. L’ensemble des résultats de cette thèse démontre un rôle important de l’inflammation périphérique et cérébrale dans la survenue des complications neurologiques lors d’IHA et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués pourrait contribuer à la mise en place de stratégies thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA en attente de transplantation. / Acute liver failure (ALF) is the clinical manifestation of an abrupt loss of hepatic function resuting from a massive hepatocyte necrosis in a patient with no preexisting liver disease. ALF is associated with metabolic and immunological disturbances that may lead to peripheral and cerebral complications such as systemic inflammatory response syndrome (SIRS), hepatic encephalopathy (HE), brain edema, increased intracranial pressure (ICP) and ultimately death by cerebral herniation. ALF is frequently complicated by infections, which are known to increase the risk of developing a SIRS with a subsequent worsening of HE and higher mortality rates. Ammonia plays a pivotal role in the pathophysiological mechanisms leading to HE and brain edema, and recent studies suggest that pro-inflammatory cytokines may also be involved. The aim of this thesis is therefore to investigate the role of circulating and cerebral pro-inflammatory cytokines in the setting of HE and brain edema during ALF. In article No. 1, we demonstrated that peripheral inhibition of tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) by etanercept delays the progression of HE by reducing hepatocellular damage, decreasing peripheral and cerebral inflammation as well as associated oxidative/nitrosatif stress in mice with ALF induced by azoxymethane (AOM). These findings demonstrate an important role of TNF-α in the pathophysiology of HE during toxic liver injury and suggest that etanercept may provide a therapeutic approach in the management of patient awaiting liver transplantation. In article No. 2, we mimicked infection in mice with AOM-induced ALF in order to better understand the effects of an increased inflammatory response. We demonstrated that endotoxemia induced by lipopolysaccharide (LPS) precipitates the onset of coma and worsens the liver pathology. Peripheral and brain pro-inflammatory cytokines are synergistically raised by LPS during ALF and result in a large increase in cerebral matrix metalloprotease-9 (MMP-9) activity that was associated with immunoglobulin G (IgG) extravasation in the brain parenchyma. These results demonstrate a major increase of blood-brain barrier (BBB) permeability that contributes to the pathogenesis of HE during ALF with superimposed infection. Results from article No. 3 demonstrate that increase of BBB permeability during AOM-induced ALF without superimposed infection is not due to alteration of BBB constitutive proteins. In article No. 4, we demonstrated that exposure of cultured astrocytes to pathophysiological concentrations of ammonia or interleukin-1β results in an alteration of the expression of astrocytic genes implicated in cell volume regulation and oxidative/nitrosative stress. An additive effect on astrocytic genes implicated in oxidative/nitrosative was made evident in case of co-treatment. Taken together, results of the present thesis demonstrate a major role of peripheral and cerebral inflammation in the onset of neurological complications during ALF and a better understanding of the pathophysiological mechanisms implicated may contribute to new therapeutic strategies for ALF patients awaiting transplantation.

L'encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique dû à une dysfonction hépatique où l'ammoniaque est un facteur central. Il a déjà été rapporté que l’intoxication aiguë d'ammoniaque induise le stress oxydatif/nitrosatif. La présente étude cible à évaluer le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans 2 modèles de l’EH chronique : (1) l’anastomose portocave (PCA) et (2) la ligation de la voie biliaire (BDL). Ces 2 modèles sont caractérisés par une hyperammoniémie et une augmentation d’ammoniaque centrale, cependant l’œdème cérébral est trouvé seulement chez les rats BDL. Des marqueurs du stress oxydatif/nitrosatif ont été évaluées dans le plasma et cortex frontal. Un stress nitrosatif central a été observé chez les rats PCA; tandis qu’un stress oxydatif/nitrosatif systémique a été démontré seulement chez les rats BDL. Ces résultats suggèrent (1) que l’hyperammoniémie chronique n’induise pas le stress oxydatif/nitrosatif systémique et (2) qu’un synergisme existe entre l’ammoniaque et le stress oxydatif/nitrosatif, en association avec l’œdème cérébral. / Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric complication due to liver failure where ammonia is believed to be central in the pathogenesis. Acute ammonia intoxication has demonstrated to induce oxidative/nitrosative stress in both in vivo and in vitro models. The present study was aimed to assess the role of oxidative/nitrosative stress in 2 models of chronic liver failure/HE; 1. portacaval anastomosis (PCA) and 2. bile duct ligation (BDL). Both models are characterised with hyperammonemia and increased brain ammonia however cerebral edema is only found in BDL rats. Oxidative/nitrosative stress markers were evaluated in plasma and frontal cortex of both animal models. Central nitrosative stress was observed in PCA rats, but systemic oxidative/ntrosative stress was demonstrated only in BDL rats. The results of our study suggest i) chronic hyperammonemia does not induce oxidative stress and ii) a synergistic effect between ammonia and systemic oxidative/nitrosative stress is associated with cerebral edema.

L’encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique découlant des complications de l'insuffisance hépatique. Les patients souffrant d'une insuffisance hépatique chronique (IHC) présentent fréquemment une EH minimale (EHM) caractérisée par des dysfonctions cognitives subtiles qui affectent leur qualité de vie. L'insuffisance hépatique entraîne une hyperammoniémie, le facteur central dans la pathogenèse de l'EH. Pourtant, les taux d'ammoniaque sérique ne sont pas corrélés avec la sévérité de l'EH lors d'une IHC, suggérant que d'autres facteurs y contribuent. L'oedème cérébral est une caractéristique neuropathologique décrite chez les patients souffrant d'une EHM et plusieurs facteurs dont le stress oxydatif, les altérations du métabolisme énergétique et l'augmentation de la glutamine cérébrale pourraient contribuer à la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. Les mécanismes sous-jacents exacts ainsi que les relations entre ces facteurs et l'ammoniaque ne sont pas connus. Présentement, le seul traitement efficace de l'IHC est la transplantation hépatique, une option thérapeutique très limitée. Le but de cette thèse est de contribuer à l'avancement des connaissances sur les mécanismes sous-jacents liés au rôle du stress oxydatif, de la glutamine et du lactate dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC afin d'envisager de nouvelles options thérapeutiques. Les objectifs précis étaient: 1. Établir le rôle de l’ammoniaque et sa relation avec le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. 2. Établir le rôle du stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral, sa relation avec l'ammoniaque et l'effet du traitement avec des antioxydants. 3. Confirmer l'effet synergique entre l'ammoniaque et le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral. 4. Établir le rôle du lactate et de la glutamine dans la pathogenèse de l'oedème cérébral et leur relation avec l’ammoniaque. Pour atteindre ces objectifs, 2 modèles animaux d'EHM obtenus par microchirurgie chez le rat ont été utilisés: 1) la ligature de voie biliaire, un modèle d'IHC et 2) l'anastomose porto-cave, un modèle d'hyperammoniémie induite par la dérivation portosystémique. Nos résultats démontrent que l'ammoniaque et le stress oxydatif indépendamment n'induisent pas l'oedème cérébral lors d'une EHM. Pourtant, lorsque les 2 facteurs agissent ensemble ils présentent ii un effet synergique qui entraîne le développement de l'oedème cérébral, le stress oxydatif étant une première insulte, qui est suivie par l'hyperammoniémie comme deuxième insulte. En plus, le stress oxydatif a été mis en évidence seulement au niveau systémique, et non au niveau central dans notre modèle d'IHC en association avec l'oedème cérébral, suggérant que le stress oxydatif systémique est une conséquence de la dysfonction hépatique et que l'hyperammoniémie n’induit pas le stress oxydatif ni systémique ni central. Nous avons démontré qu’une augmentation du lactate cérébral est une conséquence directe de l'hyperammoniémie et joue un rôle important dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC, tandis qu’une augmentation de la glutamine au niveau cérébral n'est pas un facteur clé. La compréhension de ces mécanismes a entraîné la proposition de 3 nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles pour l'EHM. Elles ciblent la diminution de l'ammoniaque sérique, la réduction du stress oxydatif et l'inhibition de la synthèse du lactate. / Hepatic encephalopathy (HE) is a metabolic neuropsychiatric syndrome which occurs as a complication of liver failure/disease. Patients with chronic liver disease (CLD) present often with minimal HE (MHE) characterized by subtle cognitive dysfunction which impairs their quality of life. Impaired liver function leads to hyperammonemia which is a central factor in the pathogenesis of HE. However, ammonia alone is poorly correlated with the severity of HE during CLD, strongly suggesting other factors may contribute. Brain edema is a neuropathological feature described in MHE patients and several factors such as oxidative stress, energy metabolism alterations and an increase in glutamine may to contribute to the pathogenesis of brain edema during HE related to CLD. However the exact underlying mechanisms and the relationships between these factors and ammonia are poorly understood. To date, the only effective treatment of CLD remains liver transplantation, a limited therapeutic option. The aim of this thesis is to advance the knowledge into the mechanisms underlying the role of oxidative stress, glutamine and lactate in the pathogenesis of brain edema during MHE associated with CLD in order to uncover new therapeutic options. The study objectives were: 1. Define the role of ammonia and its relationship with oxidative stress in the pathogenesis of brain edema in CLD. 2. Define the role of oxidative stress in the pathogenesis of brain edema, its relationship with ammonia as well as the effect of antioxidant treatment. 3. Confirm a synergistic role of ammonia and oxidative stress in the pathogenesis of brain edema. 4. Define the role of lactate and glutamine in the pathogenesis of brain edema and their relationship with ammonia. To achieve these objectives, we used 2 microsurgical rat models: 1) bile-duct ligation, a cirrhosis model and 2) portacaval anastomosis, a hyperammonemia model following portal-systemic shunting. Our findings demonstrate that ammonia and systemic oxidative stress independently do not induce brain edema in MHE related to CLD. However, when both factors are present, they exert a synergistic effect leading to the development of brain edema with oxidative stress presenting as a “first hit”, followed by hyperammonemia as a “second hit”. Moreover, solely systemic and not central oxidative stress was observed in our CLD rat model in relation to brain edema implying that systemic oxidative stress is a consequence of liver dysfunction and that central oxidative stress is not a direct iv effect of hyperammonemia in the setting of CLD. Moreover, we revealed that increased cerebral lactate is a direct consequence of hyperammonemia and also plays an important role in the pathogenesis of brain edema, while increased cerebral glutamine does not. The understanding of these mechanisms led to the proposal of three different strategies as potential HE therapies. These are directed towards lowering ammonia, reducing oxidative stress and inhibiting lactate synthesis.

L'encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique dû à une dysfonction hépatique où l'ammoniaque est un facteur central. Il a déjà été rapporté que l’intoxication aiguë d'ammoniaque induise le stress oxydatif/nitrosatif. La présente étude cible à évaluer le rôle du stress oxydatif/nitrosatif dans 2 modèles de l’EH chronique : (1) l’anastomose portocave (PCA) et (2) la ligation de la voie biliaire (BDL). Ces 2 modèles sont caractérisés par une hyperammoniémie et une augmentation d’ammoniaque centrale, cependant l’œdème cérébral est trouvé seulement chez les rats BDL. Des marqueurs du stress oxydatif/nitrosatif ont été évaluées dans le plasma et cortex frontal. Un stress nitrosatif central a été observé chez les rats PCA; tandis qu’un stress oxydatif/nitrosatif systémique a été démontré seulement chez les rats BDL. Ces résultats suggèrent (1) que l’hyperammoniémie chronique n’induise pas le stress oxydatif/nitrosatif systémique et (2) qu’un synergisme existe entre l’ammoniaque et le stress oxydatif/nitrosatif, en association avec l’œdème cérébral. / Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric complication due to liver failure where ammonia is believed to be central in the pathogenesis. Acute ammonia intoxication has demonstrated to induce oxidative/nitrosative stress in both in vivo and in vitro models. The present study was aimed to assess the role of oxidative/nitrosative stress in 2 models of chronic liver failure/HE; 1. portacaval anastomosis (PCA) and 2. bile duct ligation (BDL). Both models are characterised with hyperammonemia and increased brain ammonia however cerebral edema is only found in BDL rats. Oxidative/nitrosative stress markers were evaluated in plasma and frontal cortex of both animal models. Central nitrosative stress was observed in PCA rats, but systemic oxidative/ntrosative stress was demonstrated only in BDL rats. The results of our study suggest i) chronic hyperammonemia does not induce oxidative stress and ii) a synergistic effect between ammonia and systemic oxidative/nitrosative stress is associated with cerebral edema.

L’œdème cérébral est une complication associée à l’encéphalopathie hépatique (EH) lors d’une insuffisance hépatique chronique (cirrhose du foie). Présentement, l’origine de sa pathogenèse, vasogénique (rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE)) ou cytotoxique (prise anormale d’ions), n’a pas encore été déterminée. Il a été démontré que le co-transporteur Na-K-Cl (NKCC1) du côté luminal des microvaisseaux sanguins cérébraux (CMV) joue un rôle dans le développement de l’œdème cérébral dans des modèles d’ischémie où la bumetanide, un inhibiteur de NKCC, atténue l’œdème cérébral. Deux modèles d’EH ont été utilisés pour cette étude i) la ligature de la voie biliaire (BDL) qui présente l’hyperammoniémie chronique, l’œdème cérébral et le stress oxydatif systémique ; ii) l’anastomose portocave (PCA) qui présente de l’hyperammoniémie chronique seulement. Les buts du projet étaient de: i) définir l’origine du développement de l’œdème chez les rats BDL en étudiant l’extravasation de macromolécules, les jonctions serrées et l’activation des métalloprotéinases matricielles de la BHE; ii) observer les effets de l’hyperammoniémie chronique indépendamment sur la BHE chez les rats PCA; iii) évaluer le rôle de l’hyperammoniémie et du stress oxydatif et iv) étudier le rôle du NKCC1 dans les CMV dans la pathogenèse de l’œdème cérébral. Les résultats du projet démontrent que l’œdème est d’origine cytotoxique chez les rats BDL et que l’intégrité de la BHE est conservée chez les rats PCA malgré l’hyperammoniémie. L’expression génique du NKCC1 est associée à l’œdème mais pas son expression protéique et sa phosphorylation. Enfin, l’étude démontre que l’hyperammoniémie et le stress oxydatif indépendant ne jouent pas un rôle dans la pathogenèse de l’œdème mais suggère qu’ils y aient un effet synergique. / Brain edema is a complication associated with hepatic encephalopathy (HE) due to chronic liver failure (cirrhosis). It is unclear whether brain edema is of vasogenic (blood brain barrier (BBB) breakdown) or cytotoxic (abnormal cellular uptake of ions) origin. It has been demonstrated that the Na-K-Cl cotransporter (NKCC1) located on the luminal side of the cerebral microvessels (CMV) is implicated in the pathogenesis of brain edema in animal models of ischemia and that the administration of bumetanide, an inhibitor of NKCC, attenuates brain water increase. Two distinct animal models of chronic liver failure and HE are used in the present study; 1) bile duct ligation (BDL) where brain edema, chronic hyperammonemia and systemic oxidative stress are observed; 2) portacaval anastomosis (PCA) where only chronic hyperammonemia is observed. The aims of the study were to: i) determine the origin of brain edema in BDL rats measuring brain extravasation, tight junctions expression and matrix metalloproteinase activation; ii) observe the effects of chronic hyperammonemia on the BBB in PCA rats; iii) study the role of oxidative stress and hyperammonemia; iv) evaluate the role of NKCC in CMV in the pathogenesis of brain edema. The results of the study determined that brain edema in BDL rats is of cytotoxic origin and chronic hyperammonemia independently has no effect on the BBB. An increase of NKCC1 mRNA is associated with brain edema but protein expression and phosphorylation are not. Furthermore, hyperammonemia and oxidative stress independently are not implicated in the development of brain edema however a synergistic effect between the two pathogenic factors in BDL rats remains a possibility.

L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par la perte soudaine de la fonction hépatique résultant de la nécrose massive des hépatocytes en l’absence de pathologie hépatique préexistante. L’IHA s’accompagne de perturbations métaboliques et immunologiques qui peuvent entraîner l’apparition de complications périphériques et cérébrales telles qu’un syndrome de réponse inflammatoire systémique (SIRS), une encéphalopathie hépatique (EH), un œdème cérébral, une augmentation de la pression intracrânienne, et la mort par herniation du tronc cérébral. Les infections sont une complication fréquente de l’IHA et elles sont associées à un risque accru de développer un SIRS et une aggravation subséquente de l’EH avec un taux de mortalité augmenté. L’ammoniaque joue un rôle majeur dans les mécanismes physiopathologiques qui mènent au développement de l’EH et de l’œdème cérébral, et des études récentes suggèrent que les cytokines pro-inflammatoires sont également impliquées. Le but de cette thèse est d’étudier le rôle des cytokines pro-inflammatoires circulantes et cérébrales dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral lors d’IHA. Dans l’article 1, nous démontrons que l’inhibition périphérique du facteur de nécrose tumorale-α (TNF-α) par l’etanercept retarde la progression de l’EH en diminuant le dommage hépatocellulaire, réduisant l’inflammation périphérique et centrale ainsi que le stress oxydatif/nitrosatif hépatique et cérébral associé chez la souris avec une IHA induite par l’azoxyméthane (AOM). Ces résultats démontrent un rôle important du TNF-α dans la physiopathologie de l’EH lors d’IHA d’origine toxique et suggèrent que l’etanercept pourrait constituer une approche thérapeutique dans la prise en charge des patients en attente de transplantation hépatique. Dans l’article 2, nous simulons la présence d’une infection chez la souris avec une IHA induite par l’AOM pour mettre en évidence une éventuelle augmentation de la réponse inflammatoire. Nous démontrons que l’endotoxémie induite par le lipopolysaccharide (LPS) précipite la survenue du coma et aggrave la pathologie hépatique. Les cytokines pro-inflammatoires systémiques et cérébrales sont augmentées de façon synergique par le LPS lors d’IHA et résultent en une activation accrue de la métalloprotéinase matricielle-9 cérébrale qui s’accompagne d’une extravasation d’immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme cérébral. Ces résultats démontrent une augmentation majeure de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) qui contribue à la pathogenèse de l’EH lors d’IHA en condition infectieuse. Les résultats de l’article 3 démontrent que l’augmentation de la perméabilité de la BHE lors d’IHA induite par l’AOM en condition non infectieuse ne résulte pas de l’altération de l’expression des protéines constitutives de la BHE. Dans l’article 4, nous démontrons que l’exposition d’astrocytes en culture à des concentrations physiopathologiques d’ammoniaque ou d’interleukine-1β résulte en l’altération de gènes astrocytaires impliqués dans la régulation du volume cellulaire et dans le stress oxydatif/nitrosatif. Un effet additif est observé dans le cas d’un traitement combiné au niveau des gènes astrocytaires impliqués dans le stress oxydatif/nitrosatif. L’ensemble des résultats de cette thèse démontre un rôle important de l’inflammation périphérique et cérébrale dans la survenue des complications neurologiques lors d’IHA et une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques impliqués pourrait contribuer à la mise en place de stratégies thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA en attente de transplantation. / Acute liver failure (ALF) is the clinical manifestation of an abrupt loss of hepatic function resuting from a massive hepatocyte necrosis in a patient with no preexisting liver disease. ALF is associated with metabolic and immunological disturbances that may lead to peripheral and cerebral complications such as systemic inflammatory response syndrome (SIRS), hepatic encephalopathy (HE), brain edema, increased intracranial pressure (ICP) and ultimately death by cerebral herniation. ALF is frequently complicated by infections, which are known to increase the risk of developing a SIRS with a subsequent worsening of HE and higher mortality rates. Ammonia plays a pivotal role in the pathophysiological mechanisms leading to HE and brain edema, and recent studies suggest that pro-inflammatory cytokines may also be involved. The aim of this thesis is therefore to investigate the role of circulating and cerebral pro-inflammatory cytokines in the setting of HE and brain edema during ALF. In article No. 1, we demonstrated that peripheral inhibition of tumor necrosis factor-alpha (TNF-α) by etanercept delays the progression of HE by reducing hepatocellular damage, decreasing peripheral and cerebral inflammation as well as associated oxidative/nitrosatif stress in mice with ALF induced by azoxymethane (AOM). These findings demonstrate an important role of TNF-α in the pathophysiology of HE during toxic liver injury and suggest that etanercept may provide a therapeutic approach in the management of patient awaiting liver transplantation. In article No. 2, we mimicked infection in mice with AOM-induced ALF in order to better understand the effects of an increased inflammatory response. We demonstrated that endotoxemia induced by lipopolysaccharide (LPS) precipitates the onset of coma and worsens the liver pathology. Peripheral and brain pro-inflammatory cytokines are synergistically raised by LPS during ALF and result in a large increase in cerebral matrix metalloprotease-9 (MMP-9) activity that was associated with immunoglobulin G (IgG) extravasation in the brain parenchyma. These results demonstrate a major increase of blood-brain barrier (BBB) permeability that contributes to the pathogenesis of HE during ALF with superimposed infection. Results from article No. 3 demonstrate that increase of BBB permeability during AOM-induced ALF without superimposed infection is not due to alteration of BBB constitutive proteins. In article No. 4, we demonstrated that exposure of cultured astrocytes to pathophysiological concentrations of ammonia or interleukin-1β results in an alteration of the expression of astrocytic genes implicated in cell volume regulation and oxidative/nitrosative stress. An additive effect on astrocytic genes implicated in oxidative/nitrosative was made evident in case of co-treatment. Taken together, results of the present thesis demonstrate a major role of peripheral and cerebral inflammation in the onset of neurological complications during ALF and a better understanding of the pathophysiological mechanisms implicated may contribute to new therapeutic strategies for ALF patients awaiting transplantation.