The selective degeneration of motoneurons in the spinal cord, the brainstem and the brain cortex is the core pathology of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), but evidences suggest that the neighbouring non-neuronal cells are also involved in the disease progression. Beside Riluzole, only drug approved to treat this fatal neurodegenerative disease, new pharmaceutical agents or novel strategies including stem cell therapy are currently under development and evaluated preclinically in front line on mutant SOD1 rodents mimicking all hallmarks of the human disease. <p>Current intravenously delivered drugs tested in ALS therapy assume an intact blood-brain barrier and suppose the passage across the endothelium to hit their targets in the CNS parenchyma. If BBB impairment occurs in ALS, it may lead to revision of planned pharmaceutical treatment. In the first part of the work, we have validated the mutant SOD1 rat model of ALS and we characterized properties and integrity of its BBB. We observed a significant BBB disruption at symptomatic phase of ALS, evidenced by blood protein leakage, IgG accumulation and microhemorrhage. To look for the mechanism of BBB opening, we demonstrated that the expression of key genes involved in the BBB integrity was decreased. At the ultrastructure, the morphology of endothelial cells and vascular astrocyte end-feet was altered. Our results suggest that BBB disruption is a late event in ALS disease course and appears like a consequence of the local degenerative process or neuroinflammation rather than a cause. Since a lot of extracellular oedema and swollen astrocyte end-feet were found in mutant SOD1 rats, we also looked at the expression and localization of aquaporin-4, a key protein involved in CNS water movement. We found that its expression was highly increased in the symptomatic phase of ALS course and we hypothesize that this overexpression might be related to the resolution of oedema after BBB opening. <p>In the second part of the work, we considered an original, easy, non-invasive and safe therapeutical approach of stem cell delivery in ALS rats. Since ALS affects the motoneurons throughout the CNS, we decided to use the bloodstream to deliver neural stem cells. We studied cell homing, survival, proliferation, integration and differentiation. Interestingly, the highest efficiency of cell delivery to the CNS was found in symptomatic ALS and the lowest in healthy animals. Neural stem cells injected into ALS animals preferentially colonized the motor cortex, hippocampus and spinal cord. We detected their successful differentiation into neural lineages by the appearance of MAP2-, GFAP-positive cells and the decrease of nestin expression.<p>One of the realistic near-term clinical goals for ALS is the transplantation of stem cells that counteract the loss of motoneurons by secreting neuroprotective factors. Accordingly, we evaluated in vitro the expression of neurotrophic factors released by stem cells after stimulation with tissue extracts from ALS rats. The aim of this paradigm was to determine whether the ALS environment triggers neuroprotective factors release from stem cells. Mesenchymal stem cells and neural stem cells were able to express a wider range of growth factors than fibroblasts. According to the stem cell population stimulated, we obtained differential expression pattern, raising the choice of cell population for appropriate clinical applications in ALS.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’intégrité fonctionnelle de la barrière hémato-encéphalique (BHE) est altérée dans de nombreuses pathologies neurologiques et métaboliques. Les vaisseaux cérébraux sont des tissus cibles des hormones stéroïdes sexuelles mais la contribution respective de ces effecteurs endocriniens et de leurs récepteurs dans l’intégrité de la BHE reste encore à être précisée. Les effets des hormones gonadiques sur l’unité neurovasculaire chez la souris ont été étudiés, en se concentrant sur l’aire préoptique médiane de l’hypothalamus, une région cérébrale hormono-sensible. L’augmentation de la perméabilité de la BHE chez des souris mâles et femelles gonadectomisés. Elle est associée chez le mâle à une désorganisation des jonctions serrées et une diminution de l’expression des protéines les constituant, à une activation des cellules gliales, et à une augmentation de l’expression de molécules inflammatoires, la supplémentation en testostérone permettant la restoration. Les récepteurs des androgènes et des estrogènes peuvent ainsi être impliqués dans la régulation hormono-dépendante du transport paracellulaire. La lignée de souris transgéniques sélectivement invalidées pour le récepteur neural des androgènes, a permis de mettre en évidence l’effet délétère de l’absence de ce récepteur sur l’intégrité de la BHE et des jonctions serrées. Pour compléter, un modèle ex vivo de tranches d’hypothalamus a permis d’appréhender les effets à court terme de la testostérone sur la BHE. Ces données soulèvent des questions sur les effets délétères potentiels des perturbateurs endo-criniens sur l'intégrité BBB et l'apparition de maladies neurologiques et métaboliques associées. / Functional integrity of the blood-brain barrier (BBB) is compromised in many neurological and metabolic pathologies. Cerebral blood vessels are target tissue for sex steroid hormones but the relative contribution of these endocrine effectors and their receptors in the BBB integrity are still unclear. Effects of gonadal hormones on the mouse neurovascular unit were studied, focusing on the hypothalamic medial preoptic area, a highly sensitive brain area to gonadal steroid hormones. BBB permeability increased in both gonactectomized male and female, is associated with tight junction disorganization and lower expression of tight junction proteins, glial activation, and up-regulation of inflammatory molecules in male. Testosterone supplementation restores the BBB impermeability, tight junction integrity, and almost completely abrogated the inflammatory features. Androgen and estrogen receptor may be involved in testosterone-induced regulation of the formation and maintenance of tight junction in males. Studying the involvement of these receptors using a trans-genic mice line selectively lacking neural AR in the CNS, highlighted the negative effect of this dele-tion on the BBB and TJ integrity. To complete, ex vivo slices of male mouse hypothalamus allowed to assess short-term molecular mechanisms of testosterone on the BBB structure and function.These data raise questions about the potential deleterious effects of endocrine disruptors on the BBB integrity and the occurrence of neurological and metabolic diseases.

Ces dernières années, alors qu’aucun agent neuroprotecteur n’a été efficace en clinique pour parer les dommages de l’ischémie cérébrale, le concept d’unité neurovasculaire (UNV) est apparu comme un nouveau paradigme pour l’investigation et le traitement des accidents vasculaires cérébraux ischémiques. La rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE) localisée au niveau des capillaires cérébraux, et ses corollaires l’œdème vasogénique et l’hémorragie intracérébrale, constituent des événements critiques de la maladie, et restreignent considérablement l’éligibilité des patients à la thrombolyse au rtPA, seul traitement de phase aiguë disponible actuellement en clinique. La complexité des intercommunications qui s’exercent au sein de l’UNV rend difficile l’appréhension de la dysfonction microvasculaire in vivo, soulignant l’importance des études in vitro pour compléter les connaissances dans ce domaine. C’est par cette approche combinée que les travaux effectués au cours de ce doctorat démontrent l’impact de la nécrose cérébrale sur la cinétique de la perte d’intégrité de la BHE au décours de la reperfusion. Cependant, même si l’endothélium microvasculaire demeure fonctionnel après un épisode ischémique dans un contexte non lésionel, il devient vulnérable à certaines molécules comme le rtPA dans une situation de thrombolyse. Ces résultats illustrent le rôle déterminant de l’environnement moléculaire périvasculaire sur la dysfonction de la BHE lors de l’ischémie cérébrale, et orientent les nouvelles stratégies thérapeutiques vers des approches ciblant la protection de l’ensemble de l’UNV. / In the recent years, while no neuroprotective agent was clinically effective in reducing brain ischemic damage, the neurovascular unit (NVU) concept emerged as a new paradigm for stroke investigation and treatment. The breakdown of the blood-brain barrier (BBB), localized in brain capillaries, with ensuing vasogenic edema and intracerebral hemorrhage, appears as a critical event of this disease, and severely restricts the eligibility of patients for rtPA thrombolysis, the only acute-phase treatment currently available. The complex intercommunications occurring within the NVU makes the microvascular dysfunction difficult to study in vivo, highlighting the importance of in vitro approaches to complete the knowledge in this field. In this context, the work done in this PhD demonstrates that brain tissue necrosis influences the kinetics of the loss of BBB integrity during reperfusion. However, even when the BBB remains functional in a non-lesional ischemic context, it becomes vulnerable to certain molecules such as rtPA in a thrombolysis situation. These results illustrate the key role of molecular perivascular environment on the BBB dysfunction during cerebral ischemia, and orientate new therapeutic strategies towards the protection of the entire NVU.

La barrière hémato-encéphalique (BHE), localisée au niveau des capillaires cérébraux, contrôle les échanges entre le sang et le compartiment cérébral et assure ainsi le maintien de l'homéostasie du système nerveux central (SNC). La présence de la BHE est un atout lors du développement de médicament à visée périphérique. En effet, en limitant le passage de nombreuses molécules, la BHE protège le SNC des effets potentiellement neurotoxiques de ces molécules. Toutefois, l‟exposition des cellules endothéliales des capillaires cérébraux à des agents chimiques est susceptible d‟engendrer une augmentation transitoire de la perméabilité de la BHE. Cette augmentation peut perturber l‟homéostasie cérébrale et permettre l‟entrée massive de molécules potentiellement neurotoxiques dans le SNC. La prise en compte de la BHE en amont de l‟étude de la neurotoxicité d‟un médicament est donc un élément important. De plus, la majorité des médicaments sont utilisés de façon chronique et les effets secondaires indésirables résultant d‟une administration chronique sont fréquemment liés à une atteinte cérébrale. Afin de répondre à cette problématique, notre modèle in vitro de BHE, qui consiste en une co-culture de cellules endothéliales de capillaires cérébraux et de cellules gliales, a été adapté à l‟étude de la toxicité de molécules lors d‟un traitement prolongé. Les propriétés protectrices de la BHE deviennent une contrainte importante lors du développement de médicament à visée cérébrale. En effet, la présence de la BHE explique en partie les taux de succès très faibles des molécules lors du développement de médicaments à visée cérébrale. Afin de limiter les taux d‟échec, il est nécessaire de prédire efficacement la distribution cérébrale des composés en prenant en compte la BHE. Or, il est admis que l‟effet pharmacologique est lié à la concentration libre du médicament au niveau de sa cible. Ainsi, les nouvelles approches visent à prédire la concentration libre que la molécule atteindra dans le cerveau. Toutefois, les méthodes existantes pour prédire ce paramètre reposent sur une méthodologie in vivo et ne présentent pas un débit suffisant pour être utilisées lors des phases précoces du développement de médicaments. Une méthodologie in vitro pour obtenir le ratio de concentrations libres d‟une molécule entre le cerveau et le sang a été développée pour répondre à ce besoin. Le travail réalisé a permis de développer deux méthodologies in vitro. La première permet de prédire la toxicité chronique des molécules. En prédisant le ratio des concentrations libres entre le compartiment cérébral et sanguin des composés, la seconde facilite la sélection des médicaments candidats lors du développement de médicaments à visée cérébrale. Ces méthodologies pourront donc contribuer à diminuer les taux d‟échecs lors des phases précliniques et cliniques du développement de médicaments. / The blood-brain barrier (BBB), located at the level of brain capillaries, is responsible for brain homeostasis maintenance by tightly controlling blood-borne substances access to the brain. The presence of the BBB is an asset during peripheral drug development. Indeed, the BBB protects the central nervous system (CNS) against potential neurotoxic effects of compounds by strongly limiting their passage. However, exposure of brain capillaries endothelial cells to chemical agents is likely to cause a transient increase in BBB permeability. This increase can disrupt brain homeostasis and allow the massive entry of potentially neurotoxic molecules in the CNS. Hence, taking into account BBB toxicity in alternative neurotoxicity studies is important. In addition, the CNS side effects of several drugs used chronically could be at least partly attributed to their toxicity at the level of the BBB causing unwanted, indirect effect on brain cells. To address this issue, our in vitro BBB model, which consist of a co-culture of brain capillary endothelial cells and glial cells, has been adapted to the evaluation of repeated-dose toxicity at the BBB. The protective properties of the BBB become a major hurdle during CNS drug development. One way to reduce theimportant attrition rate, consists in predicting the CNS distribution of drug candidates early in CNS drug discovery programs. The use of unbound brain concentrations has been shown to provide the best correlations with pharmacological data. Hence, new approaches aim to predict the free brain concentration of compounds. However, the determination of free brain / free plasma ratios requires both in vitro and in vivo experiments that are both animal and time consuming. Consequently, we have explored the possibility to directly generate free brain / free plasma ratios under steady-state and non-steady state conditions in our in vitro BBB model, thereby greatly simplifying existing experimental procedures.. The work presented herein aimed to develop two in vitro methodologies. The first one allows the study of repeated-dose BBB toxicity. The second one allows free brain / free plasma ratios assessment using an in vitro model of the blood brain barrier, which can drive the selection of CNS drug candidates with the most favourable target engagement. The use of these two methodologies may help to reduce attrition rates in drug discovery and development by appreciating the eventual central toxicity of systemic drug associated with BBB dysfunction and by identifying centrally acting-compounds with a desirable in vivo response in the CNS early on in the drug discovery process.

Les entérovirus humains (EV) constituent un groupe de virus à ARN d'une grande diversité génétique. Ils sont responsables d'infections cérébrales graves mais rares et de méningites bénignes mais fréquentes. Les évènements conduisant à l'entrée des EVs dans le système nerveux central (SNC), l'importance de la charge virale dans le liquide céphalo rachidien (LCR) et sa corrélation éventuelle avec l'intensité du processus inflammatoire réactionnel restent peu explorés. Comme de nombreux génotypes d'EV sont associés à des manifestations neurologiques semblables, des processus pathologiques communs sont envisageables. Le premier volet de cette thèse avait pour objectif d'étudier prospectivement la charge virale EV dans le LCR de patients présentant une méningite à l'aide d'une technique de RT-QPCR. Nos résultats montrent que les différences significatives de charge virale retrouvées dans le LCR en fonction de l'âge, des leucocytes et de la protéinorachie sont reliées au génotype de l'EV responsable de l'infection. Le second volet de cette thèse avait pour but d'explorer l'hypothèse qu'une infection de la barrière hémato-Encéphalique (BHE), peut représenter une voie d'accès commune à une majorité d'EVs vers le SNC. La réplication et la translocation des EVs ont été évaluées avec un modèle in vitro de BHE basé sur la lignée cellulaire hCMEC/D3. Nous avons validé ce modèle cellulaire en montrant une permissivité différentielle à un large éventail d'EVs et montré les spécificités du franchissement de cette barrière par l'EV-A71. Ces données soulèvent la question de l'origine de l'ARN EV dans le LCR au cours des premiers stades d'une méningite. / Human enteroviruses (EV) are RNA viruses characterized by a large genetic variability. They are associated with severe but rare neurological infections and frequent but self-Limiting meningitis. The processes of entry into the central nervous system (CNS), the level of EV viral load in the cerebrospinal fluid (CSF) and its possible relation to the intensity of the associated inflammatory process remain poorly understood. As several EV genotypes are related to common neurological disorders, common pathological processes may be involved. In the first part of this PhD thesis, we have prospectively investigated the EV viral load in the CSF of patients with meningitis using a RT-QPCR assay. Our results showed that significant differences between viral load levels and the age groups, the leukocytes count, the protein levels in the CSF, and with the EV genotype involved in the infection. We also explored the hypothesis that an infection of the blood brain barrier (BBB) could be a common pathway used by EVs released in the bloodstream to gain access into the CNS. The EV replication and translocation were analyzed with an in vitro model of BBB based on the hCMEC/D3 cell line. We validated this cell model by showing different permissivity patterns among a large array of EV genotypes. In addition, we showed the specificities in how the EV-A71 crosses the endothelial barrier. The overall data raise the unresolved issue of the origin of viral RNA in the CSF and the sources of infection during the early acute stage of EV meningitis.

L'épilepsie du lobe temporal est fréquente et souvent pharmacorésistante. L'épileptogenèse est imputée à la mort neuronale, l'inflammation ou au déséquilibre de la neurotransmission. Récemment, la perméabilité vasculaire a été reconnue comme une cause de crises d'épilepsie. Dans un modèle d'épilepsie chronique, nous avons montré une angiogenèse associant vascularisation, surexpression de VEGF, perte de protéines des jonctions serrées et perméabilité de la BHE. L'observation des immunoglobulines G (IgGs) comme marqueurs de perméabilité vasculaire nous a permis de découvrir que les IgGs s'accumulent dans les neurones. Nous avons alors étudié le rôle de ces protéines dans l'épileptogenèse. Ensuite, afin de corréler la perméabilité de la BHE à l'épileptogenèse, nous avons étudié le kindling, un modèle dans lequel les crises sont induites mais pas spontanées. Nous n'avons observé aucun remaniement vasculaire, si ce n'est une dérégulation transitoire de deux protéines de jonctions serrées. La comparaison de ces deux modèles confirme la contribution de la dérégulation de la BHE dans la genèse des crises et la désigne comme une nouvelle cible thérapeutique. / Temporal lobe epilepsy is the most frequent form of pharmacoresistant epilepsies. Epileptogenesis is commonly imputed to neuronal loss, inflammation and an imbalance in neurotransmission. Now, vascular permeability was shown to participate in epileptic seizures generation. In a model of chronic epilepsy, we showed a neo-vascularisation associated with VEGF over expression, loss of tight junction proteins and BBB permeability. The use of immunoglobulins G (IgGs) as markers of permeability vascular allowed us to discover that the IgGs accumulates in neurones. We then studied the role of these proteins in epileptogenesis. Then, to correlate BBB permeability to epileptogenesis, we studied the kindling, a model in which seizures are induced but never spontaneous. We observed no vascular remodeling, except for a transient deregulation of tight junctions proteins. The comparison of these models confirms the contribution of BBB deregulation and points it as new therapeutic target.

Parmi les récepteurs Frizzled, Frizzled 4 est le seul à avoir un phénotype vasculaire fort. Parcriblage, nous avons identifié l’ubiquitine ligase PDZRN3 en tant que nouveau partenaire de la protéineadaptatrice Dvl3 qui agit en aval de Fzd4. En utilisant des modèles murins inductibles, nous montronsque la délétion de PDZRN3 induit une létalité embryonnaire suite à des défauts de vascularisation dusac amniotique ; et que PDZRN3 est requis pour une vascularisation normale de la rétine. De par sonactivité d’ubiquitine ligase, PDZRN3 induit la prise en charge du complexe Fzd4/ Dvl3 par les vésiculesd’endocytose ce qui permet la transduction du signal après fixation du ligand Wnt5a sur le récepteurFzd4. PDZRN3 régule également le maintien des jonctions des cellules endothéliales et l’intégrité de labarrière hémato-encéphalique. La délétion de PDZRN3 stabilise les microvaisseaux après ischémiecérébrale. PDZRN3 induit la disruption des jonctions serrées et la rupture de la barrièrehématoencéphalique en ubiquitinant la protéine d’échafaudage MUPP1. / Fzd4 is the only Frizzled receptor that is essential for angiogenesis. By using a yeast twohybrid screening, we have identified the ubiquitin ligase PDZRN3 as a potential partner of the adaptorprotein Dvl3 that acts downstream of Fzd4. By using inducible mouse models, we have shown that lossof PDZRN3 leads to early embryo lethality due to vascular defects in the yolk sac when deleted inutero, and is then required during post natal retinal vascularization. PDZRN3 would target the Fzd4/Dvl3 complex to endosome, leading to signal transduction upon binding of Wnt5a to Fzd4. PDZRN3also regulates integrity of the blood brain barrier by acting on tight junctions stability. Loss of PDZRN3stabilizes microvessels after cerebral ischemia. PDZRN3 would induce tight junction disruption andblood brain barrier leakage by ubiquitinylating the scaffolding protein MUPP1.

Objectifs: Chez les patients atteints de sclérose en plaques (SEP), des lymphocytes pro-inflammatoires utilisent des molécules d’adhérence afin de parvenir à traverser la barrière hémo-encéphalique (BHE) et former des lésions multifocales dans le système nerveux central (SNC). Dans le contexte de la SEP, les lymphocytes CD4 auto-agressifs polarisés en TH17 (sécrétant de l’IL-17) sont reconnus comme contribuant à la formation des lésions. Le rôle des lymphocytes CD8 TC17 est quant à lui encore mal défini. L’identification de marqueurs de surface spécifiquement exprimés par les lymphocytes TH17 et TC17 faciliterait la caractérisation de ces sous-populations pathogéniques et fournirait de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter la SEP. Méthodologie: Nous avons identifié MCAM lors d’analyses protéomiques de cellules endothéliales de la BHE humaine et de lymphocytes T humains. Nous avons caractérisé le phénotype et la fonction de ces cellules exprimant MCAM ex vivo, in vitro, in situ et in vivo, à partir de matériel obtenu de témoins (contrôles), de patients atteints de SEP et d’animaux atteints d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Résultats: MCAM est exprimé à la fois par les cellules endothéliales de la BHE humaine et par une sous-population de lymphocytes T effecteurs mémoire CD161+ et CCR6+. Les lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ expriment plus d’IL-17, IL-22, GM-CSF et granzyme B (Gz B) que les lymphocytes MCAMneg. De plus, l’expression de MCAM est fortement augmentée à la surface des lymphocytes T CD4+ et CD8+ lors des poussées de SEP, alors que les traitements immunomodulateurs en diminuent l’expression. In situ, l’expression de MCAM par les cellules endothéliales de la BHE est plus marquée au site des lésions de SEP et d’EAE, et on retrouve des lymphocytes CD4 et CD8 MCAM+ au sein de ces infiltrats périvasculaires du SNC. In vitro, les lymphocytes CD8 MCAM+ causent plus de mort oligodendrocytaire et bloquer MCAM diminue la transmigration des CD8 TC17 et des CD4 TH17 à travers les cellules endothéliales de la BHE humaine. In vivo, dépléter les lymphocytes CD4 ou CD8 MCAM+ améliore les signes cliniques de l’EAE par transfert. Par ailleurs, l’expression de MCAM est régulée à la hausse à la surface des lymphocytes CD4 et CD8 de la souris transgénique TCR1640, un modèle animal d’EAE spontanée. Finalement, bloquer MCAM atténue les déficits neurologiques chroniques aussi bien du modèle d’EAE induite avec le MOG35-55 que du modèle d’EAE spontanée. Conclusion: Nos données démontrent que les lymphocytes encéphalitogéniques produisant de l’IL-17 et présentant une capacité effectrice et migratoire marquée expriment MCAM. MCAM pourrait servir de biomarqueur en SEP et constituer une cible thérapeutique valable pour traiter les conditions neuroinflammatoires. / Objective: In multiple sclerosis (MS), pro-inflammatory lymphocytes use adhesion molecules to cross the blood-brain barrier (BBB) and accumulate in central nervous system (CNS) lesions. CD4 T lymphocytes polarized into auto-aggressive encephalitogenic TH17 (IL-17 secreting) are known to partake in MS lesion formation. Much less is known about the role of CD8 TC17. Identification of specific surface markers and adhesion molecules expressed by TH17 and TC17 lymphocytes would allow further characterization of these pathogenic subsets and would provide new therapeutic targets in MS. Methodology: We identified MCAM in a proteomic screen of human BBB endothelial cells (ECs) and on a subset of T lymphocytes. We characterized the phenotype and function of MCAM-expressing cells ex vivo, in vitro and in situ using human and mouse material obtained from controls, MS subjects and Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) animals. Results: MCAM is expressed by human BBB-ECs and by human effector memory CD161+ and CCR6+ T lymphocytes. Both CD4 and CD8 MCAM+ lymphocytes express more IL-17, IL-22, GM-CSF and Gz B than MCAMneg lymphocytes. Moreover, MCAM is strikingly up-regulated in human on CD4+ and CD8+ T lymphocytes during MS relapses, while treatment decreases MCAM expression. In situ, MCAM+ CD8 and CD4 T lymphocytes are present in perivascular infiltrates of MS and EAE CNS specimens, while MCAM expression is up-regulated on BBB-ECs within lesions. In vitro, MCAM+ CD8 T lymphocytes display higher killing capacity of oligodendrocytes, and MCAM blockade reduces CD8 TC17 and CD4 TH17 transmigration across human BBB-ECs. In vivo, depletion of MCAM+ cells from reactivated CD4 T lymphocytes and from CD8 T lymphocytes decreases clinical symptoms in adoptive transfer EAE. Furthermore, expression of MCAM is up-regulated on CD4 and CD8 T lymphocytes in the TCR1640 transgenic mice, a model of spontaneous EAE. Finally, blocking MCAM in both MOG35-55-induced and spontaneous primary progressive EAE attenuates chronic neurological deficits. Conclusions: Our data demonstrate that encephalitogenic IL-17-producing lymphocytes with high effector and migratory capacity express MCAM, and that MCAM could serve as a biomarker for MS and a valuable target for the treatment neuroinflammatory conditions.

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire démyélinisante et neurodégénérative du système nerveux central (SNC). Les cellules T activées qui expriment le PD-1 sont inhibées via l’interaction avec l’un des ligands: PD-L1 ou PD-L2. Des études effectuées chez le modèle murin de la SEP, l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE), ont démontré que l’interaction du PD-1 avec ses ligands contribue à atténuer la maladie. Toutefois, le rôle du PD-1 et de ses ligands dans la pathogenèse de la SEP chez l’humain et dans le modèle murin n’a pas été complètement élucidé. Nous avons déterminé que plusieurs cellules du SNC humain peuvent exprimer les ligands du PD-1. Les astrocytes, les microglies, les oligodendrocytes et les neurones expriment faiblement le PD-L1 dans des conditions basales mais augmentent de façon significative cette expression en réponse à des cytokines inflammatoires. Le blocage de l’expression du PD-L1 par les astrocytes à l’aide de siRNA spécifiques mène à l’augmentation significative des réponses des cellules T CD8+ (prolifération, cytokines, enzymes lytiques). Nos résultats établissent ainsi que les cellules gliales humaines peuvent exprimer des niveaux suffisants de PD-L1 en milieu inflammatoire pour inhiber les réponses des cellules T CD8+. Notre analyse de tissus cérébraux post-mortem par immunohistochimie démontre que dans les lésions de la SEP les niveaux de PD-L1 sont significativement plus élevés que dans les tissus de témoins; les astrocytes et les microglies/macrophages expriment le PD-L1. Cependant, plus de la moitié des lymphocytes T CD8+ ayant infiltré des lésions de SEP n’expriment pas le récepteur PD-1. Au cours du développement de l’EAE, les cellules du SNC augmentent leur niveau de PD-L1. Le PD-1 est fortement exprimé par les cellules T dès le début des symptômes, mais son intensité diminue au cours de la maladie, rendant les cellules T insensibles au signal inhibiteur envoyé par le PD-L1. Nous avons observé que les cellules endothéliales humaines formant la barrière hémato-encéphalique (BHE) expriment de façon constitutive le PD-L2 mais pas le PD-L1 et que l’expression des deux ligands augmente dans des conditions inflammatoires. Les ligands PD-L1 et PD-L2 exprimés par les cellules endothéliales ont la capacité de freiner l’activation des cellules T CD8+ et CD4+, ainsi que leur migration à travers la BHE. L’endothélium du cerveau des tissus normaux et des lésions SEP n’exprime pas des taux détectables de PD-L1. En revanche, tous les vaisseaux sanguins des tissus de cerveaux normaux sont positifs pour le PD-L2, alors que seulement la moitié de ceux-ci expriment le PD-L2 dans des lésions SEP. Nos travaux démontrent que l’entrée des cellules T activées est contrôlée dans des conditions physiologiques grâce à la présence du PD-L2 sur la BHE. Cependant, l’expression plus faible du PD-L2 sur une partie des vaisseaux sanguins dans les lésions SEP nuit au contrôle de la migration des cellules immunes. De plus, une fois dans le SNC, les cellules T CD8+ étant dépourvues du PD-1 ne peuvent recevoir le signal inhibiteur fourni par le PD-L1 fortement exprimé par les cellules du SNC, leur permettant ainsi de rester activées. / Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory, demyelinating and neurodegenerative disease of the central nervous system (CNS). Responses of activated T cells are suppressed upon engagement of the receptor programmed cell death-1 (PD-1) with its ligands (PD-L1 and PD-L2). Experiments using the mouse model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), have demonstrated that the PD-1/PD-Ls interaction contributes to attenuate disease severity. However, the expression and the role of PD-1 and PD-Ls have been partially documented in inflammatory murine models and human CNS data are still incomplete. We determined that primary cultures of human astrocytes, microglia, oligodendrocytes, or neurons expressed low or undetectable PD-L1 levels under basal conditions, but inflammatory cytokines significantly induced such expression, especially on astrocytes and microglia. Blocking PD-L1 expression in astrocytes using specific siRNA in co-culture led to significantly increased CD8 T cell responses (proliferation, cytokines, lytic enzyme). Thus, our results establish that inflamed human glial cells can express sufficient and functional PD-L1 to inhibit CD8 T cell responses. Extensive immunohistochemical analysis of post-mortem brain tissues demonstrated a significantly greater PD-L1 expression in MS lesions compared to control tissues, which co-localized with astrocyte and microglia/macrophage cell markers. However, more than half of infiltrating CD8 T lymphocytes in MS lesions did not express PD-1, the cognate receptor. Similar results were obtained in EAE mice. Even though CNS cells expressed PD-L1 at the peak of the disease, PD-1 intensity on infiltrating T cells decreased throughout EAE disease development. This reduction of PD-1 level on activated T cells prevented these cells to receive PD-L1 inhibitory signal. We also investigated whether human brain endothelial cells (HBECs), which form the blood brain barrier (BBB), can express PD-L1 or PD-L2 and thereby modulate T cells. HBECs expressed PD-L2 under basal conditions, whilst PD-L1 was not detected. Both ligands were up-regulated under inflammatory conditions. Blocking PD-L1 and PD-L2 led to increased transmigration and enhanced responses by human CD8 T cells in co-culture assays. Similarly, PD-L1 and PD-L2 blockade significantly increased CD4 T cell transmigration. Brain endothelium in normal tissues and MS lesions did not express detectable PD-L1; in contrast, all blood vessels in normal brain tissues were PD-L2-positive, while only about 50% expressed PD-L2 in MS lesions. Therefore, our results demonstrate that under basal conditions, PD-L2 expression by HBECs impedes the migration of activated immune T cells through the BBB, and inhibits their activation. However, such impact is impaired in MS lesions due to down-regulation of PD-L2 levels on the endothelium. The majority of infiltrating CD8 T cells is devoid of PD-1, thus insensitive to PD-L1 inhibitory signal providing by CNS cells once they have entered the CNS.

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau / Multiple Sclerosis is an inflammatory demyelinating disease in which immune cells from the peripheral blood infiltrate the central nervous system (CNS) to cause a pathologic neuroinflammatory reaction. Blood borne leucocytes cross the restrictive cerebral endothelium, the blood brain barrier (BBB), to gain access to the CNS parenchyma and cause cellular damage leading to the characteristic demyelinating lesions. The BBB is the interface between the blood and the CNS and as such is a critical mediator of neuro-immune reactions and an important therapeutic target to modulate neuroinflammation. It is essential to have a better understanding of the molecular mechanisms that regulate the BBB properties to elaborate new therapeutic strategies to modulate the BBB and thus the local neuroinflammation reaction. This Ph.D. thesis describes three distinct molecular mechanisms which regulate key BBB properties. The first section describes a novel role for the renin-angiotensin system (RAS) in the neuro-vascular unit (NVU) as a regulator of paracellular permeability. The second part of this thesis characterises the role of a novel adhesion molecule of the BBB, ALCAM. The third part of this work studies the interactions between neural stem cells (NSC) and the BBB and identifies MCP-1 as a critical factor involved in NSC recruitment to the CNS. In the first experimental section we provide evidence that angiotensinogen (AGT) produced and secreted by astrocytes, is cleaved into angiotensin II (AngII) and acts on type 1 angiotensin receptors (AT1) expressed by BBB endothelial cells (ECs). Activation of AT1 restricts the passage of molecular tracers across human BBB-derived ECs through threonine-phosphorylation of the tight junction protein occludin and its mobilization to lipid raft membrane microdomains. We also show that AGT knockout animals have disorganized occludin strands at the level of the BBB and a diffuse accumulation of the endogenous serum protein plasminogen in the CNS, as compared to wild type animals. Finally, we demonstrate a reduction in the number of AGT-immunopositive perivascular astrocytes in multiple sclerosis (MS) lesions, which correlates with a reduced expression of occludin similarly seen in the CNS of AGT knockout animals. Such a reduction in astrocyte-expressed AGT and AngII is dependent, in vitro, on the pro-inflammatory cytokines tumor necrosis factor-α and interferon-γ. Our study defines a novel physiological role for AngII in the CNS and suggests that inflammation-induced downregulation of AngII production by astrocytes is involved in BBB dysfunction in MS lesions. In the second experimental part we focus on adhesion molecules of the BBB. Using a lipid raft-based proteomic approach, we identified ALCAM (Activated leukocyte cell adhesion molecule) as an adhesion molecule involved in leukocyte migration across the BBB. ALCAM expressed on BBB endothelium co-localized with CD6 expressed on leukocytes and with BBB endothelium transmigratory cups. ALCAM expression on BBB cells was up-regulated in active multiple sclerosis and experimental auto-immune encephalomyelitis (EAE) lesions. Moreover, ALCAM blockade restricted transmigration of CD4+ lymphocytes and monocytes across BBB endothelium in vitro and in vivo, and reduced the severity and time of onset of EAE. Our findings point to an important role for ALCAM in leukocyte recruitment into the brain and identify ALCAM as a potential therapeutic target to dampen neuroinflammation. The third experimental part of this thesis studies the interactions between NCS and BBB. NCS represent an attractive source for cell transplantation and neural tissue repair. After systemic injection, NCS are confronted with the specialized BBB endothelial cells before they can enter the brain parenchyma. We investigated the interactions of human fetal neural precursor cells with human brain endothelial cells in an in vitro model using primary cultures. We demonstrated that human fetal neural precursor cells efficiently and specifically migrate to sub-endothelial space of human BBB-endothelium, but not pulmonary artery endothelial cells. When migrated across BBB-endothelial cells, fetal neural precursor cells spontaneously differentiate to neurons, astrocytes and oligodendrocytes. Effective migration and subsequent differentiation was found to be dependant on the chemokine CCL2/MCP-1, but not CXCL8/IL-8. Our findings suggest that an intact blood-brain barrier is not an intrinsic obstacle to neural stem cell migration into the brain and that differentiation of neural precursor cells occur in a sub-endothelial niche, under the influence of the chemokine CCL2/MCP-1. These three experimental sections demonstrate the crucial roles that the BBB plays in regulating the CNS homeostasis. Under pathological conditions, such as during neuro-immune reactions, the BBB is altered and becomes an important local player. The three different molecular mechanisms described in this thesis, contribute to our understanding of the BBB and may allow for the development of novel therapeutic strategies to limit neuroinflammation.