Der ischämische Schlaganfall ist global eine der bedeutendsten Volkskrankheiten. Die derzeit verfügbaren kurativen Therapieoptionen werden vorrangig durch ein enges therapeutisches Zeitfenster limitiert. Ziel der aktuellen Schlaganfallforschung ist die Entwicklung von über dieses Zeitfenster hinaus wirksamen Therapien. Ein vielversprechender neuer Ansatz ist die experimentelle Behandlung mit humanen Nabelschnurblutzellen. Diese Arbeit erforscht das therapeutische Zeitfenster für die systemische Therapie des ischämischen Schlaganfalls mittels mononukleärer Nabelschnurblutzellen (hUCB MNC) in spontanhypertensiven Ratten nach permanentem Verschluss der Arteria cerebri media (pMCAO). Hierzu wurden die Therapiezeitpunkte 4, 24, 72, 120 Stunden und 14 Tage nach experimentellem Schlaganfall in einem komplexen Studiendesign inklusive neurofunktioneller Tests, magnetresonanztomographischer und immunhistochemischer Verfahren untersucht. In vitro wurde der Einfluss kokultivierter hUCB MNC auf Nekrose und Apoptose in neuralem Gewebe unter Sauerstoff-Glukose-Deprivation betrachtet. Die Studie ergab eine verbesserte funktionelle Rekonvaleszenz und eine geringere Ausprägung von Atrophie und Astroglianarbe bei Therapie innerhalb eines 72- Stunden-Zeitfensters. In vitro wurde eine signifikante Reduktion von Nekrose und Apoptose durch kokultivierte hUCB MNC beobachtet. Eine histologische Relokalisierung der intravenös applizierten Zellen war in keiner Therapiegruppe möglich. Die Integration der hUCB MNC ins Hirnparenchym stellt somit keine conditio sine qua non für die funktionelle Erholung nach Schlaganfall dar. Trotz des beobachteten erweiterten Zeitfensters ist die Translation dieses Therapieansatzes in die klinische Realität kritisch zu diskutieren, da weiterführende Studien unserer Arbeitsgruppe eine limitierte Wirksamkeit unter sehr praxisnahen Bedingungen (z.B. Einsatz kryokonservierter hUCB MNC) gezeigt haben. / Experimental treatment strategies using human umbilical cord blood mononuclear cells (hUCB MNCs) represent a promising option for alternative stroke therapies. An important point for clinical translation of such treatment approaches is knowledge on the therapeutic time window. Although expected to be wider than for thrombolysis, the exact time window for hUCB MNC therapy is not known. Our study aimed to determine the time window of intravenous hUCB MNC administration after middle cerebral artery occlusion (MCAO). Male spontaneously hypertensive rats underwent MCAO and were randomly assigned to hUCB MNC administration at 4h, 24h, 72h, 120h or 14d. Influence of cell treatment was observed by magnetic resonance imaging on days 1, 8 and 29 following MCAO and by assessment of functional neurological recovery. On day 30, brains were screened for glial scar development and presence of hUCB MNCs. Further, influence of hUCB MNCs on necrosis and apoptosis in post-ischemic neural tissue was investigated in hippocampal slices cultures. Transplantation within a 72h time window resulted in an early improvement of functional recovery, paralleled by a reduction of brain atrophy and diminished glial scarring. Cell transplantation 120h post MCAO only induced minor functional recovery without changes in the brain atrophy rate and glial reactivity. Later transplantation (14d) did not show any benefit. No evidence for intracerebrally localized hUCB MNCs was found in any treatment group. In vitro hUCB MNCs were able to significantly reduce post-ischemic neural necrosis and apoptosis. Our results for the first time indicate a time window of therapeutic hUCB MNC application of at least 72 hours. The time window is limited, but wider than compared to conventional pharmacological approaches. The data furthermore confirms that differentiation and integration of administered cells is not a prerequisite for poststroke functional improvement and lesion size reduction.

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

We prospectively evaluated 30 consecutive patients with echo-enhanced transcranial color-coded duplexsonography (TCCD) and correlative transfemoral digital subtraction angiography to assess the diagnostic efficacy of echo-enhanced TCCD for evaluation of collateral pathways through the circle of Willis in patients with limited acoustic bone windows and critical symptomatic carotid disease. Echo-enhanced TCCD detected collateral blood flow through the anterior communicating artery in 16 of 18 patients (sensitivity 89%, 95% CI 65–99%) and was false positive in one out of 12 patients without collateral flow (specificity 92%, 95% CI 59–100%). For the posterior communicating artery, sensitivity was 11/14 (79%, 95% CI 49–95%) and specificity was 15/16 (94%, 95% CI 70–100%). Echo-enhanced TCCD enables to study collateral blood flow through the communicating arteries of the circle of Willis with high sensitivity and specificity in patients with obstructions of the internal carotid artery and limited acoustic bone windows. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Ph. D. recherche et intervention en psychologie, option neuropsychologie clinique / L’aphasie survient le plus souvent à la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC) ischémique touchant l’artère cérébrale moyenne (ACM) gauche et représente l’une des conséquences les plus dévastatrices d’un AVC. La présente thèse vise à répondre à deux lacunes scientifiques importantes dans le domaine de l’aphasie secondaire à l’AVC impliquant l’ACM gauche, la première, plus fondamentale, et la seconde, plus clinique. Dans un premier temps, alors que les effets de l’AVC ischémique sur la matière grise ont été largement documentés dans les études précédentes, les mécanismes sous-tendant les dommages à la matière blanche cérébrale demeurent peu étudiés. Ainsi, le premier article inclus dans cette thèse vise à décrire le patron d’évolution longitudinale des propriétés microstructurelles de la matière blanche ipsilésionnelle après un AVC ischémique impliquant l’ACM gauche, en utilisant l’imagerie par résonance magnétique de diffusion. Nos résultats suggèrent que différents mécanismes pathophysiologiques s’opèrent pendant les stades aigu, subaigu précoce et chronique de l’AVC, avec la matière blanche lésionnelle et la matière blanche périlésionnelle affectée par l’ischémie à différents degrés et selon un décours temporel différent. Nous montrons que la considération d’une combinaison de mesures de diffusion à différents temps de mesure peut nous informer par rapport à la nature des différents mécanismes pathophysiologiques en cours, incluant l’oedème cellulaire, les dommages axonaux et la dégradation de la gaine de myéline. Une autre question qui demeure peu explorée dans la littérature sur l’aphasie post-AVC concerne la façon dont l’anomie, son symptôme cardinal, est reflétée dans la production de discours aux stades précoces du trouble. Le second article de cette thèse vise donc à évaluer la relation entre les mesures quantitatives de la production de discours et la performance dans le contexte de tâches de dénomination d’images au stade subaigu précoce de l’aphasie post-AVC impliquant l’ACM gauche (8-14 jours post-AVC). Nos résultats montrent la présence d’atteintes pour plusieurs mesures micro- et macrolinguistiques du discours chez les personnes avec aphasie et indiquent que l’informativité du discours (unités de contenu sémantique) est la mesure discursive la plus fortement corrélée aux capacités de dénomination. Nos résultats contribuent à une meilleure compréhension de la façon dont l’anomie est reflétée dans le contexte de la production de discours continu chez les personnes avec aphasie post-AVC dans la phase précoce du trouble. Ils suggèrent également que l’évaluation quantitative du discours peut offrir de l’information unique et potentiellement plus complexe à propos des atteintes langagières précoces, laquelle ne peut être entièrement captée par une tâche de dénomination d’images. / Post-stroke aphasia most frequently occurs after an ischemic stroke involving the left middle cerebral artery (MCA) and represents one of the most devastating consequences of a stroke. This thesis aims to address two major scientific gaps in the field of post-stroke aphasia: the first one is more fundamental, and the second one, more clinical. First, while the effects of ischemic stroke on cerebral grey matter have been thoroughly described in previous literature, the mechanisms of ischemic white matter injury remain far less understood. The first article of this thesis aims to characterize the longitudinal evolution of the microstructural properties of ipsilesional white matter after an ischemic stroke involving the left MCA, using diffusion magnetic resonance imaging. Our findings suggest that various pathophysiological mechanisms are at play after the ischemic stroke, with the lesional white matter and perilesional white matter tissue affected by ischemia at different rates and to different extents. We show that the examination of multiple diffusivity metrics may inform us about the mechanisms occurring at different time points, including cellular edema, axonal damage, and myelin loss. Another scientific gap in the post-stroke aphasia literature is that we do not know how anomia, its cardinal feature, is reflected in connected speech production during the early stages of the disease. The second article included in the thesis aims to assess the relationship between quantitative measures of connected speech production and performance in confrontation naming in people with aphasia in the early subacute stage following an ischemic stroke involving the left MCA (8–14 days post-stroke). We provide evidence for the presence of impairments in an array of micro- and macrolinguistic measures of speech in individuals with post-stroke aphasia and we show that confrontation naming abilities most strongly relate to informativeness in a picture description task. Our findings contribute to a better understanding of how anomia impacts connected speech production in the first days after stroke onset and suggest that quantitative discourse analysis may provide unique, possibly more complex information that isn’t entirely captured by picture naming tasks.

In ischaemic stroke a disruption of cerebral blood flow leads to impaired metabolism and the formation of an ischaemic penumbra in which tissue at risk of infarction is sought for clinical intervention. In stroke trials, therapeutic intervention has largely been based on perfusion-weighted measures, but these have not been shown to be good predictors of tissue outcome. The aim of this thesis was to develop analysis techniques for magnetic resonance imaging (MRI) of chemical exchange saturation transfer (CEST) in order to quantify metabolic signals associated with tissue fate in patients with acute ischaemic stroke. This included addressing robustness for clinical application, and developing quantitative tools that allow exploration of the in-vivo complexity. Tissue-level analyses were performed on a dataset of 12 patients who had been admitted to the John Radcliffe Hospital in Oxford with acute ischaemic stroke and recruited into a clinical imaging study. Further characterisation of signals was performed on stroke models and tissue phantoms. A comparative study of CEST analysis techniques established a model-based approach, Bloch-McConnell model analysis, as the most robust for measuring pH-weighted signals in a clinical setting. Repeatability was improved by isolating non-CEST effects which attenuate signals of interest. The Bloch-McConnell model was developed further to explore whether more biologically-precise quantification of CEST effects was both possible and necessary. The additional model complexity, whilst more reflective of tissue biology, diminished contrast that distinguishes tissue fate, implying the biology is more complex than pH alone. The same model complexity could be used reveal signal patterns associated with tissue outcome that were otherwise obscured by competing CEST processes when observed through simpler models. Improved quantification techniques were demonstrated which were sufficiently robust to be used on clinical data, but also provided insight into the different biological processes at work in ischaemic tissue in the early stages of the disease. The complex array of competing processes in pathological tissue has underscored a need for analysis tools adequate for investigating these effects in the context of human imaging. The trends herein identified at the tissue level support the use of quantitative CEST MRI analysis as a clinical metabolic imaging tool in the investigation of ischaemic stroke.

Les accidents vasculaires cérébraux (AVC) constituent un problème majeur de santé publique, puisqu’ils représentent la 3ème cause de mortalité dans les pays industrialisés. À l’heure actuelle, l’activateur tissulaire du plasminogène recombinant (rt-PA) est le seul traitement pharmacologique à la phase aiguë des AVC ischémiques. Il s’agit d’un thrombolytique dont l’utilisation reste très limitée (<2% des patients). En effet, quand le rt-PA est administré au-delà de 4h30, aucune récupération fonctionnelle n’est observée chez le patient. De plus, les données cliniques et expérimentales ont montré que l’administration du rt-PA augmente fortement la survenue de transformations hémorragiques. Il apparaît donc indispensable de développer des stratégies permettant, d’une part, de s’opposer à ces transformations hémorragiques, et d’autre part, d’augmenter la fenêtre thérapeutique du rt-PA. Au vu de ces données, mon travail a consisté à préciser l’intérêt thérapeutique d’inhiber une enzyme, la poly(ADP-ribose)polymérase (PARP) pour s’opposer aux effets délétères du rt-PA au niveau vasculaire. Ces études ont été menées sur un modèle d’ischémie cérébrale thromboembolique réalisé chez la souris, consistant en une injection de thrombine dans l’artère cérébrale moyenne. Dans un 1er temps, nous avons caractérisé ce modèle, récemment décrit dans la littérature (2007) et nouveau dans notre laboratoire. Nos travaux ont montré pour la première fois que, dans ce modèle, le rt-PA à la dose de 0,9 mg/kg (dose utilisée chez l’homme) reproduit fidèlement les « 2 visages » du thrombolytique en clinique : la thrombolyse précoce (30 min après l’ischémie) est associée à des effets bénéfiques, en réduisant le déficit neurologique, le volume de la lésion et l’œdème cérébral, alors que l’administration tardive de rt-PA (4h après l’ischémie) entraîne une aggravation des transformations hémorragiques et une perte de l’amélioration fonctionnelle. Dans un 2ème temps, nous avons étudié l’implication de la PARP dans les transformations hémorragiques induites par l’administration tardive de rt-PA. Le traitement par le PJ34(1 et 3 mg/kg), un puissant inhibiteur de cette enzyme, réduit la dégradation des protéines de jonction de la barrière hémato-encéphalique et les transformations hémorragiques induites par le rt-PA. De plus, le PJ34 s’oppose non seulement à la toxicité vasculaire du rt-PA, mais réduit également le déficit neurologique, le volume de la lésion et l’œdème cérébral. En conclusion, l’ensemble de ce travail montre que l’inhibition de la PARP prolonge la fenêtre thérapeutique du rt-PA et permet une thrombolyse « sécurisée ». Cette stratégie pourrait être mise en place de manière précoce après l’ischémie (avant même l’arrivée du patient à l’hôpital) et augmenter le nombre de patients pouvant bénéficier d’une thrombolyse. / Stroke is the third leading cause of death worldwide and a major cause of disability. Tissue plasminogen activator (rt-PA) is the only approved treatment in the United States and Europe for acute ischemic stroke. Clinical data show that beyond its therapeutic time window (4.5 hours after stroke onset), rt-PA exerts no more neuroprotective effects. Furthermore, clinical data showed that rt-PA increases the hemorrhagic transformations. Therefore, there is a critical need to develop a novel drug that can reduce rt-PA’s deleterious effects and extend its therapeutic window. The aim of the present study was to examine whether Poly(ADP-ribose)polymerase (PARP) mediates the hemorrhagic transformations induced by rt-PA administration. We used a mouse model of thromboembolic stroke, which consists of a microinjection of thrombin in the middle cerebral artery. First, we showed that in the mouse thrombin stroke model, the "human" dose of rt-PA exhibits effects close to those observed in clinic. Later, we showed PARP is implicated in the vascular toxicity of rt-PA after cerebral ischemia. PJ34, a PARP inhibitor, preserves the blood brain barrier integrity, reduces rt-PA-induced hemorrhagic transformations, improves neurological outcomes and reduces brain infarction and edema. In conclusion, this work showed that PARP inhibitors could be relevant candidates to extend the therapeutic time window of rt-PA after stroke without increasing the risk of hemorrhagic transformations.

I hjärnan finns neuron och gliaceller. Förut trodde man att neuroner var dem enda som hade en viktig funktion i hjärnan men på senare tid har upptäckt att gliaceller har en större betydande roll än man tidigare trott. Gliaceller är ett samlingsnamn som innefattar bland annat microglia celler, oligodendrocyter och astrocyter. Östrogen är ett steroidhormon som har många viktiga funktioner i kroppen som bland annat reproduktionen, immunförsvaret, skelettet och endokrina system. Östrogen binder till östrogenreceptorer och de finns 3 stycken olika som kallas för östrogenreceptor alfa (α), östrogenreceptor beta (β) och G-proteinkopplade östrogenreceptor (GRP30). Alla dessa östrogenreceptorer har man funnit i hjärnan. Syftet med detta projektarbete är att ge en djupare förståelse om östrogens signalering i hjärnans gliaceller och om östrogens signalering kan ge någon relevant funktion till framtida farmakologiska behandlingar.  Systematisk litteraturstudie gjordes och sökningar på databasen PubMed. Begränsade antalet träffar med sökord, inklusionskriterier och exklusionskriterier. Artiklar granskades sedan via ett urvalssystem och relevanta artiklar användes för att besvara syfte och frågeställningar.  Östrogensignaleringen på gliaceller har många olika effekter. En signalering på östrogenreceptor β på oligodendrocyter leder till mognad, differentiering, bättre överlevd och att remyeliniseringen aktiverades. Medan en östrogens signalering på microglia cellens östrogenreceptorer α, β och GRP30 leder dämpning av inflammation och förbättrad kognitiv funktion. Östrogensignaleringen på astrocyter ger flera olika effekter såsom metabolismen av glukos, progesteron syntesen, glutamattransportören GLT-1, tillväxtfaktorn TGF-α, upptaget av glutamat samt ökad proteinproduktion av AMPA-receptor. Den nya kunskapen om östrogens signalering på hjärnans gliaceller kan leda till framtida farmakologiska behandlingar vid hjärnskada och ischemisk stroke. Östrogenet har visat på neuronskyddande effekter via signalering på gliaceller. Svagheten är att de endast är djurstudier som ligger till grund för kunskapen om östrogens signalering på gliaceller. I framtiden skulle det behövas styrkas med studier gjorda på människa. En styrka är att djurstudierna ger en fingervisning om östrogen signaleringen eftersom hjärnans uppbyggnad är likvärdig.

L’accident vasculaire cérébrale (AVC) ischémique est une des premières causes de mortalité dans le monde, par conséquent il constitue un véritable enjeu de santé publique. Cette pathologie résulte de l’obstruction d’une artère cérébrale par un caillot et déclenche une inflammation, pouvant majorer les lésions tissulaires du cerveau. À ce jour les traitements anti-inflammatoires appliqués en clinique se sont révélés inefficaces. Il est donc indispensable de développer de nouvelles approches diagnostiques pour une meilleure compréhension des mécanismes biologiques impliqués dans cette pathologie. Dans ce contexte, nous avons proposé la conception d’une nanoplateforme hybride multimodale comme agent de contraste adapté à trois techniques d’imagerie médicale. Ces nanoparticules au cœur inorganique, composé de GdF3 augmentent sensiblement le contraste en IRM et leur opacité procure un rehaussement de contraste pour le Scanner Spectral à Comptage Photonique (SPCCT), une technique de développement récent. La troisième modalité, la microscopie biphotonique procure une haute résolution et une très grande sensibilité, tout en permettant d’obtenir des images en temps réel. Grâce à un chromophore adapté, greffé à la surface de la particule, cette modalité devient également accessible. Ces particules inorganiques sont synthétisées par une méthode solvothermale originale, développée par notre équipe. La surface des nanoparticules est ensuite modifiée par différents ligands polyéthylène glycol (PEG) fonctionnalisés, qui rendent les particules de GdF3 stables en milieu physiologique (comme le sang), biocompatibles et furtives. Enfin, un chromophore spécialement développé au sein de notre laboratoire, pour des applications d’absorption biphotonique, a été greffé à la surface de la particule. Le couplage du chromophore a été effectué via une réaction click azoture-alcyne, activée thermiquement (sans catalyse par Cu(I)). La toxicité des particules a été évaluée par deux techniques différentes, appliquées sur des cellules d’origine humaine. À l’issue de ces tests aucun effet cytotoxique n’a été observé. Après avoir démontré les propriétés multimodales de ces nanoobjets, des expériences précliniques in vivo ont été menées. Nous avons montré, que lors de l’observation du cerveau de souris la nanosonde augmente efficacement le contraste en SPCCT, IRM et produit un signal intense en microscopie 2-photons intravitale. Les particules se sont révélées particulièrement stables dans le sang : grâce à leur furtivité elles restent dans la circulation longtemps, ce qui favorise leur passage à travers la barrière hémato-enchéphalique lésée. Elles sont également phagocytées par les cellules immunitaires activées. La dynamique spatio-temporelle de ces cellules marquées par les nanoparticules a pu être imagée / Ischemic stroke, as one of the most common causes of death, represents an important health issue. The pathology consists of the occlusion of an artery in the brain leading to an acute inflammatory process. Post-stroke inflammation usually results in irreversible secondary brain tissue damage. To date, the clinical application of anti-inflammatory treatments has been either negative or inconclusive. For a better understanding of this complex physiological process and development of efficient treatment, there is an urgent need to develop performant in-vivo diagnostic tools. In that context, we proposed to design a multimodal hybrid nanoprobe for enhancing the contrast in three different clinical and pre-clinical imaging modalities. The ability of this probe to enhance contrast in MRI (Magnetic Resonance Imaging) and a recently developed spectral photon counting scanner computed tomography (SPCCT) is intrinsic to the inorganic GdF3 core. The inorganic nanoparticle size and morphology was optimized for the biological application. The third modality, two-photon imaging, provides high spatial resolution, high sensitivity, and allows real-time imaging. To make GdF3 nanoparticles visible by two-photon microscopy, a specially designed organic moiety is added to the nanoplatform. The inorganic nanoparticles are synthesized by the original solvothermal method developed in our group. Surface modifications with different PEG derivatives confer to the GdF3 nanoparticles high stability in physiological media (such as blood), biocompatibility, and stealth. The two-photon active chromophore synthesized in our laboratory is grafted to the particle surface via a thermally activated (catalyst-free) alkyne-azide click reaction. Toxicity of the nanoobjects has been assessed by using two different tests on four human-derived cells, and no cytotoxic effect of the particles was found. After the demonstration of the multimodality of the particles, pre-clinical in vivo experiments were performed. We evidenced that the particles successfully enhance SPCCT, MRI contrast in the brain of the small animal via a T2-effect and provide a high-intensity two-photon signal for in-vivo microscopy. Besides, the nanoparticles revealed to be stable and long-circulating in the blood, which favored their cross through the altered blood-brain barrier. Their phagocytose by activated immune cells offered the possibility to follow cell-trafficking