Introduction. L’encéphalopathie hépatique (HE) est une complication commune mais sévère des insuffisances hépatiques. La physiopathologie de l’HE provient essentiellement de l’ammoniac dérivé du métabolisme des bactéries intestinales. Le traitement standard pour les patients qui subissent des épisodes manifestes d’HE est le lactulose mais son observance est faible du fait d’effets secondaires inconfortables. La rifaximine est un candidat potentiel mais il n’y a pas de données issues d’essais cliniques suffisamment robustes pour supporter sa seule utilisation. Les traitements anti-fibrotiques sont une autre piste de traitement dans le sens où s’il est possible de prévenir l’avancement de la défaillance hépatique il est alors possible de diminuer la probabilité et la sévérité des épisodes. Deux études indépendantes ont été réalisées dans un modèle de ligature de la voie biliaire, la première étude pour évaluer l’efficacité de traitements thérapeutiques de l’HE (lactulose et rifaximine) utilisés seuls ou en combinaison pour réduire le taux d’ammoniac et améliorer le statut de l’HE; et la seconde étude, pour évaluer des traitements utilisés individuellement pour prévenir l’établissement de la fibrose (acide obéticholique, rapamycine, pirfénidone, acide ursodésoxycholique). Matériel et méthodes. Les deux projets utilisent un modèle murin de ligature de la voie biliaire. Pour l’évaluation de la rifaximine, trois semaines après la chirurgie, les animaux sont séparés en cinq groupes en fonction du traitement reçu quotidiennement et du modèle : SHAM-VEH, pour les animaux ayant subi un simulacre de chirurgie de ligature de la voie biliaire (SHAM) et traité par le véhicule (VEH); BDL-VEH, pour les animaux ayant subi la chirurgie de ligature de la voie biliaire et traité par le véhicule; BDL-RIF, pour les animaux traités par la rifaximine (RIF); BDL-LAC, pour les animaux traités par le lactulose (LAC); BDL-LAC+RIF, pour les animaux traités par le lactulose et la rifaximin (LAC+RIF). Pour l’évaluation des composés anti-fibrotiques, une semaine après la chirurgie, les animaux sont séparés en six groupes en fonction du traitement reçu quotidiennement et du modèle : SHAM-VEH; BDL-VEH; BDL-OCA pour les animaux traités par l’obéticholique acide (OCA); BDL-RPM, pour les animaux traités par la rapamycine (RPM); BDL-UDCA, pour les animaux traités par l’acide ursodésoxycholique (UDCA); BDL-PFN pour les animaux traités par la pirfenidone (PFN). Les animaux sont alors évalués au cours du modèle pour leur survie, leur consommation de nourriture et leur poids. Les paramètres biochimiques de la fonction hépatiques sont évalués en fin de modèle. Plus particulièrement, le projet sur les composés anti-fibrotiques comprend une analyse plus approfondie de la fibrose par histologie avec établissement du score MÉTAVIR et par mesure du contenu hépatique en hydroxyproline. Le projet rifaximine comprend des analyses comportementales pour évaluer l’HE mais également une mesure de l’œdème cérébral. Résultats. Pour le projet rifaximine, aucun des deux composés testés (i.e. rifaximin et lactulose) seuls ou combinaison n’ont pas eu d’effets bénéfiques globaux en termes de survie, de croissance, de consommation de nourriture, de tests comportementaux, d’œdème cérébral, de paramètres biochimiques incluant l’ammoniac. Aucun des traitements pris séparément ou en combinaison n’a montré d’efficacité pour le traitement de l’HE. Pour le projet des composés anti-fibrotiques, certains composés ont entrainé une mortalité plus élevée. Aucune différence entre les traitements ne fut observée en termes de croissance, de consommation de nourriture, de paramètres biochimiques, d’histologie et de contenu en hydroxyproline. Conclusions. Globalement, l’étude sur la rifaximine ne présente pas de résultats suffisamment concluants pour recommander l’utilisation de la rifaximine en remplacement ou en concomitance avec le lactulose. L’étude sur les composés anti-fibrotiques ne permet pas de mettre en évidence un composé capable de limiter la progression de la fibrose. / Introduction. Hepatic encephalopathy (HE) is a major but common complication of liver failures diseases. The physiopathology of HE mainly involves intestinal bacteria metabolism derived ammonia. The golden standard for patients who experience overt episodes of HE is lactulose but its observance is poor due to uncomfortable side effects. On the other hand, Rifaximin is a potent candidate but there is a lack of relevant data from clinical trials to support its sole use. Antifibrotic drugs are another category of treatment that can be useful in the setting of HE since it can prevent the onset of cirrhosis and thus of the liver failure, this can decrease the appearance and severity of the episodes. The aim of this study is to evaluate in a murine model of bile duct ligation the efficiency of therapeutic treatments (lactulose and rifaximin) alone or in combination to decrease blood ammonia and ameliorate HE status; and of prophylactic treatments (obeticholic acid, rapamycin, pirfenidone, ursodeoxycholic acid) individually to prevent the onset of fibrosis. Materials and methods. The two projects used a murine model of bile duct ligation. For the evaluation of the efficiency of rifaximin, three weeks after surgery, the animals were sorted into five groups according to the treatment they received daily and according to the model : SHAM-VEH, for animals that underwent a mock surgery (SHAM) and were treated with vehicle (VEH); BDL-VEH, for animals that underwent a bile duct ligation surgery (BDL) and were treated with vehicle; BDL-RIF, for animals that were treated with rifaximin (RIF); BDLLAC, for animals that were treated with lactulose (LAC); BDL-LAC+RIF for animals that were treated with lactulose and rifaximin (LAC+RIF);. For the evaluation of the effect of antifibrotic drugs, one week after surgery, the animals were sorted into six groups according to the treatment they received daily and according to the model : SHAM-VEH, BDL-VEH, BDL-OCA for animals that were treated with obeticholic acid (OCA); BDL-RPM, for animals that were treated with rapamycine (RPM); BDL-UDCA, for animals that were treated with ursodeoxycholic acid (UDCA); BDL-PFN, for animals that were treated with pirfenidone (PFN). All animals were evaluated during the model for survival, food consumption and growth. The biological parameters of the liver function were evaluated at the end of the model. More specifically, this project includes a deeper analysis on fibrosis through histological analysis with establishment of the METAVIR score and measure of the content on hydroxyproline. The rifaximin project includes behavioural analysis to evaluate the HE status and measurement of cerebral edema. Results. Concerning the rifaximin project, no difference can be established between the treatments in term of survival, growth, food consumption, behavioural tests, cerebral edema, biochemistry parameters including ammonia. No treatment, taken alone or in combination, showed efficacy to treat HE. Concerning the antifibrotic drug study, some compounds have shown an increase in mortality, although no difference can be observed on growth, food consumption, biochemistry parameters, histology or hydroxyproline content. Conclusions. Overall, the study on rifaximin does not present strong and conclusive results on the sole use of rifaximin. According to the study on the antifibrotic drugs, no compounds show evidence of prevention of the onset of the fibrosis.

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’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’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.