Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques sont les acteurs principaux de l'apparition des lésions ischémiques secondaires. L'erythropoïétine (Epo) sous sa forme recombinante humaine possède une activité anti-oedémateuse dans un modèle expérimental de TC diffus. Son action sur l'hypoxie cérébrale post-traumatique reste néammoins méconnue. De plus, les effets indésirables hématologiques de l'Epo ont conduit à la synthèse de dérivés de l'Epo ne possèdant pas d'activité hématopoïétique comme l'érythropoïetine carbamylée (CEpo). Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour but d'évaluer les propriétés de l'Epo et de la CEpo dans le modèle de TC diffus. Un traitement intraveineux par CEpo à la dose de 50 µg/Kg a ainsi permis de diminuer précocemment l'œdème cérébral post-traumatique évalué in vivo par IRM de diffusion et ex vivo par gravimétrie spécifique. Cette propriété a impliqué l'inhibition de la phosphorylation de la voie Erk et s'est accompagnée de l'amélioration des fonctions motrices et cognitives jusqu'à 10 jours après le TC. Après une étude de validation sur des rats sains soumis à différentes conditions d'oxygénation, une méthode de mesure IRM de la saturation locale en oxygène (lSO2) cérébrale combinant l'effet BOLD avec la mesure du volume sanguin cérébral a montré une diminution de l'oxygénation cérébrale post-traumatique. Cette hypoxie cérébrale n'était pas en lien avec une diminution du débit sanguin cérébral attestée par méthode de premier passage d'un agent de constraste. Un collapsus des capillaires cérébraux était par ailleurs retrouvé en microscopie électronique. L'Epo à la dose de 5000 UI/Kg a été capable de restaurer l'oxygénation cérébrale en diminuant l'œdème astrocytaire péricapillaire. L'ensemble de ce travail a permis d'établir les bénéfices d'un traitement par Epo ou par CEpo sur l'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques.

L'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques sont les acteurs principaux de l'apparition des lésions ischémiques secondaires. L'erythropoïétine (Epo) sous sa forme recombinante humaine possède une activité anti-oedémateuse dans un modèle expérimental de TC diffus. Son action sur l'hypoxie cérébrale post-traumatique reste néammoins méconnue. De plus, les effets indésirables hématologiques de l'Epo ont conduit à la synthèse de dérivés de l'Epo ne possèdant pas d'activité hématopoïétique comme l'érythropoïetine carbamylée (CEpo). Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour but d'évaluer les propriétés de l'Epo et de la CEpo dans le modèle de TC diffus. Un traitement intraveineux par CEpo à la dose de 50 µg/Kg a ainsi permis de diminuer précocemment l'œdème cérébral post-traumatique évalué in vivo par IRM de diffusion et ex vivo par gravimétrie spécifique. Cette propriété a impliqué l'inhibition de la phosphorylation de la voie Erk et s'est accompagnée de l'amélioration des fonctions motrices et cognitives jusqu'à 10 jours après le TC. Après une étude de validation sur des rats sains soumis à différentes conditions d'oxygénation, une méthode de mesure IRM de la saturation locale en oxygène (lSO2) cérébrale combinant l'effet BOLD avec la mesure du volume sanguin cérébral a montré une diminution de l'oxygénation cérébrale post-traumatique. Cette hypoxie cérébrale n'était pas en lien avec une diminution du débit sanguin cérébral attestée par méthode de premier passage d'un agent de constraste. Un collapsus des capillaires cérébraux était par ailleurs retrouvé en microscopie électronique. L'Epo à la dose de 5000 UI/Kg a été capable de restaurer l'oxygénation cérébrale en diminuant l'œdème astrocytaire péricapillaire. L'ensemble de ce travail a permis d'établir les bénéfices d'un traitement par Epo ou par CEpo sur l'œdème cérébral et l'hypoxie cérébrale post-traumatiques. / Post-traumatic brain oedema and brain hypoxia play a key role for the development of secondary ischaemic lesions. Erythopoïetin (Epo) is an anti-oedematous agent in the impact-acceleration model. However its action on brain hypoxia remains unkonwn. Neuroprotective derivatives of Epo that lack haematopoïétic properties, like carbamylated Epo (CEpo), have been developped to counter Epo side effects. In this context, our study aimed to assess the effect of Epo and CEpo on post-traumatic diffuse brain oedema and brain oxygenation. CEpo (50 µg/Kg) decreased brain oedema assessed by diffusion-weighted MRI and specific gravimetry 6 hours after the trauma. The anti-oedematous effect of CEpo was linked to Erk inhibition and was associated with an improvement of cognitive and motor functions, evaluated until 10 days after the insult. MRI using the combination of BOLD contrast and blood volume fraction measurement demonstrated a decrease of local brain oxygenation in our model, without franck ischemia (measurement of mild transit time by a first passage method). Epo (5000 UI/Kg) improved brain oxygenation by decreasing post-traumatic cerebral capillaries collapse due to astrocytic end-foot swelling. All these results demonstrated that Epo and CEpo could be seen as promising neuroprotective agents in traumatic brain injury.

Un dysfonctionnement du métabolisme cérébral est observé au décours d'un traumatisme crânien (TC). L’œdème cérébral et l’hypoxie cérébrale post-traumatiques sont des acteurs principaux de l’apparition des lésions ischémiques secondaires responsables en partie de la défaillance énergétique. Cette hypoxie tissulaire résulte de troubles macrocirculatoires, de troubles de la microcirculation et/ou de troubles de la diffusion de l’oxygène des capillaires sanguins aux tissus. La baisse de la consommation en oxygène est également liée à une dysfonction mitochondriale post traumatique de la chaine respiratoire. Ces phénomènes ischémiques ou hypoxiques aboutissent ainsi à une élévation de lactate endogène en condition anaérobie. Cependant, l'élévation de lactate endogène post traumatique est liée majoritairement à une crise métabolique conduisant à une hyperglycolyse en dehors de tout phénomène hypoxique ou ischémique. L'objectif de notre étude était donc d’étudier l'œdème cérébral, l'oxygénation cérébrale, la défaillance mitochondriale post traumatique et le métabolisme cérébral dans un modèle expérimental de traumatisme crânien diffus par impact accélération chez l'animal. Nous avons étudié les effets de différents neuroprotecteurs sur le métabolisme cérébral à l'aide d'un monitorage multimodal. Les effets de la rhEpo (5000UI/Kg), du mannitol (1g/kg) et du lactate de sodium molaire (1.5 ml/Kg soit 3mOsm/kg) ont été étudiés sur l'œdème cérébral (IRM, microscopie électronique), sur l'hypoxie cérébrale tissulaire (IRM BOLD, mesure de la pression tissulaire en O2, saturation veineuse en O2 du sinus longitudinal supérieur), sur le métabolisme cérébral (spectroRMN) et sur la mitochondrie (analyse de la capacité de rétention calcique, de la chaine respiratoire, microscopie électronique et mesure du calcium intramitochondrial) chez des rats wistar mâles. Notre hypothèse était que l’injection de différents neuroprotecteurs permettrait d’améliorer le métabolisme cérébral post traumatique par des effets bénéfiques sur l’hémodynamique cérébrale et l'œdème cérébral, sur l'hypoxie tissulaire ou sur la dysfonction mitochondriale post TC. Nos résultats ont démontré que la rhEpo avait un effet bénéfique sur l'hypoxie cérébrale post traumatique par le biais d'une diminution de l'œdème cérébral péri capillaire en phase aigue associée à une diminution de la dysfonction mitochondriale proapoptotique. Le mannitol améliore l'hypoxie cérébrale post traumatique en jouant sur la microvascularisation cérébrale perturbée par l'œdème astrocytaire péri capillaire. Enfin, le lactate de sodium molaire avait des effets bénéfiques anti œdémateux et sur la dysfonction mitochondriale post TC améliorant ainsi la crise métabolique post traumatique. Ces résultats permettent d'améliorer la compréhension de la physiopathologie des lésions survenant au décours du traumatisme crânien ainsi que les mécanismes d'action de différentes molécules neuroprotectrices. / Cerebral metabolism is impaired after a Traumatic Brain Injury (TBI). Post traumatic cerebral edema and hypoxia are mainly responsible of the development of secondary ischemic lesions after TBI leading to metabolic impairment. Tissular hypoxia can result from disorders in macro and microcirculation and/or disturbance in the diffusion of oxygen from the blood capillaries to tissue. The decrease in oxygen consumption observed after brain injury is also related to a post traumatic dysfunction of the mitochondrial respiratory chain. These ischemic or hypoxic phenomena may be responsible for metabolic disorders leading to elevated level of endogenous lactate under anaerobic conditions. However, the elevation of endogenous lactate is mainly the consequence of a metabolic crisis that led to a state of hyperglycolysis without cerebral hypoxia or ischemia after TBI. The aim of our study was to investigate cerebral edema, cerebral oxygenation, mitochondrial and metabolic impairment post TBI in an experimental model of impact acceleration diffuse brain injury in rats. We also analyzed the effects of various neuroprotective agents on cerebral metabolism using a multimodal monitoring. The effects of rhEpo (5000UI/Kg), mannitol (1g/Kg) and of molar sodium lactate (1.5 ml/Kg or 3mOsm/kg) were investigated on brain edema (MRI, electronic microscopy), on brain tissue hypoxia (BOLD MRI, measurement of the tissular pressure of O2, venous O2 saturation of the upper longitudinal sinus), on brain metabolism (Magnetic Resonance Spectroscopy) and on mitochondria (study of the calcium retention capacity, of the respiratory chain, morphological analysis with electronic microscopy and measurement of intramitochondrial calcium) in male wistar rats. We hypothesized that the injection of various neuroprotective agents would improve posttraumatic cerebral metabolism by restoring a better cerebral hemodynamic status, by improving cerebral edema, tissular oxygenation and/or mitochondrial function. On the early phase of TBI, we demonstrated that rhEpo had a beneficial effect on post traumatic cerebral hypoxia by decreasing post-traumatic cerebral capillaries collapse due to astrocytic end-foot swelling. This effect was associated with an improvement in cellular apoptosis induced by mitochondrial pathways. Mannitol improved brain hypoxia by decreasing peri vascular astrocytic edema. Sodium lactate had benefic effects on cerebral hypoxia by decreasing cerebral edema and improved mitochondrial and metabolic impairments after TBI. These results help understanding physiopathological events after TBI and the various effects of neuroprotective agents that can be used in future clinical research.

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.