Barrière hémato-encéphalique ou « unité neurovasculaire » 1 Structure de la BHE

L’unité vasculaire est définie comme l’association des cellules endothéliales, de la membrane basale, des péricytes, des astrocytes et des neurones. Chacune de ces cellules possèdent un rôle bien précis, donnant à la BHE trois grandes fonctions (Wolburg, H., et al. - 2009):

- Le contrôle des paramètres de la perfusion sanguine différente, d’une région du cerveau à une autre.

- Le maintien des réserves énergétiques permettant un apport aux cellules environnantes, plus particulièrement les neurones, et un retour dans le sang des métabolites produits par le SNC.

- La protection du parenchyme contre les modifications de la composition du sang ou la présence d’éléments neurotoxiques

Figure 43

A.2 Les cellules endothéliales (EC)

Les cellules endothéliales sont situées à l’interface sang-cerveau. Leurs fonctions biologiques sont: - La formation d’une barrière sang-cerveau

- Le transport des nutriments et des cellules comme les leucocytes - La signalisation des différents récepteurs en réponse à des signaux - La régulation de l’osmolarité

Ces différentes fonctions sont possibles grâce au phénotype particulier des cellules endothéliales de la BHE, différent de celles de la circulation périphérique (Persidsky, Y., et al. - 2006).

Ces cellules sont caractérisées par leur petite taille et par les jonctions serrées qui confèrent à la BHE une haute résistance électrique transendothéliale (TEER- 1500/2000 ohm/cm2). Le cytoplasme de ces cellules est uniforme et contient très peu de vésicules de pinocytose, impliquées dans le transport non spécifique de solutés et une absence de fenestrations. De plus, ces cellules des capillaires cérébraux contiennent un nombre plus élevé de mitochondries que les cellules endothéliales des autres capillaires, nécessaire pour fournir le potentiel énergétique requis aux transports actifs des nutriments (Oldendorf, W. H., et al. - 1977).

Un point commun entre ces cellules et celles de la périphérie est la présence de la membrane basale qui couvre les vaisseaux. Cette dernière est composée de collagène IV, fibronectine et laminine. Elle permet l’ancrage des cellules endothéliales par l’interaction entre les intégrines des ECs et les composants de la membrane basale (Del Zoppo, G. J., et al. - 2006). La rupture de cette membrane suffit à induire une perméabilité de la BHE. Quelques études suggèrent que le collagen IV augmente le transcrit de l’occludine menant à l’hypothèse d’un rôle de la membrane basale dans le maintien des jonctions serrées (Savettieri, G., et al. - 2000).

Les cellules endothéliales cérébrales forment une barrière enzymatique qui permet de métaboliser les drogues et les nutriments. Parmi ces enzymes, on rapporte : la γ-GTP (γ-glutamyle transpeptidase), l’AP (phosphatase alkaline) et la decarboxylase des acides aromatiques. Ces enzymes en concentration élevée au niveau des capillaires cérébraux, permettent la métabolisation des solutés neuroactifs présents dans le sang (Pardridge, W. M. - 2005).

Enfin, il existe une polarité au niveau de ces cellules, jouant un rôle très important dans la fonction de la barrière. En effet, les enzymes γ-GTP et AP et différents transporteurs comme

Pgp sont présents du côté apical. Au contraire, au niveau basal on décrit les pompes Na+-K+ ATPase. Des transporteurs tels que GLUT-1 sont localisés à la fois du côté apical et basal. Les jonctions serrées et adhérentes jouent un rôle dans la polarité des cellules par leur ségrégation à la membrane apicale (jonctions serrées) et la membrane basale (jonctions adhérentes) (Abbott, N. J.,

et al. - 2006, Loscher, W., et al. - 2005).

A.3 Les péricytes (Lai, C. H., et al. - 2005)

Les péricytes ont été décrits comme des cellules périvasculaires adjacentes aux capillaires en 1870 par Rouget (Zlokovic, B. V. - 2008). Ils sont encastrés dans la membrane basale et participent à la prolifération, la survie, la migration, la différentiation cellulaire et le bourgeonnement vasculaire.

Les péricytes sont des cellules plates, indifférenciées et font partie des cellules contractiles du tissu conjonctif. Ils entourent 30 à 70% des vaisseaux et, dans le cerveau, on compte 1 péricyte pour 3 cellules endothéliales. L’origine des péricytes n’est pas encore totalement élucidée mais ils proviendraient du lignage des cellules musculaires (Allt, G., et al. - 2001). Ils sont morphologiquement, physiquement et physiologiquement hétérogènes et ont la propriété de se différentier en cellules « fibroblaste-like », en chondocytes ou encore en adipocytes. De plus, les péricytes du cerveau possèdent des propriétés de macrophages, par leur capacité à phagocyter et à présenter l’antigène (Rucker, H. K., et al. - 2000, Sims, D. E. - 2000).

Leur hétérogénéité confère aux péricytes plusieurs fonctions :

- Ils assurent le maintien de l’intégrité et de la morphologie des vaisseaux, par la sécrétion de différents facteurs angiogéniques, comme l’Ang1. L’absence de ces cellules conduit à une hyperplasie et une morphogénèse anormales du réseau vasculaire dans le cerveau (Von Tell, D., et al. - 2006).

- Ils régulent le flux sanguin par l’expression importante d’α-actine contractile et par des seconds messagers comme le calcium et l’AMPc (Peppiatt, C. M., et al. - 2006)

- Ils contrôlent la perméabilité de la BHE en fonction des contacts EC-péricytes. Ce contact induit la sécrétion TGF-β1 qui régule le réseau de filaments d’actine des cellules endothéliales, à la fois dans les cellules endothéliales et dans les péricytes. Cependant les mécanismes moléculaires sont encore peu connus et les études, contradictoires, révèlent une régulation complexe selon l’environnement (Dohgu, S., et al. - 2005, Dore-Duffy, P.,

A.4 Les neurones

Les corps cellulaires des neurones sont localisés à moins de 10µm autour des capillaires, nécessaire pour l’adaptation de l’approvisionnement en nutriments à l’activité des neurones. Cet approvisionnement des neurones en fonction de leur activité demande une régulation importante de la circulation. Les études menées en imagerie fonctionnelle chez l’homme ou l’animal montrent une étroite relation entre débit sanguin et activité neuronale (Paemeleire, K., et al. -

2000).

Les cellules endothéliales associées ou non aux astrocytes sont innervées par des neurones noradrénergiques, serotoninergiques, cholinergiques et GABAergiques. Il a été montré dans la maladie d’Alzheimer qu’une perte de l’innervation cholinergique mène à un défaut dans la fonction cérébro-vasculaire (Cohen, R. M., et al. - 1997, Cohen, Z., et al. - 1997, Vaucher, E., et al. - 2000).

De plus, il est prouvé que les neurones induisent l’expression d’enzymes spécifiques des cellules endothéliales cérébrales De plus les neurones augmentent l’expression des enzymes de la BHE et notamment la GGTP (gamma-glutamyl transpeptidase) (Tontsch, U., et al. - 1991).

Cependant les mécanismes précis restent encore inconnus (Persidsky, Y., et al. - 2006).

A.5 La microglie

La microglie a été découverte en 1932 par de Rio-Hortega. C’est une classe distincte des cellules gliales qui jouent un rôle crucial dans les réponses immunitaires. Elles dérivent de cellules mésenchymateuses et se transforment en microglie une fois entrées dans le cerveau. Une autre source est l’entrée de monocytes/macrophages dans le tissu nerveux, qui se transforment en microglie (Bechmann, I., et al. - 2005).

La microglie participe aussi à la perméabilité de la BHE par la sécrétion de cytokines comme l’IL- 1β.

A.6 Les astrocytes

Les astrocytes occupent une position stratégique entre les capillaires et les neurones. Ils jouent un rôle important dans la maintenance des propriétés de la barrière, dans le contrôle du flux sanguin mais aussi dans le maintien de l’homéostasie cellulaire.

A.6.1 Homéostasie ion-eau

En fonction de l’activité neuronale, les neurones libèrent des neurotransmetteurs (NT) et des ions généralement recyclés. Les pieds astrocytaires jouent un rôle important dans le maintien l’homéostasie ionique. En effet, ils contiennent des molécules spécialisées, notamment des OAPs (orthogonal arrays of particles) contenant des canaux de l’eau, comme l’aquaporine-4 (ACQP-4), et des canaux potassiques (Kir4.1). La localisation d’AQP-4 au niveau des pieds astrocytaires requiert l’agrine, un protéoglycane de la membrane basale, qui couple le transporteur à α1- syntrophine, elle-même liée à Kir4.1. L’AQP4 régule l’homéostasie par une entrée d’eau se traduisant par un gonflement des astrocytes à proximité d’une activité neuronale. Les canaux Kir4.1 confèrent aux astrocytes leur pouvoir tampon par le dépôt du potassium dans l’espace péri-vasculaire permettant un possible recyclage du potassium quand l’activité des neurones cesse. Un recyclage du glutamate, principal neurotransmetteur excitateur, est assuré par les transporteurs astrocytaires EAAT 1 et 2 (excitory amino acid transporteur). Dans l’astrocyte, le glutamate est transformé en glutamine, stockée dans l’astrocyte puis libérée et délivrée aux neurones en fonction de leur activité. La glutamine est désaminée en glutamate et reconstitue le pool neuronal.

Cependant ces recyclages se font par des processus actifs impliquant des échanges ioniques, cassant ainsi l’équilibre osmotique des astrocytes (Abbott, N. J., et al. - 2006, Simard, M., et al. -

2004).

.

A.6.2 Maintien des propriétés de la barrière

Plusieurs évidences suggèrent que les astrocytes participent activement au maintien des propriétés de la BHE, notamment au niveau de :

- La barrière physique (jonctions serrées) : La présence d’astrocytes permet

d’augmenter les jonctions serrées et de diminuer les jonctions GAP entre les cellules, limitant ainsi les flux non spécifiques. De plus, l’attache correcte des péricytes à la membrane basale pour une maturation complète des vaisseaux, nécessite aussi la présence d’astrocytes (Rubin, L. L., et al. - 1991).

- La barrière des transports par la localisation polarisée des transporteurs tels que P-gp et

GLUT-1 (Mcallister, M. S., et al. - 2001).

- La barrière métabolique par une sur-expression des enzymes γGTP (Abbott, N. J. -

A.6.3 Contrôle du flux sanguin

Le contact entre les astrocytes et les vaisseaux a longtemps suggéré une régulation du flux sanguin par ce contact sans la prouver. Cette hypothèse n’a été démontrée que récemment par le développement des techniques in vivo et in vitro. Le calcium intracellulaire des astrocytes joue un rôle central dans la vasodilatation. En effet, l’activité neuronale induit la sécrétion de plusieurs facteurs tels que l’adénosine, le glutamate, l’ATP ou la prostaglandine (PGE2). La liaison de ces agents sur leurs récepteurs astrocytaires, provoque, via la voie de l’IP3, l’augmentation de calcium intracellulaire. Celui-ci induit la production de deux facteurs vasodilatateurs essentiels le NO ou la PGE2 qui induisent rapidement une vasodilatation via le cAMP ou le cGMP.

Il est important de noter que le neurone activé est capable de sécréter lui-même PGE2 et NO (Iadecola, C., et al. - 2007, Koehler, R. C., et al. - 2009).