Physiopathologie de la barrière Hémato‐Encéphalique

(1)

Physiopathologie de la barrière Hémato‐Encéphalique

http://www.ipmc.cnrs.fr/~duprat (Rubrique "Enseignement")

Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 1

Dr Fabrice DUPRAT

Institut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire Décembre 2009

(2)

Plan

• I) Vascularisation cérébrale

• II) Concept de BHE

• III) Composantes de la BHE ) p

• IV) Zones du cerveau sans BHE V) BHE d i téb é

• V) BHE des invertébrés

• VI) Physiologie

• VII) Méthodes d'étude

• VIII) Pathologies

• IX) Conclusion

(3)

I) Vascularisation cérébrale

(4)

STRUCTURE DES VAISSEAUX

(5)

Structure artérielle

Aorte Thoracique Artère Basilaire Aorte Thoracique Artère Basilaire

5

(6)

PROPRIETES DES VAISSEAUX

(7)

EFFETS DE LA PRESSION

7

(8)

Circulation cérébrale

(9)

Types de vascularisation

Anastomotique Terminale

Efficacité + +++

Efficacité : + +++

Risque anoxique : ‐‐ ++

Risque anoxique : ++

(10)

Anastomoses asto oses

1) Extra‐ et intra‐ crâniennes :

C tid t t i t ( tè ht l i )

‐ Carotide externe et interne (artère ophtalmique)

‐ Vertébrale et cervicale ascendante (au niveau des muscles du cou)

2) Cortex :

‐ Anastomoses terminales en surface

‐ Pas d'anastomoses profondes

‐ Pas d anastomoses profondes 3) Base du crâne :

‐ Polygone ou cercle de WILLIS Polygone ou cercle de WILLIS

(11)

II) Concept de BHE

(12)

Les observations Les observations

SNC t è l é bl

• SNC très vulnérable

• Concentrations ioniques (Na ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ ) très régulées

régulées

• Forte demande métabolique (20% de la conso O ₂ )

T è ibl i

• Très sensible aux neurotoxiques

• 100 milliards de capillaires dans cerveau

= 650 km, 20 m ² , 8‐20 nm / neurone

==> Nécessite une protection sélective / sang

• 90% des candidats‐médicaments à visée

cérébrale ne traverse pas la BHE

(13)

Historique du concept de BHE Historique du concept de BHE

I j i d’ l h d l bl d l

• Injection d’un colorant hydrosoluble dans le sang marque tous les organes sauf le SNC (Ehrlich 1885)

I j ti d bl t d l li id é éb i l

• Injection de bleu trypan dans le liquide cérébro‐spinal (CSF) marque tous le cerveau mais pas la périphérie (Goldmann 1913)

(Goldmann 1913)

• Terme "bluthirnschranke" = BHE (Lewandowsky 1900)

• Tentative de détermination des propriétés

• Tentative de détermination des propriétés électrochimiques des solutés passant la BHE (Friedemann 1942)

( )

• Description de la présence de jonctions serrées (Reese

& Karnovsky 1967)

y )

(14)

)

II) Circulation cérébrale

(15)

)

III) Composantes de la BHE

(16)

Description anatomique de la BHE Description anatomique de la BHE

• U l ll l d théli l (EC) té i é

• Une seule cellule endothéliale (EC) caractérisée par:

‐ Beaucoup de mitochondries

‐ pas de fenestration

‐ peu de pinocytose

présence de jonctions serrées (TJ)

‐ présence de jonctions serrées (TJ)

• Présence de péricytes (PC)

• Lame basale (BL, matrice extracellulaire):

‐ Epaisse membrane de 30‐40 nm Epaisse membrane de 30 40 nm

‐ Composée de collagène type IV, héparine sulfate protéoglycane, laminine, fibronectine

‐ Contigue aux terminaisons des astrocytes (AC) Contigue aux terminaisons des astrocytes (AC)

(17)

Notion d' "Unité neurovasculaire"

Notion d Unité neurovasculaire

(18)

Vaisseaux sanguins

(19)

Structure des vaisseaux Structure des vaisseaux

Cleaver Nature Medicine 2003

(20)

Capillaires p

<10 nm <100 nm

Cleaver Nature Medicine 2003

<600‐3000 nm

Cleaver Nature Medicine 2003

(21)

Capillaires p

Discontinu

Fenestrae (diaphragme perméable de 100 nm)

http://www.udel.edu/biology/Wags/histopage/empage/ebv/ebv.htm

(22)

Neurones

(23)

Neurones Neurones

Pathologies ou le débit et/ou la pression sanguine sont modifiés.

‐> modification de perméabilité de la BHE p

= Mécanisme sélectif de compensation ?

Î Communication avec les neurones régule la débit ET la perméabilité de la BHE

Innervation directe de l'endothélium microvasculaire et/ou des astrocytes par les neurones:

‐ Noradrénergiques

‐ Cholinergiques

‐ GABA‐ergiques

‐ Sérotonergiques

(24)

Cellules gliales g

(25)

Glie

Oligodendrocytes (gaine de myéline) (gaine de myéline)

Pi d t t i Microglie

(immunité)

Pied astrocytaire

(26)

Glie

Pied astrocytaire

Astrocytes

Pied astrocytaire y

(27)

Astrocytes Astrocytes

1) Greffe d'un morceau de cerveau immature non

vascularisé dans la cavité cœlomique d'un embryon (‐>

péritoine)

) ff ' é ( l

2) Greffe d'un morceau de mésoderme (‐> muscles, sang, vaisseaux, etc …) dans un ventricule cérébral

Résultat de la néovascularisation :

1) Lame basale épaisse, cellules endothéliales avec de nombreuses mitochondries peu de vésicules de pinocytose nombreuses mitochondries, peu de vésicules de pinocytose, nombreuses jonctions serrées. => injection de bleu trypan reste localisée 2) Cellules endothéliales avec peu de mitochondries, beaucoup de

vésicules de pinocytose peu de jonctions serrées => injection de vésicules de pinocytose, peu de jonctions serrées. => injection de bleu trypan diffuse en‐dehors de la greffe

Î Interaction nécessaire avec le tissu nerveux

Stewart & Wiley 1981

Î Interaction nécessaire avec le tissu nerveux

(28)

Astrocytes

Cortex de rat

(29)

Astrocytes

Rôle actif:

• Couvre 90% de l'endothélium

• Nombre croissant avec l'évolution

• Reçoit des signaux des neurones :

‐ présence de récepteurs pour la plupart des neuromédiateurs

d l t t l f t l' t i d é t ti

‐ module notamment la forme et l'extension du réseau astrocytique

• Signalisation par vagues calciques (ATP, récepteurs purinergique)

• Subit un remodelage et une forme de plasticité

• Sécrète des substances neuroactives tels que glutamate, eicosanoides, stéroides, neuropeptides, facteurs de croissance: TGFa, GDNF (glial derived neurotrophic factor))

factor))

• Rôle dans l'induction et le maintient de la BHE

(30)

Unité gliovasculaire g

(31)

Unité gliovasculaire g

Nombreux transporteurs sur les boutons terminaux:

Aquaporine 4 = spécifique de l'interface gliovasculaire

q p p q g

(32)

Couplage neurovasculaire

Neurones _glutamate Activité électrique locale

Cellules gliales

locale

mGluR

Ce u es g a es _mGluR

Calcium intracellulaire Calcium intracellulaire

COX COX

PG

Cellules musculaires

l ti Augmentation

relaxation g

(33)

Couplages p g

Artérioles Couplage

neurovasculaire Muscle lisse Artérioles

Débit sanguin astrocyte

neurone

Couplage Couplage

neurométabolique

(stimule glycolyse) Capillaires

Couplage Neurobarrière (activité GLUT‐1) ?

Endothélium Transport

(activité GLUT 1) ? Transport

BHE

(34)

Couplage neurovasculaire Couplage neurovasculaire

• Le couplage entre débit e coup age e t e déb t

sanguin et activité

neuronale est la base de

l'imagerie cérébrale

f ti ll (IRM PET

fonctionnelle (IRM, PET,

SPECT, …)

(35)

Régulations par les astrocytes

Anderson TINS 2003

(36)

Péricytes

(37)

Péricytes y

• Présents dans les microvaisseaux (capillaires, veinules, artérioles)

• Cellules contenant des protéines contractiles

• Sécrète de l'angiopoietine qui stabilise la BHE

• Facteurs Tie‐2 PDGF‐B N‐cadherin Facteurs Tie 2, PDGF B, N cadherin nécessaires aux interactions péricytes‐endothélium

• Rôle dans la maturation des Rôle dans la maturation des

vaisseaux et de support structural

(38)

Lame basale

(39)

Matrice extracellulaire

• La MEC est maintenue par ç endothéliale et astrocytes

• Rupture pathologique de la matrice extracellulaire (MEC) p p g q ( ) fortement liées à l'augmentation de la perméabilité de la BHE

• Protéines de la MEC (collagène type IV, laminine, …):

‐ sert d'ancrage à l'endothélium via interaction avec les récepteurs aux intégrines et dystroglycane (récepteurs

récepteurs aux intégrines et dystroglycane (récepteurs d'adhésion de la matrice)

‐ influence l'expression des protéines des jonctions p p j serrées

ÎImplication dans la maintenance de la BHE

(40)

MEC

Collagene type IV laminine

Collagene type IV

(41)

Endothélium vasculaire

(42)

Les jonctions intercellulaires Les jonctions intercellulaires

Jonction adherens desmosome

Jonction gap g p Jonction serrée Jonction serrée

(43)

Endothélium: Jonctions gap Endothélium: Jonctions gap

• Présence entre les cellules endothéliales de la BHE ?

• Communication intercellulaire ?

(44)

Endothélium:

Jonctions adherens: rôles

• Ubiquitaire dans la vasculature

• Adhésions entre cellules endothéliales Adhésions entre cellules endothéliales

• Inhibition de contact lors de la croissance et le d l

remodelage

• Initie polarité cellulaire p

• Régulation de la perméabilité paracellulaire

(45)

Endothélium:

J ti dh iti

Jonctions adherens: composition

• VE‐Cadherine (vascular endothelial)

• Intéraction homophilique entre domaines

extracellulaires

• Régulée par le calcium

• Queue cytoplasmique

interagit avec la β‐catenine et la plakoglobine, liée via l'α‐

catenine, α‐actinine et vinculine à l'actine du

t l tt

cytosquelette

(46)

Endothélium:

Jonctions serrées: rôles

• Structures complexes qui relient les espaces intercellulaires des épithéliums et des endothéliums p

• = LE PRINCIPAL ACTEUR de la faible perméabilité paracellulaire (haute résistance électrique), donc de la BHE

• Rôle de séparation entre les membranes apicales et

basolatérales, permettant une distribution assymétrique des

constituants membranaires

(47)

Endothélium:

Jonctions serrées: composition

(48)

Endothélium:

Jonctions serrées BHE: composition Jonctions serrées BHE: composition

• JAM‐1 (Junctional Adhesion Molecule) 40kDa, superfamille des IgG

+ JAM‐2, JAM‐3, rôle ?

• Occludine

65kDa, 4 STM, augmente R

C‐terminus associe avec ZO‐1 et ZO‐2 (zona occludens)

• Claudines

24 kDa, 24 membres

• MAGUK

(Membrane‐Associated GUanylate Kinase‐like proteins) ZO‐1 (zona occludens, 220 kDa), lien actine + signaling ? ZO 2 (160 kD ) li j ti é f t t i ti

• Autres protéines

Cinguline (160kDa), liée à ZO‐1, JAM‐1 et myosine

ZO‐2 (160 kDa), lien jonction serrée + facteurs transcription

Cinguline (160kDa), liée à ZO 1, JAM 1 et myosine

(49)

Endothélium:

Jonctions serrées: signalisation

• Augmentation calcium intracellulaire = augmente perméabilité BHE

l ll l é b l é

• Diminution calcium extracellulaire = augmente perméabilité BHE

• Nombreuses phosphorylations

‐ P P Serine régule la localisation subcellulaire de l'occludine

‐ perméabilité liée à la P p P de ZO‐1

• Protéines G

éi G hé é i é i é d d héli l

‐ Protéines G hétérotrimériques présentent dans ç endothéliales

‐ GTPases de la famille de Rho présentent

(50)

Unité neurovasculaire

(glioneurovasculaire)

(51)

IV) Z d BHE IV) Zones du cerveau sans BHE

(52)

Zones du cerveau sans BHE Zones du cerveau sans BHE

Plexus choroïdes

(53)

Plexus choroïdes Plexus choroïdes

• Composée d'une monocouche de cellule pseudo‐épithéliales, beaucoup de mitochondries, jonctions serrées

E ithéli "l h " ibilité d

• Epithélium "lache" avec possibilités de passage

• Microvascularisation avec fenestrations d’où:

é bili é i lé l h d hil d li id

‐ perméabilité petites molécules hydrophiles dans liquide interstitiel

molécules polaires limitées

‐ molécules polaires limitées

‐ perméabilité paracellulaire limitée par jct serrée S f BHE 5000 > f LCR

• Surface BHE 5000x > surface sang‐LCR

(54)

Plexus Choroïdes

(55)

Plexus choroïdes: transports p

Capillaires sanguins

Exemple: l'azidothymidine (antiHIV) passe la barrière sang‐LCR

(56)

Liquide céphalorachidien (LCR) Liquide céphalorachidien (LCR)

V l t t l d LCR 150 270 l (~25% d

• Volume total de LCR =150–270 ml (~25% dans ventricules)

• Production (0.4 ml/min) dans les 4 plexus choroïdes:

‐ 2 dans les ventricules latéraux 2 dans les ventricules latéraux

‐ 1 dans le III ^ème ventricule

‐ 1 dans le IV ^ème ventricule

• Circulation dans les ventricules puis passe dans p p

l'espace subarachnoïde et finalement dans le sang

veineux au niveau des granulations arachnoïdiennes

(57)

Circulation LCR

Ransohoff Nat Rev Immunol 2003

(58)

Pathologie: Hydrocéphalie g y p

Déf t d’é ti d LCR Défaut d’évacuation du LCR

enfants‐hydrocephales‐dafrique.com

(59)

Zones du cerveau sans BHE Zones du cerveau sans BHE

Les Organes Circumventriculaires

(60)

Organes Circumventriculaires (9) Organes Circumventriculaires (9)

Plexus choroïdes

l d é l

Glande pinéale

Plexus choroïde Area postrema

Organe subfornical

Eminence

Organe subcommissurale Organe vasculaire

d l l t i l

Organe subfornical

Eminence médiane

Neurohypophyse

(hypophyse postérieure) de la lame terminale

Organe

(hypophyse postérieure)

paraventriculaire

(61)

Organes Circumventriculaires: structure

III

^ème

ventricule

Exemple:

é i édi

éminence médiane tanycyte

Joly et al. Sem Cell Dev Biol 2007

(62)

Organes Circumventriculaires: rôles

• Rôle de détection (équilibre hydrominérale):

(Organe subfornical, Organe vasculaire de la lame terminale)

( g , g )

‐ Osmolarité du plasma Î soif

‐ Récepteurs au sodium

‐ Récepteur au calcium

• Régulation cardiovasculaire:

é l d b é é

(Organe subfornical, area postrema)

‐ Récepteurs à l'angiotensine II, vasopressine

• Régulation des besoins énergétiques :

(area postrema, Organe subfornical, Organe vasculaire de la lame terminale )

terminale …)

‐ Détection de glycémie

‐ Détection de peptides, ghreline (sécrété par estomac vide), p p g ( p )

amyline (cosécrété avec insuline) Î satiété

(63)

V) BHE des invertébrés

(64)

BHE des invertébrés

drosophile humain

Complexe

sub‐apical Jonction sub apical

Jonction adhérente

serrée

Jonction

Protéines transmembranaires:

Jonction septée

adhérente

Protéines transmembranaires:

Crb, Crumbs Cad, cadherin Nrx, neurexin Clau, claudin Occ, occludin

Her, human epithelial growth factor receptor

Protéines PDZ:

Dlt, dics lost

Pati,Pals‐associated tight junction protein Protéines MAGUK:

Protéines ERM:

DMoe, Drosophilamoesin Ezrin

Autres protéines:

Baz/PAR3, Bazooka

aPKC, atypical protein kinase C

Protéines MAGUK: Ezrin

PAR, polarity protein

(65)

BHE des invertébrés

Jonction septée (embryon drosophile) Neurexin IV et neuroglian g ‐/‐

Jonction septée

Ç gliales Jonction septée

eline

Banerjee Cell Biochem Biophys xones 2006 Banerjee Ann Rev Neurosci. 2007

(66)

VI) Physiologie de la BHE

(67)

VI‐A) Rappels transports membranaires

(68)

Types de transports membranaires Types de transports membranaires

Symports Gradients

A et B Uniports

Antiports

A B A

⁺

A

⁺

C

B

⁺

ATP

(69)

Mécanismes de diffusion

Diffusion passive au travers de la membrane

Tend vers l'équilibre des concentrations

Gradient de [A]

(ex: tétracycline)

Diffusion passive au travers de la membrane

Gradient de [C]

Qté transportée Diffusion passive (transporteurs non sélectifs)

(ex: beta‐lactames)

‐ Transport peu ou pas spécifique

‐ Symétrique

‐ Non saturable

Gradient de [ ]

Non saturable

(70)

Diffusion facilitée (canaux sélectifs)

Tend vers l'équilibre des concentrations

Gradient de [A]

Gradient de [C]

Qté transportée

‐ Transport spécifique

‐ Non symétrique Saturable

‐ Saturable

‐ Régulation (inhibiteurs, activateurs)

‐ Expression tissus‐spécifique

(71)

Protéines canal Protéines canal

KcsA KcsA

(72)

Superfamille des Porines

Aquaporines (18 genes)

(73)

Mécanismes actifs

l'é à

Gradient de [A]

C

A C

Consomment de l'énergie et tendent à concentrer dans un compartiment

ATP

Transports actifs secondaires (H

⁺

, Na

⁺

, …)

Transports actifs avec consommation d’ATP

Gradient de [C]

( , , )

Qté transportée

‐ Transport spécifique

‐ Q Q

₁₀₁₀

élevé élevé

‐ Non symétrique

‐ Saturable

‐ Régulation (inhibiteurs, activateurs)

Gradient de [ ] Régulation (inhibiteurs, activateurs)

‐ Expression tissus‐spécifique

(74)

Superfamille gènes ABC (49) p g

(75)

Structure protéines ABC

Vautier J Pharm Clin 2006

(76)

Transporteurs ABC

Glycoprotéine P (Pgp) :

• Gène MDR1 (MultiDrug Resistance) ou ABCB1

S f ill d t t ABC (t t tif ATP d t)

• Superfamille des transporteurs ABC (transport actif ATP‐dpt)

• Rôle dans le phénomène de résistance multiple aux drogues (MDR)

= capacité des cellules à développer une résistance croisée vis‐à‐vis d'un large spectre de drogues structurellement et fonctionnellement différentes (près de 1000 substrats)

drogues structurellement et fonctionnellement différentes (près de 1000 substrats).

• Présent sur membrane luminale des capillaires BHE Æ retour dans le sang de molécules

• Présent sur mb apicale de l'épithélium des plexus choroïdes Æ LCR

Barrière sang‐LCR

(77)

Transporteurs ABC

Multiple Resistance Protein (MRPs):

• Gène ABCC1 à C6 Gène ABCC1 à C6

• Membrane basolatérale des plexus choroïdes

•Membranes endothéliales

Breast cancer‐resistant protein (BCRP):

• Gène ABCG2

• Membrane luminal

Deeken Clin Cancer Res 2007

(78)

Substrats transporteurs ABC

(79)

Transports des ions p

O i A i T t (OAT)

Organic Anion Transporter (OAT):

‐ Fonctionne en antiport avec les gradients ioniques OAT1 dans plexus choroïde

‐ OAT1 dans plexus choroïde

‐ OAT2 sur membrane apicale et basolatérale de l'endothélium

‐ OAT3 sur membrane basolatérale

‐ OATP‐A (Organic Anion Transporting Polypeptide) sur l'endothélium

‐ OATP‐A (Organic Anion Transporting Polypeptide) sur l endothélium

‐ OATP‐2 (anions organiques) et OATP‐14 (hormone thyroides)

Organic CationTransporter (OCT):

‐ OCT2 présent dans plexus choroïde

‐ OCTN2 : transport de carnitine

(80)

Autres transporteurs

Transport des acides aminés: Transport des nucléosides Transport des acides aminés:

‐ LAT1 (gros acides aminés neutres) ATA2 (petits acides aminés neutres)

Transport des nucléosides:

‐ CNT2

‐ ATA2 (petits acides aminés neutres)

‐ CAT1 (aa cationiques)

‐ EAAT1,2,3 (aa anioniques)

‐ ASCT2 (L‐asp L‐glu) L‐lactate, monocarboxylates:

ASCT2 (L asp, L glu)

‐ TAUT, ASC, ….. ‐ MCT1

Transport des neurotransmetteurs:

GAT2/BGT1 ( b )

Créatine:

‐ GAT2/BGT1 (gaba)

‐ SERT (sérotonine)

‐ NET (norépinéphrine)

‐ CRT

(81)

Transport du glucose

Transporteurs: GLUT1 et GLUT‐3

(82)

VI‐B) Transporteurs de la BHE ) p

(83)

Transporteurs de la BHE Transporteurs de la BHE

(84)

Transporteurs de la BHE Transporteurs de la BHE

• Propriétés physicochimiques de 18 molécules traversant bien la BHE:

‐ peu de donneur de liaison hydrogène

‐ peu de charge positive peu de charge positive

‐ très lipophile

pe de s rface polaire

‐ peu de surface polaire

‐ peu de flexibilité (forte permèabilité membanaire)

Î Diffusion passive : <400 Da, non polaire, lipophile

(85)

Mesure des flux au travers de la BHE Mesure des flux au travers de la BHE

(86)

Un équilibre complexe

Equilibre entre

transports entrants (influx)

et sortants (efflux)

(87)

Transcytose

b) T t é ifi

• b) Transcytose non spécifique

= adhésion non spécifique de molécules polycationiques

• a) Transcytose médiée par des récepteurs

‐ liaison du ligand d

‐ endocytose

‐ transcytose

‐ exocytose exocytose

(88)

Transcytose médiée par des récepteurs

• Récepteurs à la transferrine écepteu s à a t a s e e

Glycoprotéine (2x90kDa), transferrine = cargo pour le fer

Greffe de transferrine sur une molécule (ex: antiviral azidothymidine) permet son transport

• Récepteurs à l'insuline Glycoprotéine (300 kDa)

• Récepteurs à "insulin‐like growth factor"

Glycoprotéine (300 kDa)

• Low density lipoprotein receptor related protein 1, 2 Structuralement proche des récepteurs LDL

La mélanotransferrine (p97) passe par LRP1.

L'adriamycine‐p97 (anticancéreux) à pu être sélectivement ciblée dans le cerveau L adriamycine p97 (anticancéreux) à pu être sélectivement ciblée dans le cerveau (souris).

• Récepteur à la toxine diphtérique

(dé é ) l é éd l

CRM197 (dérivé non toxique) utilisé comme vecteur pour médicament visant le cerveau

(89)

Migration des leucocytes

• Migration des leucocytes à travers la BHE est très régulée:

‐ Si accumulation: inflammation

‐ Si imperméable: pas de surveillance immunitaire

• Migration principalement par voie paracellulaire

• Possibilité de transcytose ?

Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 89 Greenwood Vasc Pharm2002

(90)

Migration des leucocytes

Interaction leucocyte/endothelium

Æ via ICAM (InterCellular Adhesion Molecule) membranaires ou solubles Æ voies rho/rac

Æ signal calcique endothélial Æ rétraction de la membrane Æ migration des leucocytes

Migration lymphocyte (rétine)

G d V Ph 2002

Greenwood Vasc Pharm 2002

(91)

VII) Méthodes d'étude de la BHE

(92)

Modèles in silico Modèles in‐silico

• Phase préliminaire de la recherche d'un nouveau médicament

• Modèles simples basés sur propriétés physico‐

chimiques chimiques

• Préselection parmi des milliers de molécules

(93)

Choix d'une méthode in vitro Choix d une méthode in‐vitro

– Coût

– Capacité (haut débit) – Durée

– Proche ou non de l'in‐vivo:

– Proche ou non de l in‐vivo:

jonctions, transporteurs, transcytose, … – Reproductible

(94)

Capillaires cérébraux isolés Capillaires cérébraux isolés

Avantages:

Très proche de l'in‐vivo Très proche de l in vivo Inconvénients:

Limité au passage subluminal vers luminal

Faible capacité

(95)

BHE in‐vitro

C ll l d théli l lt i i ( t i ) t d ll è

Cellules endothéliales en culture primaires (rat, souris) sur support de collagène Lignées immortalisées de rat (RBE4), souris (cEND) ou humaine (SV‐HCEC)

Lignée non cérébrales

+ Eventuellement coculture avec cellules gliales

Rouge: vimentine (endothélium) Vert: occludine (jct serrées) (j )

Cecchelli 2007Nat Rev Drug Discov

Rouge: glial fibrillary acidic protein Vert: ED‐1, microglie

g

(96)

BHE in vitro BHE in‐vitro

Test de transport sur BHE in‐vitro

Test de fixation sur récepteurs BHE in‐vitro

(97)

Culture 3D

• Tubules recouvert de cellules endothéliales, , coculture avec cellules gliales

Espace Espace

extracapillaire

Cellules endothéliales

lumière

Stanness Brain Res 1997

(98)

Paramètres mesurés

LDL fixé Brain Uptake Index (in‐vitro)

Résistance électrique

(99)

Mesures in‐vivo

Sur rats et souris:

• Injection intraveineuse

[ ] / [ ] / [ l ]

‐ mesure [cerveau] et/ou [LCR] / [plasmatique]

Attention les barrières sang‐LCR et BHE sont différentes.

Ex: Azidothymidine passe dans le LCR mais ne passe pas la BHE

• Injection intra carotidienne mesure d'un ratio de

¹⁴

C et

³

H = BUI (Brain Uptake Index)

• Microdialyse: sonde avec membrane semi‐perméable

• Autoradiography

• Microscopie intravitale Microscopie intravitale

Clinique:

• PET: méthode non invasive utilisable chez humains

• PET: méthode non invasive, utilisable chez humains

• Gadolinium et IRM

(100)

VIII) Pathologies de la BHE

(101)

Pathologies : hypoxie/ischémie

Ischémie = diminution du débit sanguin avec baisse du taux d'O ₂ (hypoxie) et baisse de l'apport en nutriments

Î Production de MMP (matrix metalloprotease) récepteurs Î Production de MMP (matrix metalloprotease), récepteurs

d'adhésion de la matrice diminue, terminaisons des astrocytes se détachent

Î Augmentation de la perméabilité microvasculaire Î Augmentation de la perméabilité microvasculaire

Hypoxie/réoxygénation

Î Augmentation de la perméabilité et baisse expression occludine

(102)

Pathologies : inflammation g

Augmentation de la perméabilité BHE Augmentation de la perméabilité BHE

= caractéristique des maladies neuroinflammatoires Ex: sclérose en plaque, encéphalite HIV, Alzheimer Î Perte de l'occludine et de ZO‐1

Inflammation périphérique

Î Diminution de l'expression de l'occludine,

Î Diminution de l expression de l occludine,

augmentation de ZO‐1

(103)

Pathologies: cancers Pathologies: cancers

d é éb l

Deux types de tumeurs cérébrales:

Î Tumeurs primaires, ex: gliome Î Métastases :

P i i l i d i d ê i i

Principalement issues des tissus de même origine embryonnaire (neuroectoderme): poumons, peau

( él ) i

(mélanome), seins.

(104)

Vascularisation de la tumeur

Propriétés de la BHE proche de celle du tissu d’ i i d l

d’origine de la tumeur

(105)

Métastases

ÎStructure des jonctions serrées altérée:

Diminution de l'expression d'occludine et de claudine‐3 Î Augmentation de la perméabilité

Î Augmentation de la perméabilité Î Apparition de fénestrations

Î A mentation d nombre et de l'a ti ité des a oles Î Augmentation du nombre et de l'activité des vacuoles de pinocytose

Î Diminution du niveau de glycoprotéine P (jusquà Î Diminution du niveau de glycoprotéine P (jusquà ‐ 95%)

IMPORTANT : BHE moins altérée dans les gliomes (origine SNC)

= SNC)

(106)

Tumeurs cérébrales: traitement

La BHE est rompue au niveau des tumeurs:

ÎAccessibité aux anti‐cancéreux est comparable aux tumeurs périphérique p p p q

Deeken Clin Cancer Res 2007

Î Mais le pronostique en cas de tumeur cérébrale reste très mauvais Î Stratégies pour augmenter l'accès des médicaments:

Î Mais le pronostique en cas de tumeur cérébrale reste très mauvais

1) Injection directe dans le SNC (intrathécal, intra‐artériel, hautes doses) 2) Chimiothérapie + inhibiteurs des transporteurs de la BHE

(inhibiteurs de Pgp arrêté en phase 3)

(107)

Répartition d’un anticancéreux (paclitaxel)

Gerstner & Fine 2007, J Clin Oncol 25(16), p. 2309

Gliome Métastase (mélanome) >

IRM

(108)

Formulation pour traverser la BHE p

Nanoparticules:

Ø 250 nm poly(butyl)cyanoacrylate recouverte d'apolipoprotéine E Æ endocytose

Immunoliposomes:

Liposomes (Ø 85 nm) avec anticorps anti‐récepteur endothélium Æ transport rec‐dpt Ex: anti‐transferrin, insuline, leptine

Vecteurs peptidiques: p p q

Ex: doxorubicin lié à deux peptides améliore sa pénétration membranaire Utilisation des transporteurs spécifiques: p p q

Ex: L‐type Amino acid Transporter 1 (LAT‐1) transporte le L‐DOPA (précurseur dopamine)

(109)

Formulation pour traverser la BHE p

(110)

Autres pathologies

Cocaine

Î Effets directs sur l'endothélium

Nicotine Nicotine

Î Diminution du transport de glucose et d'ion Î Diminution de l'expression de ZO‐1

Physiopathologie de la barrière Hémato‐Encéphalique