ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Placental growth factor-1 and epithelial haemato-retinal barrier breakdown: potential implication in the pathogenesis of diabetic retinopathy.

AIMS/HYPOTHESIS: Disruption of the retinal pigment epithelial (RPE) barrier contributes to sub-retinal fluid and retinal oedema as observed in diabetic retinopathy. High placental growth factor (PLGF) vitreous levels have been found in diabetic patients. This work aimed to elucidate the influence of PLGF-1 on a human RPE cell line (ARPE-19) barrier in vitro and on normal rat eyes in vivo. METHODS: ARPE-19 permeability was measured using transepithelial resistance and inulin flux under stimulation of PLGF-1, vascular endothelial growth factor (VEGF)-E and VEGF 165. Using RT-PCR, we evaluated the effect of hypoxic conditions or insulin on transepithelial resistance and on PLGF-1 and VEGF receptors. The involvement of mitogen-activated protein kinase (MEK, also known as MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK, also known as EPHB2) signalling pathways under PLGF-1 stimulation was evaluated by western blot analysis and specific inhibitors. The effect of PLGF-1 on the external haemato-retinal barrier was evaluated after intravitreous injection of PLGF-1 in the rat eye; evaluation was by semi-thin analysis and zonula occludens-1 immunolocalisation on flat-mounted RPE. RESULTS: In vitro, PLGF-1 induced a reversible decrease of transepithelial resistance and enhanced tritiated inulin flux. These effects were specifically abolished by an antisense oligonucleotide directed at VEGF receptor 1. Exposure of ARPE-19 cells to hypoxic conditions or to insulin induced an upregulation of PLGF-1 expression along with increased transcellular permeability. The PLGF-1-induced RPE cell permeability involved the MEK signalling pathway. Injection of PLGF-1 in the rat eye vitreous induced an opening of the RPE tight junctions with subsequent sub-retinal fluid accumulation, retinal oedema and cytoplasm translocation of junction proteins. CONCLUSIONS/INTERPRETATION: Our results indicate that PLGF-1 may be a potential regulation target for the control of diabetic retinal and macular oedema.

Prepupal Building Behavior in Drosophila melanogaster and Its Evolution under Resource and Time Constraints.

Structures built by animals are a widespread and ecologically important 'extended phenotype'. While its taxonomic diversity has been well described, factors affecting short-term evolution of building behavior within a species have received little experimental attention. Here we describe how, given the opportunity, wandering Drosophila melanogaster larvae often build long tunnels in agar substrates and embed their pupae within them. These embedded larvae are characterized by a longer egg-to-pupariation developmental time than larvae that pupate on the surface. Assuming that such building behaviors are likely to be energetically costly and/or time consuming, we hypothesized that they should evolve to be less pronounced under resource or time limitation. In accord with this prediction, larvae from populations evolved for 160 generations under a regime that combines larval malnutrition with limited developmental time dug shorter tunnels than larvae from control unselected populations. However, the proportion of larvae that embedded before pupation did not differ between the malnutrition-adapted and control populations, suggesting that tunnel length and likelihood of embedding before pupation are controlled by different genetic loci. The behaviors exhibited by wandering larvae of Drosophila melanogaster prior to pupation offer a model system to study evolution of animal building behaviors because the tunneling and embedding phenotypes are simple, facultative and highly variable.

Connexins: key mediators of endocrine function.

The appearance of multicellular organisms imposed the development of several mechanisms for cell-to-cell communication, whereby different types of cells coordinate their function. Some of these mechanisms depend on the intercellular diffusion of signal molecules in the extracellular spaces, whereas others require cell-to-cell contact. Among the latter mechanisms, those provided by the proteins of the connexin family are widespread in most tissues. Connexin signaling is achieved via direct exchanges of cytosolic molecules between adjacent cells at gap junctions, for cell-to-cell coupling, and possibly also involves the formation of membrane "hemi-channels," for the extracellular release of cytosolic signals, direct interactions between connexins and other cell proteins, and coordinated influence on the expression of multiple genes. Connexin signaling appears to be an obligatory attribute of all multicellular exocrine and endocrine glands. Specifically, the experimental evidence we review here points to a direct participation of the Cx36 isoform in the function of the insulin-producing β-cells of the endocrine pancreas, and of the Cx40 isoform in the function of the renin-producing juxtaglomerular epithelioid cells of the kidney cortex.

The oxidative potential of differently charged silver and gold nanoparticles on three human lung epithelial cell types

Background: Nanoparticle (NPs) functionalization has been shown to affect their cellular toxicity. To study this, differently functionalized silver (Ag) and gold (Au) NPs were synthesised, characterised and tested using lung epithelial cell systems. Mehtods: Monodispersed Ag and Au NPs with a size range of 7 to 10 nm were coated with either sodium citrate or chitosan resulting in surface charges from ¿50 mV to +70 mV. NP-induced cytotoxicity and oxidative stress were determined using A549 cells, BEAS-2B cells and primary lung epithelial cells (NHBE cells). TEER measurements and immunofluorescence staining of tight junctions were performed to test the growth characteristics of the cells. Cytotoxicity was measured by means of the CellTiter-Blue ® and the lactate dehydrogenase assay and cellular and cell-free reactive oxygen species (ROS) production was measured using the DCFH-DA assay. Results: Different growth characteristics were shown in the three cell types used. A549 cells grew into a confluent mono-layer, BEAS-2B cells grew into a multilayer and NHBE cells did not form a confluent layer. A549 cells were least susceptible towards NPs, irrespective of the NP functionalization. Cytotoxicity in BEAS-2B cells increased when exposed to high positive charged (+65-75 mV) Au NPs. The greatest cytotoxicity was observed in NHBE cells, where both Ag and Au NPs with a charge above +40 mV induced cytotoxicity. ROS production was most prominent in A549 cells where Au NPs (+65-75 mV) induced the highest amount of ROS. In addition, cell-free ROS measurements showed a significant increase in ROS production with an increase in chitosan coating. Conclusions: Chitosan functionalization of NPs, with resultant high surface charges plays an important role in NP-toxicity. Au NPs, which have been shown to be inert and often non-cytotoxic, can become toxic upon coating with certain charged molecules. Notably, these effects are dependent on the core material of the particle, the cell type used for testing and the growth characteristics of these cell culture model systems.

Role of forkhead transcription factor FOXC2 in lymphatic vascular developement

Le système vasculaire lymphatique est le second réseau de vaisseaux du corps humain. Sa fonction principale est de retourner le fluide interstitiel excédentaire au système cardiovasculaire. Il est également impliqué dans la défense immunitaire de l'organisme, ainsi que dans le transport initial des graisses alimentaires. De multiples pathologies sont associées au dysfonctionnement du développement vasculaire lymphatique, dont les lymphoedèmes. Un des gènes clés dans le contrôle de l'étape de maturation du système lymphatique est le facteur de transcription FOXC2. De précédentes études utilisant des modèles génétiques mutins déficients en Foxc2 ont montré son rôle dans la régulation du processus de spécification des vaisseaux lymphatiques en capillaires versus vaisseaux collecteurs, ainsi que dans la formation des valves lymphatiques. Chez l'homme, les mutations dans le gène FOXC2 causent le syndrome lymphoedème- distichiasis. Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes moléculaires qui régulent l'expression et l'activité de FOXC2 dans les vaisseaux lymphatiques. Nous avons découvert que la fonction de FOXC2 est régulée par phosphorylation de la protéine, qui détermine son activité transcriptionnelle au niveau génomique, jouant ainsi un rôle important dans le développement vasculaire in vivo. Les vaisseaux lymphatiques sont soumis à des forces de stress générées par le flux de la lymphe (FSS). Nous avons donc testé l'hypothèse que ces forces contribuent à la morphogenèse et à l'organisation des vaisseaux lymphatiques. In vitro, les cellules endothéliales lymphatiques répondent aux forces mécaniques, qui induisent l'expression de FOXC2, activent la voie de signalisation Ca2+/calcineurin/NFATcl et régulent l'expression de la protéine de jonction gap connexin37. Nous avons également montré que le stress de flux mécanique, FOXC2, calcineurin/NFATcl et connexin37 coopèrent dans le contrôle de la maturation des vaisseaux lymphatiques in vivo. En dernier lieu, nous avons cherché à identifier les récepteurs de surface cellulaires permettant le transfert du signal de stress mécanique qui induit l'expression de FOXC2. Nous présentons ici des données préliminaires, qui suggèrent le rôle de la voie de signalisation TGFß ainsi que l'implication des jonctions adhérentes dans ce processus. En conclusion, la présente étude met en lumière les mécanismes de l'activité de FOXC2 dans les cellules endothéliales lymphatiques et l'importance du rôle des forces mécaniques de flux dans le contrôle de son l'expression, ainsi que dans le développement et la fonction du système vasculaire lymphatique. - The lymphatic vascular system is a second vascular system of human body. Its main fonction is to transfer excess interstitial fluid back to cardiovascular system. In addition, it is involved in immune defense and responsible for the uptake of dietary fat. A number of pathologies called lymphedemas are associated with lymphatic vascular system dysfunction. Hereditary lymphedemas are caused by mutations in genes controlling lymphatic vascular development. One of the key genes responsible for lymphatic vascular maturation is forkhead transcription factor FOXC2. Previous studies of Foxc2 knockout mice showed that Foxc2 controls the process of lymphatic capillary versus collecting vessel fate specification and formation of lymphatic valves. Importantly, mutations in FOXC2 cause human lymphedema-distichiasis syndrome. In this work we investigated the molecular mechanisms regulating the expression and activity of FOXC2 in lymphatic vasculature. We discovered that FOXC2 function is regulated by phosphorylation. We describe how phosphorylation controls FOXC2 transcriptional activity on a genome-wide level and show that FOXC2 phosphorylation plays an important role in vascular development in vivo. Lymphatic vessels are subjected to fluid shear stress (FSS). Therefore we investigated whether mechanical forces contribute to lymphatic vascular patterning and morphogenesis. We found that FSS induces the expression of FOXC2, activates Ca2+/calcineurin/NFATcl signaling and induces the expression of gap junction protein connexin37 in lymphatic endothelial cells in vitro. Importantly, we were able to show that shear stress, FOXC2, calcineurin/NFATcl and connexin37, control maturation of lymphatic vessels in vivo. Finally, we searched for cell surface receptors that mediate the induction of FOXC2 by shear stress, and we present some preliminary data, suggesting the role of TGF-beta signaling and adherens junctions in this process. In conclusion, the present study sheds light on the mechanisms of FOXC2 activity and suggests an important role of mechanical forces in controlling FOXC2 expression as well as lymphatic system development and function.

Evolution of the epithelial sodium channel and the sodium pump as limiting factors of aldosterone action on sodium transport.

Despite large changes in salt intake, the mammalian kidney is able to maintain the extracellular sodium concentration and osmolarity within very narrow margins, thereby controlling blood volume and blood pressure. In the aldosterone-sensitive distal nephron (ASDN), aldosterone tightly controls the activities of epithelial sodium channel (ENaC) and Na,K-ATPase, the two limiting factors in establishing transepithelial sodium transport. It has been proposed that the ENaC/degenerin gene family is restricted to Metazoans, whereas the α- and β-subunits of Na,K-ATPase have homologous genes in prokaryotes. This raises the question of the emergence of osmolarity control. By exploring recent genomic data of diverse organisms, we found that: 1) ENaC/degenerin exists in all of the Metazoans screened, including nonbilaterians and, by extension, was already present in ancestors of Metazoa; 2) ENaC/degenerin is also present in Naegleria gruberi, an eukaryotic microbe, consistent with either a vertical inheritance from the last common ancestor of Eukaryotes or a lateral transfer between Naegleria and Metazoan ancestors; and 3) The Na,K-ATPase β-subunit is restricted to Holozoa, the taxon that includes animals and their closest single-cell relatives. Since the β-subunit of Na,K-ATPase plays a key role in targeting the α-subunit to the plasma membrane and has an additional function in the formation of cell junctions, we propose that the emergence of Na,K-ATPase, together with ENaC/degenerin, is linked to the development of multicellularity in the Metazoan kingdom. The establishment of multicellularity and the associated extracellular compartment ("internal milieu") precedes the emergence of other key elements of the aldosterone signaling pathway.

Decompression scenarios in a new underground transportation system

BACKGROUND: The risks of a public exposure to a sudden decompression, until now, have been related to civil aviation and, at a lesser extent, to diving activities. However, engineers are currently planning the use of low pressure environments for underground transportation. This method has been proposed for the future Swissmetro, a high-speed underground train designed for inter-urban linking in Switzerland. HYPOTHESIS: The use of a low pressure environment in an underground public transportation system must be considered carefully regarding the decompression risks. Indeed, due to the enclosed environment, both decompression kinetics and safety measures may differ from aviation decompression cases. METHOD: A theoretical study of decompression risks has been conducted at an early stage of the Swissmetro project. A three-compartment theoretical model, based on the physics of fluids, has been implemented with flow processing software (Ithink 5.0). Simulations have been conducted in order to analyze "decompression scenarios" for a wide range of parameters, relevant in the context of the Swissmetro main study. RESULTS: Simulation results cover a wide range from slow to explosive decompression, depending on the simulation parameters. Not surprisingly, the leaking orifice area has a tremendous impact on barotraumatic effects, while the tunnel pressure may significantly affect both hypoxic and barotraumatic effects. Calculations have also shown that reducing the free space around the vehicle may mitigate significantly an accidental decompression. CONCLUSION: Numeric simulations are relevant to assess decompression risks in the future Swissmetro system. The decompression model has proven to be useful in assisting both design choices and safety management.

Connexin 43 expression in human hypertrophied heart due to pressure and volume overload.

Left ventricular hypertrophy (LVH) is due to pressure overload or mechanical stretch and is thought to be associated with remodeling of gap-junctions. We investigated whether the expression of connexin 43 (Cx43) is altered in humans in response to different degrees of LVH. The expression of Cx43 was analyzed by quantitative polymerase chain reaction, Western blot analysis and immunohistochemistry on left ventricular biopsies from patients undergoing aortic or mitral valve replacement. Three groups were analyzed: patients with aortic stenosis with severe LVH (n=9) versus only mild LVH (n=7), and patients with LVH caused by mitral regurgitation (n=5). Cx43 mRNA expression and protein expression were similar in the three groups studied. Furthermore, immunohistochemistry revealed no change in Cx43 distribution. We can conclude that when compared with mild LVH or with LVH due to volume overload, severe LVH due to chronic pressure overload is not accompanied by detectable changes of Cx43 expression or spatial distribution.

Intercellular communication in atherosclerosis.

Cell-to-cell communication is a process necessary for physiological tissue homeostasis and appears often altered during disease. Gap junction channels, formed by connexins, allow the direct intercellular communication between adjacent cells. After a brief review of the pathophysiology of atherosclerosis, we will discuss the role of connexins throughout the different stages of the disease.

The blood-brain barrier: cellular basis.

Perfusion experiments with horseradish peroxidase have established that the morphological substrate of the blood-brain barrier is represented by microvascular endothelial cells. They are characterized by complexly arranged tight junctions and a very low rate of transcytotic vesicular transport. They express transport enzymes, carrier systems and brain endothelial cell-specific molecules of unknown function not expressed by any other endothelial cell population. These blood-brain barrier properties are not intrinsic to these cells but are inducible by the surrounding brain tissue. Type I astrocytes injected into the anterior eye chamber of the rat or onto the chick chorioallantoic membrane are able to induce a host-derived angiogenesis and some blood-brain barrier properties in endothelial cells of non-neural origin. Recently we have shown that this cellular interaction is due to the secretion of a soluble astrocyte derived factor(s). Astrocytes are also implicated in the maintenance, functional regulation and the repair of the blood-brain barrier. Complex interactions between other constituents of the microenvironment surrounding the endothelial cells, such as the basement membrane, pericytes, nerve endings, microglial cells and the extracellular fluid, take place and are required for the proper functioning of the blood-brain barrier, which in addition is regionally different as reflected by endothelial cell heterogeneity.

Etude prospective sur l'utilité et valeur diagnostique du PET/CT au 18F-FDG pour le diagnostic d'infection sur cathéters veineux centraux permanents

Contexte Lié au vieillissement et à la sédentarisation de la population, ainsi qu'à la chronicisation du cancer, l'emploi de cathéters veineux centraux permanents (CVCP) n'a cessé d'augmenter. La complication majeure de ces dispositifs, induisant de forts taux de morbi-mortalité, est l'infection. Actuellement, le diagnostic de ces infections reste surtout basé sur la clinique et les hémocultures. Lorsque le doute persiste, une ablation chirurgicale suivie de la mise en culture des prélèvements chirurgicaux et du cathéter permettent de poser le diagnostic. En clinique, après ces examens, nous constatons que seule la moitié des cathéters retirés étaient réellement infectés. Alors que la tomographie par émission de positons fusionnée à la tomographie (PET/CT) a montré de bons résultats dans la détection des infections chroniques, la valeur diagnostique du PET/CT au fluorodeoxyglucose marqué au 18F (18F-FDG) pour les infections de CVCP n'a encore jamais été déterminée dans une étude prospective. Objectifs Au travers de cette étude prospective, ouverte et monocentrique, nous chercherons à connaître la valeur diagnostique du PET/CT au 18F-FDG dans la détection d'infections de CVCP et ainsi d'en déterminer son utilité. Nous essaierons aussi de déterminer la différence de valeur diagnostique du PET/CT au 18F-FDG par rapport aux méthodes conventionnelles (paramètres cliniques et culture du liquide d'aspiration), afin de se déterminer sur l'éventuelle utilité diagnostique de celui-ci. Méthodes Cadre : Etude prospective d'au moins 20 patients, avec 2 groupes contrôles d'au moins 10 patients ayant chacun respectivement une faible et une forte probabilité d'infection, soit au moins 40 patients au total. Population : patients adultes avec CVCP devant être retiré. Cette étude prévoit un examen PET/CT au 18F-FDG effectué auprès de patients nécessitant une ablation de CVCP sur suspicion d'infection, sans confirmation possible par les moyens diagnostiques non chirurgicaux. Deux acquisitions seront réalisées 45 et 70 minutes après l'injection de 5,5MBq/Kg de 18F-FDG. Le groupe contrôle à faible probabilité d'infection, sera formé de patients bénéficiant de l'ablation définitive d'un CVCP pour fin de traitement durant le laps de temps de l'étude, et ayant bénéficié au préalable d'un examen PET/CT pour raison X. Après avoir retiré chirurgicalement le CVCP, nous utiliserons la culture microbiologique des deux extrémités du CVCP comme étalon d'or (gold standard) de l'infection. Le groupe contrôle à forte probabilité d'infection sera formé de patients nécessitant une ablation de CVCP sur infection de CVCP confirmée par les moyens diagnostiques non chirurgicaux (culture positive du liquide de l'aspiration). Lors de l'examen PET/CT, ces patients auront aussi deux acquisitions réalisées 45 et 70 minutes après l'injection de 5,5MBq/Kg de 18F-FDG. Les résultats de ces examens seront évalués par deux spécialistes en médecine nucléaire qui détermineront le niveau de suspicion de l'infection sur une échelle de Likert allant de I à V, sur la base du nombre de foyers, de la localisation du foyer, de l'intensité de la captation de 18F-FDG au voisinage du cathéter et du rapport tissu/arrière-plan. Par la suite, nous retirerons chirurgicalement le CVCP. Nous utiliserons la culture microbiologique du pus (si présent), des deux extrémités du CVCP ainsi que l'histologie des tissus formant un tunnel autour du cathéter comme étalon d'or de l'infection. Les résultats seront analysés à l'aide de courbes ROC (Receiver Operating Characteristic) afin de déterminer la valeur diagnostique du PET/CT dans l'infection de CVCP. Les résultats des examens des patients avec suspicion clinique d'infection seront ensuite analysés séparément, afin de déterminer la différence de valeur diagnostique du PET/CT au 18F-FDG par rapport aux méthodes conventionnelles. Résultats escomptés Ce projet veut chercher à savoir si le PET/CT au 18F-FDG peut être un moyen diagnostique valide dans les infections de CVCP, s'avérer utile lorsque les autres moyens diagnostiques sont non conclusifs. Plus-value escomptée Actuellement, lors d'incertitude sur le diagnostic d'infection de CVCP, une opération chirurgicale est effectuée à titre préventif afin d'enlever le cathéter en cause, cependant seulement la moitié de ces cathéters sont réellement infectés en pratique. Le PET/CT au 18F-FDG, grâce à sa sensibilité élevée et probablement une bonne valeur prédictive négative, pourrait éviter à une partie des patients un retrait inutile du cathéter, diminuant ainsi les risques chirurgicaux et les coûts liés à de telles opérations, tout en préservant le capital d'accès vasculaire futur.

Lack of GDAP1 induces neuronal calcium and mitochondrial defects in a knockout mouse model of charcot-marie-tooth neuropathy.

Mutations in GDAP1, which encodes protein located in the mitochondrial outer membrane, cause axonal recessive (AR-CMT2), axonal dominant (CMT2K) and demyelinating recessive (CMT4A) forms of Charcot-Marie-Tooth (CMT) neuropathy. Loss of function recessive mutations in GDAP1 are associated with decreased mitochondrial fission activity, while dominant mutations result in impairment of mitochondrial fusion with increased production of reactive oxygen species and susceptibility to apoptotic stimuli. GDAP1 silencing in vitro reduces Ca2+ inflow through store-operated Ca2+ entry (SOCE) upon mobilization of endoplasmic reticulum (ER) Ca2+, likely in association with an abnormal distribution of the mitochondrial network. To investigate the functional consequences of lack of GDAP1 in vivo, we generated a Gdap1 knockout mouse. The affected animals presented abnormal motor behavior starting at the age of 3 months. Electrophysiological and biochemical studies confirmed the axonal nature of the neuropathy whereas histopathological studies over time showed progressive loss of motor neurons (MNs) in the anterior horn of the spinal cord and defects in neuromuscular junctions. Analyses of cultured embryonic MNs and adult dorsal root ganglia neurons from affected animals demonstrated large and defective mitochondria, changes in the ER cisternae, reduced acetylation of cytoskeletal α-tubulin and increased autophagy vesicles. Importantly, MNs showed reduced cytosolic calcium and SOCE response. The development and characterization of the GDAP1 neuropathy mice model thus revealed that some of the pathophysiological changes present in axonal recessive form of the GDAP1-related CMT might be the consequence of changes in the mitochondrial network biology and mitochondria-endoplasmic reticulum interaction leading to abnormalities in calcium homeostasis.

Endothelial, but not smooth muscle, peroxisome proliferator-activated receptor β/δ regulates vascular permeability and anaphylaxis.

BACKGROUND: Remodeling of quiescent vessels with increases in permeability, vasodilatation, and edema are hallmarks of inflammatory disorders. Factors involved in this type of remodeling represent potential therapeutic targets. OBJECTIVES: We investigated whether the nuclear hormone receptor peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) β/δ, a regulator of metabolism, fibrosis, and skin homeostasis, is involved in regulation of this type of remodeling. METHODS: Wild-type and various Pparb/d mutant mice were used to monitor dermal acute vascular hyperpermeability (AVH) and passive systemic anaphylaxis-induced hypothermia and edema. PPARβ/δ-dependent kinase activation and remodeling of endothelial cell-cell junctions were addressed by using human endothelial cells. RESULTS: AVH and dilatation of dermal microvessels stimulated by vascular endothelial growth factor A, histamine, and thrombin are severely compromised in PPARβ/δ-deficient mice. Selective deletion of the Pparb/d-encoding gene in endothelial cells in vivo similarly limits dermal AVH and vasodilatation, providing evidence that endothelial PPARβ/δ is the major player in regulating acute dermal microvessel remodeling. Furthermore, endothelial PPARβ/δ regulatory functions are not restricted to the skin vasculature because its deletion in the endothelium, but not in smooth muscle cells, also leads to reduced systemic anaphylaxis, the most severe form of allergic reaction, in which an acute vascular response plays a key role. PPARβ/δ-dependent AVH activation likely involves the activation of mitogen-activated protein kinase and Akt pathways and leads to downstream destabilization of endothelial cell-cell junctions. CONCLUSION: These results unveil not only a novel function of PPARβ/δ as a direct regulator of acute vessel permeability and dilatation but also provide evidence that antagonizing PPARβ/δ represents an important strategy to consider for moderating diseases with altered endothelial integrity, such as acute inflammatory and allergic disorders.