Measurements of glial metabolic fluxes with C-11-acetate using positron emission and an adapted NMR-based metabolic modeling approach

Objectives: Acetate brain metabolism has the particularity to occur specifically in glial cells. Labeling studies, using acetate labeled either with 13C (NMR) or 11C (PET), are governed by the same biochemical reactions and thus follow the same mathematical principles. In this study, the objective was to adapt an NMR acetate brain metabolism model to analyse [1-11C]acetate infusion in rats. Methods: Brain acetate infusion experiments were modeled using a two-compartment model approach used in NMR.1-3 The [1-11C]acetate labeling study was done using a beta scintillator.4 The measured radioactive signal represents the time evolution of the sum of all labeled metabolites in the brain. Using a coincidence counter in parallel, an arterial input curve was measured. The 11C at position C-1 of acetate is metabolized in the first turn of the TCA cycle to the position 5 of glutamate (Figure 1A). Through the neurotransmission process, it is further transported to the position 5 of glutamine and the position 5 of neuronal glutamate. After the second turn of the TCA cycle, tracer from [1-11C]acetate (and also a part from glial [5-11C]glutamate) is transferred to glial [1-11C]glutamate and further to [1-11C]glutamine and neuronal glutamate through the neurotransmission cycle. Brain poster session: oxidative mechanisms S460 Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2009) 29, S455-S466 Results: The standard acetate two-pool PET model describes the system by a plasma pool and a tissue pool linked by rate constants. Experimental data are not fully described with only one tissue compartment (Figure 1B). The modified NMR model was fitted successfully to tissue time-activity curves from 6 single animals, by varying the glial mitochondrial fluxes and the neurotransmission flux Vnt. A glial composite rate constant Kgtg=Vgtg/[Ace]plasma was extracted. Considering an average acetate concentration in plasma of 1 mmol/g5 and the negligible additional amount injected, we found an average Vgtg = 0.08±0.02 (n = 6), in agreement with previous NMR measurements.1 The tissue time-activity curve is dominated by glial glutamate and later by glutamine (Figure 1B). Labeling of neuronal pools has a low influence, at least for the 20 mins of beta-probe acquisition. Based on the high diffusivity of CO2 across the blood-brain barrier; 11CO2 is not predominant in the total tissue curve, even if the brain CO2 pool is big compared with other metabolites, due to its strong dilution through unlabeled CO2 from neuronal metabolism and diffusion from plasma. Conclusion: The two-compartment model presented here is also able to fit data of positron emission experiments and to extract specific glial metabolic fluxes. 11C-labeled acetate presents an alternative for faster measurements of glial oxidative metabolism compared to NMR, potentially applicable to human PET imaging. However, to quantify the relative value of the TCA cycle flux compared to the transmitochondrial flux, the chemical sensitivity of NMR is required. PET and NMR are thus complementary.

The neurochemical profile quantified by in vivo 1H NMR spectroscopy.

Proton NMR spectroscopy is emerging from translational and preclinical neuroscience research as an important tool for evidence based diagnosis and therapy monitoring. It provides biomarkers that offer fingerprints of neurological disorders even in cases where a lesion is not yet observed in MR images. The collection of molecules used as cerebral biomarkers that are detectable by (1)H NMR spectroscopy define the so-called "neurochemical profile". The non-invasive quality of this technique makes it suitable not only for diagnostic purposes but also for therapy monitoring paralleling an eventual neuroprotection. The application of (1)H NMR spectroscopy in basic and translational neuroscience research is discussed here.

Lipophilicity and its relationship with passive drug permeation.

In this review, we first summarize the structure and properties of biological membranes and the routes of passive drug transfer through physiological barriers. Lipophilicity is then introduced in terms of the intermolecular interactions it encodes. Finally, lipophilicity indices from isotropic solvent systems and from anisotropic membrane-like systems are discussed for their capacity to predict passive drug permeation across biological membranes such as the intestinal epithelium, the blood-brain barrier (BBB) or the skin. The broad evidence presented here shows that beyond the predictive power of lipophilicity parameters, the various intermolecular forces they encode allow a mechanistic interpretation of passive drug permeation.

Contribution à l'étude neuroanatomique de systèmes enzymatiques impliqués dans le métabolisme énergétique cérébral

RESUME Il a longtemps été admis que le glucose était le principal, sinon le seul substrat du métabolisme énergétique cérébral. Néanmoins, des études récentes indiquent que dans des situations particulières, d'autres substrats peuvent être employés. C'est le cas des monocarboxylates (lactate et pyruvate principalement). Bien que la barrière hématoencéphalique soit peu perméable à ces molécules, elles deviennent néanmoins des substrats possibles si elles sont produites localement. Les deux systèmes enzymatiques pivots des voies glycolytiques et oxydatives sont la lactate déshydrogénase (LDH, EC 1.1.1.27) qui catalyse l'interconversion du pyruvate et du lactate et le complexe pyruvate déshydrogénase qui catalyse la conversion irréversible du pyruvate en acétyl-CoA qui entre dans la respiration mitochondriale. Nous avons étudié la localisation, tant régionale que cellulaire, des isoformes LDH-1, LDH-5 et PDHEla dans le cerveau du chat et dé l'homme au moyen de diverses techniques histologiques. Dans un premier temps, des investigations par hybridation in situ au moyen d'oligosondes marquées au 33P sur de coupes de cerveau de chat ont permis de montrer une différence de l'expression des enzymes à vocation oxydative (LDH-1 et PDHA1, le gène codant pour la protéine PDHEIa) par rapport à LDH-5, isoforme qui catalyse préférentiellement la formation de lactate. LDH-1 et PDHA 1 ont des distributions similaires et sont enrichies dans de nombreuses structures cérébrales, comme l'hippocampe, de nombreux noyaux thalamiques et des structures pontiques. Le cortex cérébral exhibe également une expression importante de LDH-1 et PDH. LDH-5 a par contre une expression largement plus diffuse à travers le cerveau, bien que l'on trouve néanmoins un enrichissement plus important dans l'hippocampe. Ces résultats sont en accord avec les observations que nous avons précédemment publiées chez le rongeur pour LDH-1 et LDH-5 (Laughton et collaborateurs, 2000). Des analyses par PCR en temps réel ont confirmé que dans certaines régions, LDH-1 est exprimée de façon nettement plus importante que LDH-5. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué sur des coupes histologiques d'hippocampe et de cortex occipital humain post-mortem des anticorps monoclonaux spécifiques de l'isoforme LDH-5 et la sous-unité PDHela du complexe pyruvate déshydrogénase. Là aussi, les immunoréactions révèlent une ségrégation régionale mais aussi cellulaire des deux enzymes. Dans les deux régions étudiées, LDH-5 est localisée exclusivement dans les astrocytes. Dans le cortex occipital, la matière blanche et également la couche I corticale sont immunopositives pour LDH-5. Dans l'hippocampe, le CA4 et l'alveus exhibe l'immunomarquage le plus intense pour LDH-5. Seuls des neurones (à de rares exceptions quelques astrocytes) sont immunopositifs à l'anticorps monoclonal dirigé contre PDHela. La couche IV du cortex occipital présente la plus forte immunoréaction. Dans l'hippocampe, une immunoréactivité est observée dans le stratum granulosum et à travers la région CA1 jusqu'à la région CA3. L'ensemble de ces résultats montre une hétérogénéité métabolique dans le cerveau et étaye l'hypothèse "astrocyte-neurone lactate shuttle" (ANL5) (Bittar et collaborateurs, 1996; Magistretti et Pellerin, 1999) qui propose que les astrocytes fournissent aux neurones activés du lactate comme substrat alternatif de leur métabolisme énergétique. ABSTRACT For a long time now, glucose has been thought to be the main, if not the sole substrate for brain energy metabolism. Recent data nevertheless suggest that other molecules, such as monocarboxylates (lactate and pyruvate mainly) could be suitable substrates. Although monocarboxylates poorly cross the blood brain barrier (BBB), such substrates could replace glucose if produced locally. The two key enzymatic systems required for the use and production of these substats are lactate dehydrogenase (LDH; EC 1.1.1.27) that catalyses the interconversion of lactate and pyruvate and the pyruvate dehydrogenase complex that irreversibly funnels pyruvate towards the mitochondrial TCA cycle and oxydative phosphorylation. Our study consisted in localizing these different systems with various histochemical procedures in the cat brain and two regions, i.e. hippocampus and primary visual cortex, of the human brain. First, by means of in situ hybridization with 33P labeled oligoprobes, we have demonstrated that the more oxidative enzymes (LDH-1 and PDHA1, the gene coding for PDHEla) are highly expressed in a variety of feline brain structures. These structures include the hippocampus, various thalamic nuclei and the pons. The cerebral cortex exhibits also a high LDH-1 and PDHAl expression. On the other hand, LDH-5 expression is poorer and more diffuse, although the hippocampus does seem to have a higher expression. These fmdings are consistent with our previous observation of the expression of LDH1 and LDH-5 in the rodent brain (Laughton et al, 2000). Real-time PCR (TagMan tm) revealed that, in various regions, LDH-1 is effectively more highly expressed than LDH-5. In a second set of experiments, monoclonal antibodies to LDH-5 and PDHeIa were applied to cryostat sections of post-mortem human hippocampus and occipital cortex. These procedures revealed not only that the two enzymes have different regional distributions, but also distinct cellular localisation. LDH-5 immunoreactivity is solely observed in astrocytes. In the occipital cortex, the white matter and layer I are immunopositive. In the hippocampus, the alveus and CA4 show LDH-5 immunoréactivity. PDHeIa has been detected, with few exceptions, only in neurons. Layer IV of the occipital cortex was most immmunoreactive. In the hippocampus, PDHela immunoreactivity is noticed in the stratum granulosum and through CA 1 to CA3 areas. The overall observations made in this study show that there is a metabolic heterogeneity in the brain and our findings support the hypothesis of an astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS)(Bittar et al., 1996; Magistretti & Pellerin, 1999) where astrocytes export to active neurons lactate to fuel their energy demands.

Protective role of early aquaporin 4 induction against postischemic edema formation.

Aquaporin 4 (AQP4) is a water channel involved in water movements across the cell membrane and is spatially organized on the cell surface in orthogonal array particles (OAPs). Its role in edema formation or resolution after stroke onset has been studied mainly at late time points. We have shown recently that its expression is rapidly induced after ischemia coinciding in time with an early swelling of the ischemic hemisphere. There are two isoforms of AQP4: AQP4-M1 and AQP4-M23. The ratio of these isoforms influences the size of the OAPs but the functional impact is not known. The role of the early induction of AQP4 is not yet known. Thrombin preconditioning in mice provides a useful model to study endogenous protective mechanisms. Using this model, we provide evidence for the first time that the early induction of AQP4 may contribute to limit the formation of edema and that the AQP4-M1 isoform is predominantly induced in the ischemic tissue at this time point. Although it prevents edema formation, the early induction of the AQP4 expression does not prevent the blood-brain barrier disruption, suggesting an effect limited to the prevention of edema formation possibly by removing of water from the tissue.

The unsolved puzzle of neuropathogenesis in glutaric aciduria type I.

Glutaric aciduria type I (GA-I) is a cerebral organic aciduria caused by deficiency of glutaryl-Co-A dehydrogenase (GCDH). GCDH deficiency leads to accumulation of glutaric acid (GA) and 3-hydroxyglutaric acid (3-OHGA), two metabolites that are believed to be neurotoxic, in brain and body fluids. The disorder usually becomes clinically manifest during a catabolic state (e.g. intercurrent illness) with an acute encephalopathic crisis that results in striatal necrosis and in a permanent dystonic-dyskinetic movement disorder. The results of numerous in vitro and in vivo studies have pointed to three main mechanisms involved in the metabolite-mediated neuronal damage: excitotoxicity, impairment of energy metabolism and oxidative stress. There is evidence that during a metabolic crisis GA and its metabolites are produced endogenously in the CNS and accumulate because of limiting transport mechanisms across the blood-brain barrier. Despite extensive experimental work, the relative contribution of the proposed pathogenic mechanisms remains unclear and specific therapeutic approaches have yet to be developed. Here, we review the experimental evidence and try to delineate possible pathogenetic models and approaches for future studies.

The neuronal monocarboxylate transporter MCT2: its regulation by BDNF and its role in learning and memory

Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain physiological and pathological conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood-brain barrier or out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal isoform and little is known about the regulation of its expression. Noradrenaline (NA), insulin and IGF-1 were previously shown to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here we demonstrate that the well known brain neurotrophic factor BDNF enhances MCT2 protein expression in cultured cortical neurons and in synaptoneurosome preparations in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. We observed that BDNF induced MCT2 expression by activation of MAPK as well as PI3K/Akt/mTOR signaling pathways. Furthermore, we investigated the possible post-transcriptional regulation of MCT2 expression by a neuronal miRNA. Then, we demonstrated that BDNF enhanced MCT2 expression in the hippocampus in vivo, in parallel with some post-synaptic proteins such as PSD95 and AMPA receptor GluR2/3 subunits, and two immediate early genes Arc and Zif268 known to be expressed in conditions related to synaptic plasticity. In the last part, we demonstrated in vivo that a downregulation of hippocampal MCT2 via silencing with an appropriate lentiviral vector in mice caused an impairment of working memory without reference memory deficit. In conclusion, these results suggest that regulation of neuronal monocarboxylate transporter MCT2 expression could be a key event in the context of synaptic plasticity, allowing an adequate energy substrate supply in situations of altered synaptic efficacy. - Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergéiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famillle de transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que la noradrénaline, l'insuline et l'IGF-1 induisent l'expression de MCT2 dans des cultures de neurones corticaux par un mécanisme traductionnel. Dans cette étude nous démontrons dans un premier temps que le facteur neurotrophique BDNF augmente l'expression de MCT2 à la fois dans des cultures de neurones corticaux et dans les préparations synaptoneurosomales selon un décours temporel et une gamme de concentrations propre. Aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Nous avons observé que le BDNF induisait l'expression de MCT2 par l'activation simultanée des voies de signalisation MAPK et PI3K/Akt/mTOR. De plus, nous nous sommes intéressés à une potentielle régulation par les micro-ARNs de la synthèse de MCT2. Ensuite, nous avons démontré que le BDNF induit aussi l'expression de MCT2 dans l'hippocampe de la souris en parallèle avec d'autres protéines post-synaptiques telles que PSD95 et GluR2/3 et avec deux « immediate early genes » tels que Arc et Zif268 connus pour être exprimés dans des conditions de plasticité synaptique. Dans un dernier temps, nous avons démontré qu'une diminution d'expression de MCT2 induite par le biais d'un siRNA exprimé via un vecteur lentiviral dans l'hippocampe de souris générait des déficits de mémoire de travail sans affecter la mémoire de référence. En conclusion, ces résultats nous suggèrent que le transporteur aux monocarboxylates neuronal MCT2 serait essentiel pour l'apport énergétique du lactate pour les neurones dans des conditions de haute activité neuronale comme c'est le cas pendant les processus de plasticité synaptique.

GLUT2 in pancreatic and extra-pancreatic gluco-detection (review).

Detection of variations in blood glucose concentrations by pancreatic beta-cells and a subsequent appropriate secretion of insulin are key events in the control of glucose homeostasis. Because a decreased capability to sense glycemic changes is a hallmark of type 2 diabetes, the glucose signalling pathway leading to insulin secretion in pancreatic beta-cells has been extensively studied. This signalling mechanism depends on glucose metabolism and requires the presence of specific molecules such as GLUT2, glucokinase and the K(ATP) channel subunits Kir6.2 and SUR1. Other cells are also able to sense variations in glycemia or in local glucose concentrations and to modulate different physiological functions participating in the general control of glucose and energy homeostasis. These include cells forming the hepatoportal vein glucose sensor, which controls glucose storage in the liver, counterregulation, food intake and glucose utilization by peripheral tissues and neurons in the hypothalamus and brainstem whose firing rates are modulated by local variations in glucose concentrations or, when not protected by a blood-brain barrier, directly by changes in blood glucose levels. These glucose-sensing neurons are involved in the control of insulin and glucagon secretion, food intake and energy expenditure. Here, recent physiological studies performed with GLUT2-/- mice will be described, which indicate that this transporter is essential for glucose sensing by pancreatic beta-cells, by the hepatoportal sensor and by sensors, probably located centrally, which control activity of the autonomic nervous system and stimulate glucagon secretion. These studies may pave the way to a fine dissection of the molecular and cellular components of extra-pancreatic glucose sensors involved in the control of glucose and energy homeostasis.

Estudi del procés de neurodegeneració

Les anomenades malalties neurodegeneratives tenen una simptomatologia i unes manifestacions clíniques molt diferents entre elles. No obstant, totes elles convergeixen en el mateix procés final, la neurodegeneració, que es manifestarà en diferents localitzacions o tipus cel·lulars del sistema nerviós. Nosaltres, plantegem la hipòtesi de que els processos moleculars i cel·lulars subjacents a la neurodegeneració són comuns per totes elles. Després de dur a terme un procés de selecció, es decideix treballar amb la malaltia de Parkinson, la d’Alzheimer, l’Esclerosi lateral amiotròfica i l’esclerosi múltiple. Hem pogut determinar que hi ha set processos moleculars o cel·lulars que estan associats al procés de neurodegeneració i que són comuns a totes elles. Havent-les estudiat per separat s’observa que el procés de neurodegeneració consisteix en una fallada en cadena de diferents sistemes moleculars i cel·lulars que tenen com a punt d’origen l’estrès oxidatiu. A aquest estrès s’hi pot arribar de diferents maneres. Una d’elles és l’exposició excessiva a certs metalls, que provoca la pèrdua dels sistemes antioxidants cel·lulars. Degut a això, els mitocondris reben un impacte oxidatiu massa gran i comencen a fallar. El fet que aquest orgànul actuï com a tampó del calci intracel·lular en provoca la seva desregulació, alterant d’aquesta manera el senyal nerviós. En resposta a l’estrès oxidatiu i tèrmic que genera la disfunció mitocondrial, s’activen les Proteïnes de Xoc Tèrmic (HSP) que actuant de citocines i presentadores d’antígens, inicien la resposta immunològica contra les cèl·lules danyades. Paral·lelament, s’observa un increment de la permeabilitat de la barrera hematoencefàlica degut a la pèrdua de les adhesions cel·lulars estretes per l’alta presència d’espècies reactives. Com a conseqüència de l’afebliment o el trencament de la barrera hematoencefàlica, es pot produir una entrada al SNC de diferents substàncies neurotòxiques i de cèl·lules del sistema immunitàri que, en condicions normals tenen l’accés restringit. Juntament amb aquestes cèl·lules immunològiques, també s’activen les cèl·lules del sistema immunitari innat residents al cervell, la micròglia, i totes elles secreten citocines proinflamatòries que contribueixen al procés de neurodegeneració. Nosaltres presentem els mecanismes pels quals aquesta inflamació, lluny d’atenuar-se, es cronifica per l’acció de certs bucles de retroalimentació positiva. Les diferents peculiaritats de cada malaltia contribueixen en aquest procés de diferents maneres, com és el cas dels pèptids β-amilides en la malaltia d’Alzheimer, l’α-sinucleina en el Parkinson, la superòxid dismutasa (SOD) en l’esclerosi lateral amiotròfica, o l’infiltració de leucòcits al cervell degut a la resposta autoimmune de l’esclerosi múltiple.Deixant de banda aquestes diferències, si el procés és comú entre totes elles, l’estudi a fons d’aquest procés hauria de poder permetre identificar dianes tarapèutiques que siguin comunes per les quatre malalties.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Understanding the multifaceted role of inflammatory mediators in ischemic stroke.

The evolution of ischemic brain damage is strongly affected by an inflammatory reaction that involves soluble mediators, such as cytokines and chemokines, and specialized cells activated locally or recruited from the periphery. The immune system affects all phases of the ischemic cascade, from the acute intravascular reaction due to blood flow disruption, to the development of brain tissue damage, repair and regeneration. Increased endothelial expression of adhesion molecules and blood-brain barrier breakdown promotes extravasation and brain recruitment of blood-borne cells, including macrophages, neutrophils, dendritic cells and T lymphocytes, as demonstrated both in animal models and in human stroke. Nevertheless, most anti-inflammatory approaches showing promising results in experimental stroke models failed in the clinical setting. The lack of translation may reside in the redundancy of most inflammatory mediators, exerting both detrimental and beneficial functions. Thus, this review is aimed at providing a better understanding of the dualistic role played by each component of the inflammatory/immune response in relation to the spatio-temporal evolution of ischemic stroke injury.

Partial protection and intrathecal invasion of CD8(+) T cells in acute canine distemper virus infection.

Initial non-inflammatory demyelination in canine distemper virus infection (CDV) develops against a background of severe immunosuppression and is therefore, thought to be virus-induced. However, recently we found a marked invasion of T cells throughout the central nervous system (CNS) in dogs with acute distemper despite drastic damage to the immune system. In the present study, this apparent paradox was further investigated by immunophenotyping of lymphocytes, following experimental CDV challenge in vaccinated and non-vaccinated dogs. In contrast to CDV infected, unprotected dogs, vaccinated dogs did not become immunosuppressed and exhibited a strong antiviral immune response following challenge with virulent CDV. In unprotected dogs rapid and drastic lymphopenia was initially due to depletion of T cells. In peripheral blood, CD4(+) T cells were more sensitive and depleted earlier and for a longer time than CD8(+) cells which recovered soon. In the cerebrospinal fluid (CSF) we could observe an increase in the T cell to B cell and CD8(+) to CD4(+) ratios. Thus, partial protection of the CD8(+) cell population could explain why part of the immune function in acute distemper is preserved. As found earlier, T cells invaded the CNS parenchyma in these dogs but also in the protected challenged dogs, which did not develop any CNS disease at all. Since markers of T cell activation were upregulated in both groups of animals, this phenomenon could in part be related to non-specific penetration of activated T cells through the blood brain barrier. However, in diseased animals much larger numbers of T cells were found in the CNS than in the protected dogs, suggesting that massive invasion of T cells in the brain requires CDV expression in the CNS.

Approches de gene silencing pour le traitement de la maladie de Huntington [Gene silencing approaches for the treatment of Huntington's disease].

Huntington's disease is a rare neurodegenerative disease caused by a pathologic CAG expansion in the exon 1 of the huntingtin (HTT) gene. Aggregation and abnormal function of the mutant HTT (mHTT) cause motor, cognitive and psychiatric symptoms in patients, which lead to death in 15-20 years. Currently, there is no treatment for HD. Experimental approaches based on drug, cell or gene therapy are developed and reach progressively to the clinic. Among them, mHTT silencing using small non-coding nucleic acids display important physiopathological benefit in HD experimental models.

Induced pluripotent stem cells as a promising tool to study the effect of interleukin-22 in multiple sclerosis

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante du système nerveux central (SNC) provoquant des pertes motrices, sensitives et cognitives. La SEP se déclare chez le jeune adulte ayant des prédispositions génétiques, mais semble induite, par des facteurs environnementaux. La SEP touche principalement les femmes et sa prévalence dans les zones à haut risque, tel que la Suisse, est de 0.1%. Bien que son étiologie exacte reste méconnue, nous savons que la maladie est médiée par des lymphocytes T autoréactifs périphériques, qui infiltrent le SNC où ils activent d'autres cellules immunitaires ainsi que les cellules du SNC elles-mêmes, créant un foyer inflammatoire, qui va attaquer et finir par tuer les oligodendrocytes et les neurones. Les épisodes inflammatoires sont entrecoupés par des phases de rémission associées à une guérison partielle des lésions. Cette première phase de la maladie, comprenant des épisodes inflammatoires et de rémissions est appelé SEP récurrente-rémittente (SEP-RR) et touche 90% des patients. Elle évolue, dans deux-tiers des cas, vers une SEP secondaire progressive (SEP-SP), qui est caractérisée par une progression constante de la maladie, associée à une réduction de l'inflammation mais une augmentation de la neurodégénérescence. Les patients souffrants de SEP primaire progressive (SEP-PP) développent directement les symptômes de la phase progressive de la maladie. Les thérapies disponibles ont considérablement amélioré l'évolution de la maladie des patients SEP-RR, en agissant sur une diminution de la réponse immunitaire et donc de l'inflammation. Cependant, ces traitements sont inefficaces chez les patients SEP-SP et SEP-PP, n'agissant pas sur la neurodégénérescence. IL-22, une cytokine sécrétée notoirement par les cellules Th17, a été associée à la SEP en contribuant à la perméabilisation de la barrière hémato-encéphalique et à l'inflammation du SNC, qui sont des étapes clés de la pathogenèse de la maladie. En outre, le gène codant pour un inhibiteur puissant d'IL- 22, 'IL-22 binding protein' (IL-22BP), a été démontré comme un facteur de risque de la SEP. Ces indices nous ont poussés à nous intéresser de plus près au rôle de l'IL-22 dans la SEP. Nous avons pu montrer qu'IL-22 et IL-22BP étaient augmentées dans le sang des patients SEP par rapport à des sujets sains. Nous avons trouvé qu'IL-22 cible spécifiquement les astrocytes dans le SNC et que son récepteur est particulièrement exprimé dans les lésions des patient SEP. Contre toute attente, nous avons pu montrer que l'IL-22 semble soutenir la survie des astrocytes. Cette découverte, suggérant qu'IL-22 serait protecteur pour le SNC et pour la SEP, confirme de récentes publications et ouvre la voie à de potentielles applications thérapeutiques. En parallèle, dans le but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP, nous avons développé les techniques de culture de cellules souches pluripotentes induites (iPSC). Nos iPSC sont dérivées du sang des donneurs et acquièrent toutes les propriétés des cellules souches embryonnaires après induction. Les iPSC peuvent ensuite être différenciées en différents types de cellules, dont les cellules du SNC. Nous avons ainsi pu obtenir avec succès des neurones, dérivés de cellules du sang, en passant par le stade des iPSC. La prochaine étape consiste à générer des cultures d'astrocytes et d'oligodendrocytes et ainsi obtenir les principales cellules du SNC, le but étant de former de véritables 'cerveaux-en-culture'. Cet outil semble particulièrement adapté à l'étude de l'activité de diverses molécules sur les cellules du SNC, comme par exemple l'IL-22 et d'autres molécules ayant un potentiel intérêt thérapeutique au niveau du SNC. Le but ultime étant de développer des co-cultures de cellules du SNC avec des cellules immunitaires autologues, de patients SEP et de sujets sains, afin de mettre en évidence l'attaque des cellules du SNC par des leucocytes autoréactifs. Ce projet prospectif a permis d'accroître nos connaissance sur des aspects immunitaires de la SEP et à pour but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP afin d'élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques. -- La sclérose en plaques est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central conduisant à la destruction de la myéline, indispensable à la conduction nerveuse, et finalement à la mort des neurones eux-mêmes. Cela a pour conséquence des pertes motrices, sensorielles et cognitives, qui ont tendance à s'aggraver au fil de la maladie. Elle se déclare chez le jeune adulte, entre l'âge de 20 et 40 ans, et prédomine chez la femme. En Suisse, environ une personne sur l'OOO est atteinte de sclérose en plaques. Les causes exactes de cette maladie, qui incluent des facteurs génétiques et environnementaux, sont encore mal connues. Des traitements de plus en plus efficaces ont été développés ces dernières années et ont permis de drastiquement améliorer l'évolution de la maladie chez les patients atteints de sclérose en plaques. Cependant, ces traitements ne sont efficaces que sur certaines catégories de patients et peuvent engendrer de lourds effets secondaires. Ces thérapies agissent presque exclusivement sur les cellules du système immunitaire en les désactivant partiellement, mais pas sur les cellules nerveuses, qui sont pourtant celles qui conditionnent le devenir du patient. Le développement de médicaments protégeant ou permettant la régénération des cellules du système nerveux central est donc primordial. L'étude de l'interleukine-22 nous a permis de montrer que cette cytokine ('hormone' du système immunitaire) pouvait cibler spécifiquement les astrocytes, des cellules gliales qui jouent un rôle central dans le maintien de l'équilibre du système nerveux central. Nos recherches ont montré que cette interleukine-22 permettrait une meilleure survie des astrocytes durant la phase aiguë de la maladie et aurait aussi des propriétés neuroprotectrices. En parallèle, nous sommes en train de développer un nouveau modèle in vitro d'étude de la sclérose en plaques grâce à la technologie des cellules souches pluripotentes induites. Ces cellules souches sont induites à partir de cellules du sang du donneur et acquièrent toutes les caractéristiques des cellules souches embryonnaires présentes dans un organisme en formation. Ainsi, ces cellules souches pluripotentes ont, par exemple, la capacité de se différencier en cellules du système nerveux central. Nous avons pu, de cette manière, obtenir des neurones. Le but ultime serait de pouvoir reconstituer une ébauche de cerveau in vitro, en cultivant ensemble différents types de cellules du système nerveux central, afin d'y réaliser des expériences avec des cellules immunitaires du même donneur. Ces travaux ont pour but d'améliorer notre compréhension de la pathogenèse de la sclérose en plaques et de permettre le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. --Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system leading to cognitive, sensitive and motor disabilities. MS occurs in genetically predisposed young adults with probable environmental triggers. MS affects predominantly women and its prevalence in high risk area such as Switzerland is 0.1%. Though its exact aetiology remains undetermined, we know that autoreactive T cells from de periphery are reactivated and recruited into the central nervous system (CNS) were they further activate other immune cells and resident cells, creating inflammatory foci, where oligodendrocytes and neurons are insulted and, eventually, killed. Inflammatory episodes, called relapses, are interspersed with remission phases where partial recovery of the lesions occurs. This first phase of the disease, occurring in 90% of the patients, is called relapsing-remitting MS (RR-MS) and is leading, in two-third of the cases, to secondary-progressive MS (SP-MS), where there is a continuous steady progression of the disease, associated with reduced inflammation but increased neurodegeneration. Primary-progressive MS (PP-MS) patients experience directly this progressive phase of the disease. Whereas disease modifying therapies have dramatically ameliorated the disease course of RR-MS patients by dampening immunity and, in turn, inflammation, treatments of SP-MS and PP-MS patients, who suffer primarily from the neurodegenerative aspect of the disease, are still inexistent. IL-22, a pro-inflammatory Th17 cell cytokine, has been associated with MS by participating to blood-brain barrier infiltration and CNS inflammation, which are crucial steps in MS pathogenesis. In addition, the gene coding for IL-22 binding protein (IL-22BP), which is a potent secreted IL-22 inhibitor, has been associated with MS risk. These findings call for further investigation on the role of IL-22 in MS. We detected increased IL-22 and IL-22BP in the blood of MS patients as compared to healthy controls. Acting exclusively on cells of nonhematopoietic origin, we found that IL-22 targets specifically astrocytes in the CNS and that its receptor is highly expressed in the lesion of MS patients. Unexpectedly, we found that IL-22 seems to promote survival of astrocytes. This finding, suggesting that IL-22 might be protective for the CNS in the context of MS, is consistent with recent publications and might open putative therapeutic applications at the CNS level. In parallel, with the aim of better understanding the immunopathogenesis of MS, we developed induced pluripotent stem cell (iPSC) techniques. IPSC are derived from blood cells of the donors and bear embryonic stem cell properties. IPSC can be differentiated into various cell types including CNS cells. We successfully obtained neurons derived from the donor blood cells, through iPSC. We further aim at developing astrocytes and oligodendrocytes cultures to recreate a 'brain-in-a-dish'. This would be a powerful tool to test the activity of various compounds on CNS cells, including IL-22 and other putative neuroprotective drugs. Ultimately, the goal is to develop co-cultures of CNS cells with autologous immune cells of MS patients as well as healthy controls to try to expose evidence of CNS cells targeted by autoreactive leukocytes. This prospective project has increased our knowledge of immune aspects of MS and further aims at better understanding the immunopathology of MS in order to pave the way to the elaboration of new therapeutic strategies.

Interleukin-22 is increased in multiple sclerosis patients and targets astrocytes.

BACKGROUND: Increasing evidences link T helper 17 (Th17) cells with multiple sclerosis (MS). In this context, interleukin-22 (IL-22), a Th17-linked cytokine, has been implicated in blood brain barrier breakdown and lymphocyte infiltration. Furthermore, polymorphism between MS patients and controls has been recently described in the gene coding for IL-22 binding protein (IL-22BP). Here, we aimed to better characterize IL-22 in the context of MS. METHODS: IL-22 and IL-22BP expressions were assessed by ELISA and qPCR in the following compartments of MS patients and control subjects: (1) the serum, (2) the cerebrospinal fluid, and (3) immune cells of peripheral blood. Identification of the IL-22 receptor subunit, IL-22R1, was performed by immunohistochemistry and immunofluorescence in human brain tissues and human primary astrocytes. The role of IL-22 on human primary astrocytes was evaluated using 7-AAD and annexin V, markers of cell viability and apoptosis, respectively. RESULTS: In a cohort of 141 MS patients and healthy control (HC) subjects, we found that serum levels of IL-22 were significantly higher in relapsing MS patients than in HC but also remitting and progressive MS patients. Monocytes and monocyte-derived dendritic cells contained an enhanced expression of mRNA coding for IL-22BP as compared to HC. Using immunohistochemistry and confocal microscopy, we found that IL-22 and its receptor were detected on astrocytes of brain tissues from both control subjects and MS patients, although in the latter, the expression was higher around blood vessels and in MS plaques. Cytometry-based functional assays revealed that addition of IL-22 improved the survival of human primary astrocytes. Furthermore, tumor necrosis factor α-treated astrocytes had a better long-term survival capacity upon IL-22 co-treatment. This protective effect of IL-22 seemed to be conferred, at least partially, by a decreased apoptosis. CONCLUSIONS: We show that (1) there is a dysregulation in the expression of IL-22 and its antagonist, IL-22BP, in MS patients, (2) IL-22 targets specifically astrocytes in the human brain, and (3) this cytokine confers an increased survival of the latter cells.