Development of a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat central nervous system

Central nervous system (CNS) drug disposition is dictated by a drug’s physicochemical properties and its ability to permeate physiological barriers. The blood–brain barrier (BBB), blood-cerebrospinal fluid barrier and centrally located drug transporter proteins influence drug disposition within the central nervous system. Attainment of adequate brain-to-plasma and cerebrospinal fluid-to-plasma partitioning is important in determining the efficacy of centrally acting therapeutics. We have developed a physiologically-based pharmacokinetic model of the rat CNS which incorporates brain interstitial fluid (ISF), choroidal epithelial and total cerebrospinal fluid (CSF) compartments and accurately predicts CNS pharmacokinetics. The model yielded reasonable predictions of unbound brain-to-plasma partition ratio (Kpuu,brain) and CSF:plasma ratio (CSF:Plasmau) using a series of in vitro permeability and unbound fraction parameters. When using in vitro permeability data obtained from L-mdr1a cells to estimate rat in vivo permeability, the model successfully predicted, to within 4-fold, Kpuu,brain and CSF:Plasmau for 81.5% of compounds simulated. The model presented allows for simultaneous simulation and analysis of both brain biophase and CSF to accurately predict CNS pharmacokinetics from preclinical drug parameters routinely available during discovery and development pathways.

The potential role of environmental exposures and genomic signaling in development of central nervous system tumors

The etiology of central nervous system tumors (CNSTs) is mainly unknown. Aside from extremely rare genetic conditions, such as neurofibromatosis and tuberous sclerosis, the only unequivocally identified risk factor is exposure to ionizing radiation, and this explains only a very small fraction of cases. Using meta-analysis, gene networking and bioinformatics methods, this dissertation explored the hypothesis that environmental exposures produce genetic and epigenetic alterations that may be involved in the etiology of CNSTs. A meta-analysis of epidemiological studies of pesticides and pediatric brain tumors revealed a significantly increased risk of brain tumors among children whose mothers had farm-related exposures during pregnancy. A dose response was recognized when this risk estimate was compared to those for risk of brain tumors from maternal exposure to non-agricultural pesticides during pregnancy, and risk of brain tumors among children exposed to agricultural activities. Through meta-analysis of several microarray studies which compared normal tissue to astrocytomas, we were able to identify a list of 554 genes which were differentially expressed in the majority of astrocytomas. Many of these genes have in fact been implicated in development of astrocytoma, including EGFR, HIF-1α, c-Myc, WNT5A, and IDH3A. Reverse engineering of these 554 genes using Bayesian network analysis produced a gene network for each grade of astrocytoma (Grade I-IV), and ‘key genes’ within each grade were identified. Genes found to be most influential to development of the highest grade of astrocytoma, Glioblastoma multiforme (GBM) were: COL4A1, EGFR, BTF3, MPP2, RAB31, CDK4, CD99, ANXA2, TOP2A, and SERBP1. Lastly, bioinformatics analysis of environmental databases and curated published results on GBM was able to identify numerous potential pathways and geneenvironment interactions that may play key roles in astrocytoma development. Findings from this research have strong potential to advance our understanding of the etiology and susceptibility to CNSTs. Validation of our ‘key genes’ and pathways could potentially lead to useful tools for early detection and novel therapeutic options for these tumors.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Optimizing Western Blots for the Detection of Endogenous α-Synuclein in the Enteric Nervous System

International audience

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Emerging pathogens in the central nervous system: a cerebral abscess by Streptococcus porcinus

Brain abscesses can cause an incapacitating neurological deicit in up to 50% of patients, thus the reduction of these sequelae becomes the main goal of its timely and speciic surgical and medical treatment. With technological advances in bacteriological identiication and diagnostic imaging, the clinical suspicion can be conirmed, and the speciic etiological agent can be identiied in a larger number of cases. New pathogens have emerged through this process, such as Streptococcus porcinus, in which the ability to affect the central nervous system has not been documented. A clinical case is presented of a brain abscess in an immunocompetent patient, and its favorable response to surgical drainage t hrough a skull burr h ole and nee dle aspiration with antibiotic therapy (ceftriaxone, metronidazole and vancomycin) is discussed.

Infection of the central nervous system by Mycobacterium tuberculosis in patients infected with human immunodeficiency virus (the new neurotuberculosis)

Neurologic complications of HIV infection are numerous. This review focuses on the clinical presentation, diagnostic particularities and therapeutic issues of neurotuberculosis. The pertinent literature describing this important infection is succinctly summarized with a particular emphasis on the discussion of differences in clinical presentation between HIV-infected and -uninfected patients.

Interspecies study of the enteric nervous system and related pathologies

The enteric nervous system (ENS) modulates a number of digestive functions including well known ones, i.e. motility, secretion, absorption and blood flow, along with other critically relevant processes, i.e. immune responses of the gastrointestinal (GI) tract, gut microbiota and epithelial barrier . The characterization of the anatomical aspects of the ENS in large mammals and the identification of differences and similarities existing between species may represent a fundamental basis to decipher several digestive GI diseases in humans and animals. In this perspective, the aim of the present thesis is to highlight the ENS anatomical basis and pathological aspects in different mammalian species, such as horses, dogs and humans. Firstly, I designed two anatomical studies in horses:  “Excitatory and inhibitory enteric innervation of horse lower esophageal sphincter”.  “Localization of 5-hydroxytryptamine 4 receptor (5-HT4R) in the equine enteric nervous system”. Then I focused on the enteric dysfunctions, including:  A primary enteric aganglionosis in horses: “Extrinsic innervation of the ileum and pelvic flexure of foals with ileocolonic aganglionosis”.  A diabetic enteric neuropathy in dogs: “Quantification of nitrergic neurons in the myenteric plexus of gastric antrum and ileum of healthy and diabetic dogs”.  An enteric neuropathy in human neurological patients: “Functional and neurochemical abnormalities in patients with Parkinson's disease and chronic constipation”. The physiology of the GI tract is characterized by a high complexity and it is mainly dependent on the control of the intrinsic nervous system. ENS is critical to preserve body homeostasis as reflect by its derangement occurring in pathological conditions that can be lethal or seriously disabling to humans and animals. The knowledge of the anatomy and the pathology of the ENS represents a new important and fascinating topic, which deserves more attention in the veterinary medicine field.

Effect of host genotype and prion strain on the phenotypic heterogeneity of Creutzfeldt-Jakob disease: the peripheral nervous system involvement and the spectrum of the genetic form

The first study was designed to assess whether the involvement of the peripheral nervous system (PNS) belongs to the phenotypic spectrum of sporadic Creutzfeldt-Jakob disease (sCJD). To this aim, we reviewed medical records of 117 sCJDVV2, 65 sCJDMV2K, and 121 sCJDMM(V)1 subjects for symptoms/signs and neurophysiological data. We looked for the presence of PrPSc in postmortem PNS samples from 14 subjects by western blotting and real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC) assay. Seventy-five (41.2%) VV2-MV2K patients, but only 11 (9.1%) MM(V)1, had symptoms/signs suggestive of PNS involvement and neuropathy was documented in half of the VV2-MV2K patients tested. RT-QuIC was positive in all PNS samples, whereas western blotting detected PrPSc in the sciatic nerve in only one VV2 and one MV2K. These results support the conclusion that peripheral neuropathy, likely related to PrPSc deposition, belongs to the phenotypic spectrum of sCJDMV2K and VV2, the two variants linked to the V2 strain. The second study aimed to characterize the genetic/molecular determinants of phenotypic variability in genetic CJD (gCJD). To this purpose, we compared 157 cases of gCJD to 300 of sCJD. We analyzed: demographic aspects, neurological symptoms/signs, histopathologic features and biochemical characteristics of PrPSc. The results strongly indicated that the clinicopathological phenotypes of gCJD largely overlap with those of sCJD and that the genotype at codon 129 in cis with the mutation (i.e. haplotype) contributes more than the latter to the disease phenotype. Some mutations, however, cause phenotypic variations including haplotype-specific patterns of PrPSc deposition such as the “dense” synaptic pattern (E200K-129M), the intraneuronal dots (E200K-129V), and the linear stripes perpendicular to the surface in the molecular layer of cerebellum (OPRIs-129M). Overall, these results suggest that in gCJD PRNP mutations do not cause the emergence of novel prion strains, but rather confer increased susceptibility to the disease in conjunction with “minor” clinicopathological variations.

Nervous and muscle system development in Phascolion strombus (Sipuncula)

Recent interpretations of developmental gene expression patterns propose that the last common metazoan ancestor was segmented, although most animal phyla show no obvious signs of segmentation. Developmental studies of non-model system trochozoan taxa may shed light on this hypothesis by assessing possible cryptic segmentation patterns. In this paper, we present the first immunocytochemical data on the ontogeny of the nervous system and the musculature in the sipunculan Phascolion strombus. Myogenesis of the first anlagen of the body wall ring muscles occurs synchronously and not subsequently from anterior to posterior as in segmented spiralian taxa (i.e. annelids). The number of ring muscles remains constant during the initial stages of body axis elongation. In the anterior-posteriorly elongated larva, newly formed ring muscles originate along the entire body axis between existing myocytes, indicating that repeated muscle bands do not form from a posterior growth zone. During neurogenesis, the Phascolion larva expresses a non-metameric, paired, ventral nerve cord that fuses in the mid-body region in the late-stage elongated larva. Contrary to other trochozoans, Phascolion lacks any larval serotonergic structures. However, two to three FMRFamide-positive cells are found in the apical organ. In addition, late larvae show commissure-like neurones interconnecting the two ventral nerve cords, while early juveniles exhibit a third, medially placed FMRFamidergic ventral nerve. Although we did not find any indications for cryptic segmentation, certain neuro-developmental traits in Phascolion resemble the conditions found in polychaetes (including echiurans) and myzostomids and support a close relationship of Sipuncula and Annelida.

Preliminary biocompatibility investigation of magnetic albumin nanosphere designed as a potential versatile drug delivery system

Background: The magnetic albumin nanosphere (MAN), encapsulating maghemite nanoparticles, was designed as a magnetic drug delivery system (MDDS) able to perform a variety of biomedical applications. It is noteworthy that MAN was efficient in treating Ehrlich's tumors by the magnetohyperthermia procedure. Methods and materials: In this study, several nanotoxicity tests were systematically carried out in mice from 30 minutes until 30 days after MAN injection to investigate their biocompatibility status. Cytometry analysis, viability tests, micronucleus assay, and histological analysis were performed. Results: Cytometry analysis and viability tests revealed MAN promotes only slight and temporary alterations in the frequency of both leukocyte populations and viable peritoneal cells, respectively. Micronucleus assay showed absolutely no genotoxicity or cytotoxicity effects and histological analysis showed no alterations or even nanoparticle clusters in several investigated organs but, interestingly, revealed the presence of MAN clusters in the central nervous system (CNS). Conclusion: The results showed that MAN has desirable in vivo biocompatibility, presenting potential for use as a MDDS, especially in CNS disease therapy.

Central nitrergic system regulation of neuroendocrine secretion, fluid intake and blood pressure induced by angiotensin-II

Background: Nitric oxide (NO) synthesis has been described in several circumventricular and hypothalamic structures in the central nervous system that are implicated in mediating central angiotensin-II (ANG-II) actions during water deprivation and hypovolemia. Neuroendocrine and cardiovascular responses, drinking behavior, and urinary excretions were examined following central angiotensinergic stimulation in awake freely-moving rats pretreated with intracerebroventricular injections of N omega-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME, 40 mu g), an inhibitor of NO synthase, and L-arginine (20 ug), a precursor of NO. Results: Injections of L-NAME or ANG-II produced an increase in plasma vasopressin (VP), oxytocin (OT) and atrial natriuretic peptide (ANP) levels, an increase in water and sodium intake, mean arterial blood pressure and sodium excretion, and a reduction of urinary volume. L-NAME pretreatment enhanced the ANG-II response, while L-arginine attenuated VP and OT release, thirst, appetite for sodium, antidiuresis, and natriuresis, as well as pressor responses induced by ANG-II. Discussion and conclusion: Thus, the central nitrergic system participates in the angiotensinergic responses evoked by water deprivation and hypovolemia to refrain neurohypophysial secretion, hydromineral balance, and blood pressure homeostasis.

Kallikrein-Kinin System Mediated Inflammation in Alzheimer`s Disease In Vivo

The Kallikrein-Kinin System (KKS) has been associated to inflammatory and immunogenic responses in the peripheral and central nervous system by the activation of two receptors, namely B1 receptor and B2 receptor. The B1 receptor is absent or under-expressed in physiological conditions, being up-regulated during tissue injury or in the presence of cytokines. The B2 receptor is constitutive and mediates most of the biological effects of kinins. Some authors suggest a link between the KKS and the neuroinflammation in Alzheimer`s disease (AD). We have recently described an increase in bradykinin (BK) in the cerebrospinal fluid and in densities of B1 and B2 receptors in brain areas related to memory, after chronic infusion of amyloid-beta (A beta) peptide in rats, which was accompanied by memory disruption and neuronal loss. Mice lacking B1 or B2 receptors presented reduced cognitive deficits related to the learning process, after acute intracerebroventricular (i.c.v). administration of A. Nevertheless, our group showed an early disruption of cognitive function by i.c.v. chronic infusion of A beta after a learned task, in the knock-out B2 mice. This suggests a neuroprotective role for B2 receptors. In knock-out B1 mice the memory disruption was absent, implying the participation of this receptor in neurodegenerative processes. The acute or chronic infusion of A beta can lead to different responses of the brain tissue. In this way, the proper involvement of KKS on neuroinflammation in AD probably depends on the amount of A beta injected. Though, BK applied to neurons can exert inflammatory effects, whereas in glial cells, BK can have a potential protective role for neurons, by inhibiting proinflammatory cytokines. This review discusses this duality concerning the KKS and neuroinflammation in AD in vivo.