Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) pathogenesis and HSV gene therapy of experimental autoimmune encephalomyelitis

The aim of this thesis was to develop new herpes simplex virus (HSV) vectors for gene therapy of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the principal model of multiple sclerosis (MS), and to study the pathogenesis of wild-type HSV-1 and HSV-1 vectors in vivo. By introducing potential immunomodulatory factors into mice with EAE we strived to develop therapies and possibly find molecules improving recovery from EAE. We aimed at altering the immune response by inducing favorable Th2-type cytokines, thus shifting the immune response from a Th1- or a Th17-response. Our HSV vector expressing interleukin (IL)-5 modulated the cytokine responses, decreased inflammation and alleviated EAE. The use of a novel method, bacterial artificial chromosome (BAC), for engineering recombinant HSV facilitated the construction of a new vector expressing leukemia inhibitory factor (LIF). LIF is a neurotropic cytokine with broad functions in the central nervous system (CNS). LIF promotes oligodendrocyte maturation and decreases demyelination and oligodendrocyte loss. The BAC-derived HSV-LIF vector alleviated the clinical symptoms, induced a higher number of oligodendrocytes and modulated T cell responses. By administering HSV via different infection routes, e.g. peripherally via the nose or eye, or intracranially to the brain, the effect of the immune response on HSV spread at different points of the natural infection route was studied. The intranasal infection was an effective delivery route of HSV to the trigeminal ganglion and CNS, whereas corneal infection displayed limited spread. The corneal and intranasal infections induced different peripheral immune responses, which might explain the observed differences in viral spread.

Nuclear exclusion of transcription factors associated with apoptosis in developing nervous tissue

Programmed cell death in the form of apoptosis involves a network of metabolic events and may be triggered by a variety of stimuli in distinct cells. The nervous system contains several neuron and glial cell types, and developmental events are strongly dependent on selective cell interactions. Retinal explants have been used as a model to investigate apoptosis in nervous tissue. This preparation maintains the structural complexity and cell interactions similar to the retina in situ, and contains cells in all stages of development. We review the finding of nuclear exclusion of several transcription factors during apoptosis in retinal cells. The data reviewed in this paper suggest a link between apoptosis and a failure in the nucleo-cytoplasmic partition of transcription factors. It is argued that the nuclear exclusion of transcription factors may be an integral component of apoptosis both in the nervous system and in other types of cells and tissues.

Fever induction pathways: evidence from responses to systemic or local cytokine formation

The immune and central nervous systems are functionally connected and interacting. The concept that the immune signaling to the brain which induces fever during infection and inflammation is mediated by circulating cytokines has been traditionally accepted. Administration of bacterial lipopolysaccharide (LPS) induces the appearance of a so-termed "cytokine cascade" in the circulation more or less concomitantly to the developing febrile response. Also, LPS-like fever can be induced by systemic administration of key cytokines (IL-1ß, TNF-alpha, and others). However, anti-cytokine strategies against IL-1ß or TNF-alpha along with systemic injections of LPS frequently lead to attenuation of the later stages of the febrile response but not of the initial phase of fever, indicating that cytokines are rather involved in the maintenance than in the early induction of fever. Within the last years experimental evidence has accumulated indicating the existence of neural transport pathways of immune signals to the brain. Because subdiaphragmatic vagotomy prevents or attenuates fever in response to intraperitoneal or intravenous injections of LPS, a role for vagal afferent nerve fibers in fever induction has been proposed. Also other sensory nerves may participate in the manifestation of febrile responses under certain experimental conditions. Thus, injection of a small dose of LPS into an artificial subcutaneous chamber results in fever and formation of cytokines within the inflamed tissue around the site of injection. This febrile response can be blocked in part by injection of a local anesthetic into the subcutaneous chamber, indicating a participation of cutaneous afferent nerve signals in the manifestation of fever in this model. In conclusion, humoral signals and an inflammatory stimulation of afferent sensory nerves can participate in the generation and maintenance of a febrile response.

Frequent occurrence of nicotinic acetylcholine receptors in GABAergic neurons of the chick visual system

Double-labeling immunohistochemical methods were used to investigate the occurrence of the alpha8 and alpha5 nicotinic receptor subunits in presumptive GABAergic neurons of the chick nervous system. Nicotinic receptor immunoreactivity was often found in cells exhibiting GABA-like immunoreactivity, especially in the visual system. The alpha8 subunit appeared to be present in presumptive GABAergic cells of the ventral lateral geniculate nucleus, nucleus of the basal optic root of the accessory optic system, and the optic tectum, among several other structures. The alpha5 subunit was also found in GABA-positive neurons, as observed in the lentiform nucleus of the mesencephalon and other pretectal nuclei. The numbers of alpha8- and alpha5-positive neurons that were also GABA-positive represented high percentages of the total number of neurons containing nicotinic receptor labeling in several brain areas, which indicates that most of the alpha8 and alpha5 nicotinic receptor subunits are present in GABAergic cells. Taken together with data from other studies, our results indicate an important role of the nicotinic acetylcholine receptors in the functional organization of GABAergic circuits in the visual system.

Trypanosoma cruzi infection: a continuous invader-host cell cross talk with participation of extracellular matrix and adhesion and chemoattractant molecules

Several lines of evidence have shown that Trypanosoma cruzi interacts with host extracellular matrix (ECM) components producing breakdown products that play an important role in parasite mobilization and infectivity. Parasite-released antigens also modulate ECM expression that could participate in cell-cell and/or cell-parasite interactions. Increased expression of ECM components has been described in the cardiac tissue of chronic chagasic patients and diverse target tissues including heart, thymus, central nervous system and skeletal muscle of experimentally T. cruzi-infected mice. ECM components may adsorb parasite antigens and cytokines that could contribute to the establishment and perpetuation of inflammation. Furthermore, T. cruzi-infected mammalian cells produce cytokines and chemokines that not only participate in the control of parasitism but also contribute to the establishment of chronic inflammatory lesions in several target tissues and most frequently lead to severe myocarditis. T. cruzi-driven cytokines and chemokines may also modulate VCAM-1 and ICAM-1 adhesion molecules on endothelial cells of target tissues and play a key role in cell recruitment, especially of activated VLA-4+LFA-1+CD8+ T lymphocytes, resulting in a predominance of this cell population in the inflamed heart, central nervous system and skeletal muscle. The VLA-4+-invading cells are surrounded by a fine network of fibronectin that could contribute to cell anchorage, activation and effector functions. Since persistent "danger signals" triggered by the parasite and its antigens are required for the establishment of inflammation and ECM alterations, therapeutic interventions that control parasitism and selectively modulate cell migration improve ECM abnormalities, paving the way for the development of new therapeutic strategies improving the prognosis of T. cruzi-infected individuals.

Chemokines in the cerebrospinal fluid of patients with active and stable relapsing-remitting multiple sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory demyelinating disease of the human central nervous system. Although its etiology is unknown, the accumulation and activation of mononuclear cells in the central nervous system are crucial to its pathogenesis. Chemokines have been proposed to play a major role in the recruitment and activation of leukocytes in inflammatory sites. They are divided into subfamilies on the basis of the location of conserved cysteine residues. We determined the levels of some CC and CXC chemokines in the cerebrospinal fluid (CSF) of 23 relapsing-remitting MS patients under interferon-ß-1a therapy and 16 control subjects using ELISA. MS patients were categorized as having active or stable disease. CXCL10 was significantly increased in the CSF of active MS patients (mean ± SEM, 369.5 ± 69.3 pg/mL) when compared with controls (178.5 ± 29.1 pg/mL, P < 0.05). CSF levels of CCL2 were significantly lower in active MS (144.7 ± 14.4 pg/mL) than in controls (237.1 ± 16.4 pg/mL, P < 0.01). There was no difference in the concentration of CCL2 and CXCL10 between patients with stable MS and controls. CCL5 was not detectable in the CSF of most patients or controls. The qualitative and quantitative differences of chemokines in CSF during relapses of MS suggest that they may be useful as a marker of disease activity and of the mechanisms involved in the pathogenesis of the disease.

Imaging Neuroinflammation in Progressive Multiple Sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is a chronic autoimmune disease of the central nervous system CNS), where inflammation and neurodegeneration lead to irreversible neuronal damage. In MS, a dysfunctional immune system causes auto‐reactive lymphocytes to migrate into CNS where they initiate an inflammatory cascade leading to focal demyelination, axonal degeneration and neuronal loss. One of the hallmarks of neuronal injury and neuroinflammation is the activation of microglia. Activated microglia are found not only in the focal inflammatory lesions, but also diffusely in the normal‐appearing white matter (NAWM), especially in progressive MS. The purine base, adenosine is a ubiquitous neuromodulator in the CNS and also participates in the regulation of inflammation. The effect of adenosine mediated via adenosine A2A receptors has been linked to microglial activation, whereas modulating A2A receptors may exert neuroprotective effects. In the majority of patients, MS presents with a relapsing disease course, later advancing to a progressive phase characterised by a worsening, irreversible disability. Disease modifying treatments can reduce the severity and progression in relapsing MS, but no efficient treatment exists for progressive MS. The aim of this research was to investigate the prevalence of adenosine A2A receptors and activated microglia in progressive MS by using in vivo positron emission tomography (PET) imaging and [11C]TMSX and [11C](R)‐PK11195 radioligands. Magnetic resonance imaging (MRI) with diffusion tensor imaging (DTI) was performed to evaluate structural brain damage. Non‐invasive input function methods were also developed for the analyses of [11C]TMSX PET data. Finally, histopathological correlates of [11C](R)‐PK11195 radioligand binding related to chronic MS lesions were investigated in post‐mortem samples of progressive MS brain using autoradiography and immunohistochemistry. [11C]TMSX binding to A2A receptors was increased in NAWM of secondary progressive MS (SPMS) patients when compared to healthy controls, and this correlated to more severe atrophy in MRI and white matter disintegration (reduced fractional anisotropy, FA) in DTI. The non‐invasive input function methods appeared as feasible options for brain [11C]TMSX images obviating arterial blood sampling. [11C](R)‐PK11195 uptake was increased in the NAWM of SPMS patients when compared to patients with relapsing MS and healthy controls. Higher [11C](R)‐PK11195 binding in NAWM and total perilesional area of T1 hypointense lesions was associated with more severe clinical disability, increased brain atrophy, higher lesion load and reduced FA in NAWM in the MS patients. In autoradiography, increased perilesional [11C](R)‐PK11195 uptake was associated with increased microglial activation identified using immunohistochemistry. In conclusion, brain [11C]TMSX PET imaging holds promise in the evaluation of diffuse neuroinflammation in progressive MS. Being a marker of microglial activation, [11C](R)‐ PK11195 PET imaging could possibly be used as a surrogate biomarker in the evaluation of the neuroinflammatory burden and clinical disease severity in progressive MS.

Identification of novel retinoid receptors and their roles in vertebrate and invertebrate nervous systems

In vertebrates, signaling by retinoic acid (RA) is known to play an important role in embryonic development, as well as organ homeostasis in the adult. In organisms such as adult axolotls and newts, RA is also important for regeneration of the CNS, limb, tail, and many other organ systems. RA mediates many of its effects in development and regeneration through nuclear receptors, known as retinoic acid receptors (RARs) and retinoid X receptors (RXRs). This study provides evidence for an important role of the RA receptor, RAR~2, in ,( '. regeneration ofthe spinal cord and tail of the adult newt. It has previously been proposed that the ability of the nervous system to regenerate might depend on the presence or absence of this RAR~2 isoform. Here, I show for the very first time, that the regenerating spinal cord of the adult newt expresses this ~2 receptor isoform, and inhibition of retinoid signaling through this specific receptor with a selective antagonist inhibits tail and spinal cord regeneration. This provides the first evidence for a role of this receptor in this process. Another species capable of CNS ~~generation in the adult is the invertebrate, " Lymnaea stagnalis. Although RA has been detected in a small number of invertebrates (including Lymnaea), the existence and functional roles of the retinoid receptors in most invertebrate non-chordates, have not been previously studied. It has been widely believed, however, that invertebrate non-chordates only possess the RXR class of retinoid receptors, but not the RARs. In this study, a full-length RXR cDNA has been cloned, which was the first retinoid receptor to be discovered in Lymnaea. I then went on to clone the very first full-length RAR eDNA from any non-chordate, invertebrate species. The functional role of these receptors was examined, and it was shown that normal molluscan development was altered, to varying degrees, by the presence of various RXR and RAR agonists or antagonists. The resulting disruptions in embryogenesis ranged from eye and shell defects, to complete lysis of the early embryo. These studies strongly suggest an important role for both the RXR and RAR in non-chordate development. The molluscan RXR and RAR were also shown to be expressed in the adult, nonregenerating eNS, as well as in individual motor neurons regenerating in culture. More specifically, their expression displayed a non-nuclear distfibution, suggesting a possible non-genomic role for these 'nuclear' receptors. It was shown that immunoreactivity for the RXR was present in almost all regenerating growth cones, and (together with N. Farrar) it was shown that this RXR played a novel, non-genomic role in mediating growth cone turning toward retinoic acid. Immunoreactivity for the novel invertebrate RAR was also found in the regenerating growth cones, but future work will be required to determine its functional role in nerve cell regeneration. Taken together, these data provide evidence for the importance of these novel '. retinoid receptors in development and regeneration, particularly in the adult nervous system, and the conservation of their effects in mediating RA signaling from invertebrates to vertebrates.

Cell-selective modulation of the neuromuscular system in Drosophila

The capacity for all living cells to sense and interact with their environment is a necessity for life. In highly evolved, eukaryotic species, like humans, signalling mechanisms are necessary to regulate the function and survival of all cells in the organism. Synchronizing systemic signalling systems at the cellular, organ and whole-organism level is a formidable task, and for most species requires a large number of signalling molecules and their receptors. One of the major types of signalling molecules used throughout the animal kingdom are modulatory substances (e.x. hormones and peptides). Modulators can act as chemical transmitters, facilitating communication at chemical synapses. There are hundreds of circulating modulators within the mammalian system, but the reason for so many remains a mystery. Recent work with the fruit fly, Drosophila melanogaster demonstrated the capacity for peptides to modulate synaptic transmission in a neuron-specific manner, suggesting that peptides are not simply redundant, but rather may have highly specific roles. Thus, the diversity of peptides may reflect cell-specific functions. The main objective of my doctoral thesis was to examine the extent to which neuromodulator substances and their receptors modulate synaptic transmission at a cell-specific level using D. melanogaster. Using three different modulatory substances, i) octopamine - a biogenic amine released from motor neuron terminals, ii) DPKQDFMRFa - a neuropeptide secreted into circulation, and iii) Proctolin - a pentapeptide released both from motor neuron terminals and into circulation, I was able to investigate not only the capacity of these various substances to work in a cell-selective manner, but also examine the different mechanisms of action and how modulatory substances work in concert to execute systemic functionality . The results support the idea that modulatory substances act in a circuit-selective manner in the central nervous system and in the periphery in order to coordinate and synchronize physiologically and behaviourally relevant outputs. The findings contribute as to why the nervous system encodes so many modulatory substances.

L’amélioration de la performance et de la structure cardiaque par la moxonidine chez les SHR est accompagnée d’une diminution des cytokines, de la MAPK p38 et de l’Akt

L’hypertrophie du ventricule gauche (HVG) est un processus adaptif et compensatoire qui se développe conséquemment à l’hypertension artérielle pour s’opposer à l’élévation chronique de la pression artérielle. L’HVG est caractérisée par une hypertrophie des cardiomyocytes suite à l’augmentation de la synthèse d’ADN, une prolifération des fibroblastes, une augmentation du dépôt de collagène et une altération de la matrice extracellulaire (MEC). Ces changements génèrent des troubles de relaxation et mènent au dysfonctionnement diastolique, ce qui diminue la performance cardiaque. La suractivité du système nerveux sympathique (SNS) joue un rôle essentiel dans le développement de l’hypertension artérielle et de l’HVG à cause de la libération excessive des catécholamines et de leurs effets sur la sécrétion des cytokines pro-inflammatoires et sur les différentes voies de signalisation hypertrophiques et prolifératives. Le traitement antihypertenseur avec de la moxonidine, un composé sympatholytique d’action centrale, permet une régression de l’HVG suite à une réduction soutenue de la synthèse d'ADN et d’une stimulation transitoire de la fragmentation de l'ADN qui se produit au début du traitement. En raison de l’interaction entre l’HVG, les cytokines inflammatoires, le SNS et leurs effets sur les protéines de signalisation hypertrophiques, l’objectif de cette étude est de détecter dans un modèle animal d’hypertension artérielle et d’HVG, les différentes voies de signalisation associées à la régression de l’HVG et à la performance cardiaque. Des rats spontanément hypertendus (SHR, 12 semaines) ont reçu de la moxonidine à 0, 100 et 400 µg/kg/h, pour une période de 1 et 4 semaines, via des mini-pompes osmotiques implantées d’une façon sous-cutanée. Après 4 semaines de traitement, la performance cardiaque a été mesurée par écho-doppler. Les rats ont ensuite été euthanasiés, le sang a été recueilli pour mesurer les concentrations des cytokines plasmatiques et les cœurs ont été prélevés pour la détermination histologique du dépôt de collagène et de l'expression des protéines de signalisation dans le ventricule gauche. Le traitement de 4 semaines n’a eu aucun effet sur les paramètres systoliques mais a permis d’améliorer les paramètres diastoliques ainsi que la performance cardiaque globale. Par rapport au véhicule, la moxonidine (400 µg/kg/h) a permis d’augmenter transitoirement la concentration plasmatique de l’IL-1β après une semaine et de réduire la masse ventriculaire gauche. De même, on a observé une diminution du dépôt de collagène et des concentrations plasmatiques des cytokines IL-6 et TNF-α, ainsi qu’une diminution de la phosphorylation de p38 et d’Akt dans le ventricule gauche après 1 et 4 semaines de traitement, et cela avec une réduction de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque. Fait intéressant, les effets anti-hypertrophiques, anti-fibrotiques et anti-inflammatoires de la moxonidine ont pu être observés avec la dose sous-hypotensive (100 µg/kg/h). Ces résultats suggèrent des effets cardiovasculaires bénéfiques de la moxonidine associés à une amélioration de la performance cardiaque, une régulation de l'inflammation en diminuant les niveaux plasmatiques des cytokines pro-inflammatoires ainsi qu’en inhibant la MAPK p38 et Akt, et nous permettent de suggérer que, outre l'inhibition du SNS, moxonidine peut agir sur des sites périphériques.

Caractérisation neuro-immunitaire d'un modèle d'encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée

La sclérose en plaques est une maladie neuroinflammatoire idiopathique caractérisée par la formation de lésions focales de démyélinisation, qui apparaissent suite à l’infiltration périvasculaire de cellules immunitaires et à l’augmentation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. L’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle animal de cette maladie. Cependant, ce modèle présente des différences importantes avec la sclérose en plaques. L’objectif de ce projet de maîtrise était d’approfondir la caractérisation d’un nouveau modèle transgénique d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée, le modèle TCR1640, afin de valider celui-ci pour l’étude des phénomènes physiopathologiques qui surviennent à différents stades de la sclérose en plaques, ainsi que pour le développement de nouveaux traitements de la maladie. La souris TCR1640 porte un récepteur des cellules T (TCR) transgénique autoréactif, qui reconnaît un peptide de la myéline et déclenche une réaction auto-immune contre la myéline endogène au sein du système nerveux central (SNC). Des observations faites in situ et in vitro ont permis d’identifier des changements qui surviennent de façon très précoce dans l’unité neurovasculaire chez les animaux TCR1640 présymptomatiques, et qui sont liés à la présence d’un profil immunitaire périphérique proinflammatoire. Lors des phases actives de l’EAE spontanée, les animaux TCR1640 au stade chronique présentent une inflammation accrue du système nerveux central associée à une infiltration leucocytaire massive, par rapport aux animaux au stade aigu de la maladie. Une étude in vivo a également permis de moduler la maladie développée par des animaux ayant subi une immunisation passive avec des cellules T auxiliaires en provenance de souris TCR1640. Enfin, l’implication de nouvelles molécules d’adhésion cellulaire dans le développement et le maintien de l’EAE spontanée a été suggérée par des observations in vitro. L’ensemble de ces résultats suggère que le modèle TCR1640 présente plusieurs avantages pour l’étude de la physiopathologie de maladies neuroinflammatoires telles que la sclérose en plaques, et servira d’outil afin de valider de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Régulation moléculaire de la barrière hémo-encéphalique

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Localization and function of the endocannabinoid system throughout the retinogeniculate pathway of vervet monkeys

Le système endocannabinoïde (eCB) est présent dans le système nerveux central (SNC) de mammifères, incluant la rétine, et est responsable de la régulation de nombreux processus physiologiques. Bien que la présence du récepteur cannabinoïde de type 1 (CB1R) a bien été documenté dans la rétine de rongeurs et primates, il y a encore une controverse quant à la présence du récepteur cannabinoïde de type 2 (CB2R) au niveau du SNC. En utilisant la microscopie confocale, nous sommes les premiers à signaler les patrons d’expression du CB2R dans la rétine de singe. Nos résultats démontrent que le CB2R est exprimé exclusivement dans les cellules de Müller de la rétine du singe. En outre, nous avons comparé les différents patrons d’expression du système eCB dans la rétine de la souris, du toupaye, ainsi que du singe vervet et macaque. Nous rapportons que les distributions de CB1R, FAAH (fatty acid amid hydrolase), MAGL (monoacylglycerol lipase) et DAGLα (diacylglycerol lipase alpha) sont hautement conservées parmi ces espèces alors que CB2R et NAPE-PLD (N-acyl phosphatidylethanolamine phospholipase D) présentent différents profils d'expression. CB2R n'a pas été détecté dans les cellules neuronales de la rétine des primates. L’immunoréactivité de NAPE-PLD est présente dans les couches de la rétine de souris et toupayes, mais a été limitée à la couche des photorécepteurs des singes vervet et macaque. Pour étudier les corrélats neuronaux et le rôle de la signalisation du système eCB dans la rétine, nous avons établi un protocole standard pour l'électrorétinographie (ERG), puis enregistré la réponse ERG de la rétine après le blocage des récepteurs avec des antagonistes spécifiques pour CB1R (AM251) et CB2R (AM630). Comparé au témoin, dans des conditions photopiques, et à certaines intensités faibles du stimulus, le blocage de CB1R diminue l'amplitude de l'onde-b, alors qu’à des intensités plus élevées, le blocage de CB2R augmente l'amplitude des deux-ondes a et b. De plus, le blocage des récepteurs cannabinoïdes provoque une augmentation de la latence des deux ondes a et b. Dans des conditions d’adaptation à l'obscurité, le blocage de CB1R et CB2R réduit l’amplitudes de l'onde a seulement à des intensités plus élevées et réduit l’onde b à intensités plus faibles. Des augmentations significatives de latence ont été observées dans les deux cas. Ces résultats indiquent que les récepteurs CB1 et CB2 chez les primates non humains sont impliqués dans la fonction rétinienne conditions photopiques. En outre, nous avons évalué le profil d'expression du CB1R, de FAAH et de NAPE-PLD au-delà de la rétine dans le corps géniculé latéral des singes et nous rapportons pour la première fois que CB1R et FAAH sont exprimés davantage dans les couches magnocellulaires. La NAPE-PLD a été localisée à travers les couches magno- et parvocellulaires. Aucune de ces composantes n’est exprimée dans les couches koniocellulaires. Ces résultats nous aident à mieux comprendre les effets des cannabinoïdes sur le système visuel qui pourraient nous mener à trouver éventuellement de nouvelles cibles thérapeutiques.

Rôle des cellules endothéliales dans l’immunité innée précoce induite lors d’infections par des coronavirus murins

Les cellules endothéliales (EC) constituent une première barrière physique à la dissémination de virus pléiotropiques circulant par voie hématogène mais leur contribution à la défense innée anti-virale est peu connue. Des dysfonctions des EC de la barrière hémato-encéphalique (BMEC) et des sinusoïdes hépatiques (LSEC) ont été rapportées dans des neuropathologies et des hépatites aiguës ou chroniques d’origine virale, suggérant que des atteintes à leur intégrité contribuent à la pathogenèse. Les sérotypes de coronavirus de l’hépatite murine (MHV), se différenciant par leur capacité à induire des hépatites et des maladies neurologiques de sévérité variable et/ou leur tropisme pour les EC, représentent des modèles viraux privilégiés pour déterminer les conséquences de l’infection des EC sur la pathogenèse virale. Lors d’infection par voie hématogène, le sérotype MHV3, le plus virulent des MHV, induit une hépatite fulminante, caractérisée par une réponse inflammatoire sévère, et des lésions neurologiques secondaires alors que le sérotype moins virulent, MHV-A59, induit une hépatite modérée sans atteintes secondaires du système nerveux central (SNC). Par ailleurs, le sérotype MHV3, à la différence du MHV-A59, démontre une capacité à stimuler la production de cytokines par la voie TLR2. Les variants atténués du MHV3, les virus 51.6-MHV3 et YAC-MHV3, sont caractérisés par un faible tropisme pour les LSEC et induisent respectivement une hépatite modérée et subclinique. Compte tenu de l’importance des LSEC dans le maintien de la tolérance hépatique et de l’élimination des pathogènes circulants, il a été postulé que la sévérité de l’hépatite et de la réponse inflammatoire lors d’infections par les MHV est associée à la réplication virale et à l’altération des propriétés tolérogéniques et vasculaires des LSEC. Les désordres inflammatoires hépatiques pourraient résulter d’une activation différentielle du TLR2, plutôt que des autres TLR et des hélicases, selon les sérotypes. D’autre part, compte tenu du rôle des BMEC dans la prévention des infections du SNC, il a été postulé que l’invasion cérébrale secondaire par les coronavirus est reliée à l’infection des BMEC et le bris subséquent de la barrière hémato-encéphalique (BHE). À l’aide d’infections in vivo et in vitro par les différents sérotypes MHV, chez des souris ou des cultures de BMEC et de LSEC, nous avons démontré, d’une part, que l’infection in vitro des LSEC par le sétotype MHV3, à la différence des variants 51.6- et YAC-MHV3, altérait la production du facteur vasodilatant NO et renversait leur phénotype tolérogénique en favorisant la production de cytokines et de chimiokines inflammatoires. Ces dysfonctions se traduisaient in vivo par une réponse inflammatoire incontrôlée et une dérégulation du recrutement intrahépatique de leucocytes, favorisant la réplication virale et les dommages hépatiques. Nous avons aussi démontré, à l’aide de souris TLR2 KO et de LSEC dont l’expression du TLR2 a été abrogée par des siRNA, que la sévérité de l’hépatite et de la réponse inflammatoire induite par le sérotype MHV3, dépendait en partie de l’induction et de l’activation préférentielle du TLR2 par le virus dans le foie. D’autre part, la sévérité de la réplication virale au foie et des désordres dans le recrutement leucocytaire intrahépatique induits par le MHV3, et non par le MHV-A59 et le 51.6-MHV3, corrélaient avec une invasion virale subséquente du SNC, au niveau de la BHE. Nous avons démontré que l’invasion cérébrale du MHV3 était associée à une infection productive des BMEC et l’altération subséquente des protéines de jonctions serrées occludine, VE-cadhérine et ZO-1 se traduisant par une augmentation de la perméabilité de la BHE et l’entrée consécutive du virus dans le cerveau. Dans l’ensemble, les résultats de cette étude mettent en lumière l’importance du maintien de l’intégrité structurale et fonctionnelle des LSEC et des BMEC lors d’infections virales aigües par des MHV afin de limiter les dommages hépatiques associés à l’induction d’une réponse inflammatoire exagérée et de prévenir le passage des virus au cerveau suite à une dissémination par voie hématogène. Ils révèlent en outre un nouveau rôle aggravant pour le TLR2 dans l’évolution de l’hépatite virale aigüe ouvrant la voie à de nouvelles avenues thérapeutiques visant à moduler l’activité inflammatoire du TLR2.