Dysfonctions neurovasculaires et mitochondriales dans un modèle néonatal d’ischémie cérébrale focale

Modèle d’hypoxie-ischémie

   Ce modèle a été publié en 1981 par Rice et Vannucci. Il s’agit d’une adaptation au raton P7 de la technique de Levine 27, associant une ligature de la carotide commune gauche et une hypoxémie générée par l’exposition à une atmosphère appauvrie en oxygène (FiO2=8%). La durée d’hypoxie initialement fixée à 210 minutes a été par la suite diminuée entre 90 et 150 minutes en fonction des équipes. Ce modèle présente classiquement une atteinte du cortex pariétal, de la substance blanche sous pariétale et du striatum. La morphologie de la lésion finale dépend beaucoup de la durée d’hypoxie et va de la perte neuronale sélective à l’infarctus cavitaire. Les atteintes du cortex prennent volontiers un aspect en colonnes, et les zones les plus lésées semblent correspondre aux zones les moins bien perfusées.28 Ce modèle, techniquement très accessible, a été très largement étudié, et est à ce jour le modèle le plus utilisé dans le monde. Il possède néanmoins des limites principalement liées à l’hypoxémie systémique. En effet l’hyperventilation réflexe qui en résulte génère une hypocapnie, ce qui tend à normaliser le pH malgré l’acidose lactique et à diminuer le flux sanguin cérébral par vasoconstriction réflexe. L’hypoxémie systémique joue également un rôle sur le reste de l’organisme en particulier visible par une diminution de la pression artérielle de 25 % environ. Une autre limite de ce modèle est l’atteinte à minima de l’hémisphère controlatéral qui est d’une part soumis à l’hypoxémie transitoire systémique mise en évidence en IRM 30 et d’autre part soumis aux effets délétères de la ligature de la CCA ipsilatérale. Le taux de mortalité et le taux d’échec semblent également varier d’une équipe à l’autre. Dans ce modèle d’hypoxie-ischémie (H-I) (90 minutes), 10% des animaux meurent et seulement 60% des animaux présentent une lésion

Description de la circulation cérébrale

Système artériel Le cerveau est un organe hautement vascularisé qui reçoit 20% du débit cardiaque, et un débit moyen de 100 ml/min /g de tissu cérébral. La circulation cérébrale artérielle se compose de trois artères principales interconnectées entre elles et formant le polygone de Willis. L’artère carotide commune donne deux branches: une artère carotide externe et une artère carotide interne. Les artères carotides internes vascularisent le cerveau, les artères vertébrales en arrière forment le Tronc basilaire (TB) qui vascularise les structures de la fosse postérieure (cervelet,tronc cérébral, mésencéphale). La première branche de l’artère carotide interne est l’artère ophtalmique, puis l’artère cérébrale antérieure (ACA) en avant qui perfuse le lobe frontal. La carotide interne donne ensuite naissance à l’ACM ou artère sylvienne, qui parcourt la surface corticale au sein du sillon Rolandique. Elle vascularise le cortex fronto-pariétal. En arrière, la dernière branche de la carotide interne est l’artère communicante postérieure qui vascularise le cortex occipital et les noyaux gris centraux. Le TB donne plusieurs artères cérébelleuses (supérieures, moyennes et inférieures), puis l’artère cérébrale postérieure (ACP) qui vascularise le cortex pariéto-occipital. Ce réseau artériel se divise ensuite en artères leptoméningées ou piales circulant à la surface corticale (Figure 2). Les artères piales possèdent un endothélium entouré d’une enveloppe musculaire lisse et d’une innervation périvasculaire. Les artères piales donnent naissance à des artérioles de plus petit calibre qui pénètrent dans le cortex au niveau des espaces de VirshowRobin. Les artérioles et les capillaires forment la microcirculation cérébrale. Leur structure histologique se compose d’un endothélium entouré d’une couche de cellules musculaires lisse (artérioles) ou d’une couche de péricytes sans cellule musculaire lisse (capillaires). L’innervation périvasculaire de la microcircualtion est dite intrinsèque. Elle provient de neurones, d’interneurones et d’astrocytes du cortex, d’axones en provenance de noyaux profonds des aires sous-corticales (locus coeruleus, raphé nucleus, noyaux gris centraux). L’ensemble de ces structures neurovasculaires, formées par la triade “neurone-astrocyte-microvaisseau” compose la structure anatomico-fonctionnelle appelée unité neurovasculaire (UNV).48 Cette UNV est parfois assimilée à la barrière hémato-encéphalique (BHE).
Système veineux Le système veineux cérébral comporte un système superficiel et profond. Il se compose de veines cérébrales et de sinus duraux. Le système veineux superficiel comprend les veines corticales qui drainent le sang veineux en provenance du cortex et de la substance blanche souscorticale. Les veines corticales se jettent dans plusieurs sinus veineux (longitudinal supérieur, sinus latéraux, sinus d’Hérophile). En antérieur, les veines ophtalmiques et cérébrales moyennes se jettent dans le sinus caverneux et le sinus pétreux inférieur. Le système veineux profond draine la substance blanche profonde et les noyaux gris centraux (sinus longitudinal inférieur, grande veine de Galien) 50, la fosse postérieure par les veines cérébelleuses et du tronc cérébrale (sinus occipital, sinus pétreux). Les veines jugulaires sont les voies de sortie hors de la boîte crânienne. Le système veineux cérébral, comme le système artériel, possède plusieurs anastomoses veineuses mettant en relation les veines superficielles et profondes, comme les veines anastomotiques supérieures et inférieures qui relient le sinus longitudinal supérieur au sinus transverse. Il existe également des anastomoses veineuses superficielles et des anastomoses entre le système veineux intra- et extracrânien.
Réseau anastomotique artériel Les anastomoses artérielles, ou collatérales, constituent un système complexe de vaisseaux, dont l’objectif est de pouvoir suppléer la vascularisation d’un territoire cérébral en cas d’ischémie ou d’hypoperfusion. Au 19ème siècle, Heubner fut le premier à décrire l’existence de ces suppléances artérielles entre les ACA, ACM et ACP sous le nom d’anastomoses leptoméningées. Elles existent donc de manière constitutionnelle mais peuvent également se développer au cours de processus ischémiques chroniques. On distingue les collatérales proximales au niveau des artères de la circulation cérébrale, les collatérales distales au niveau des artérioles, et les collatérales entre la circulation intra- et extra-crânienne (Figure 3). La circulation collatérale extra-crânienne naît de branches de la carotide externe. La circulation collatérale intracrânienne proximale se compose du polygone de Willis et fait communiquer la circulation cérébrale antérieure (artères carotides internes) avec la circulation cérébrale postérieure (artères vertébrales et tronc basilaire). Les ACA sont anastomosées par une artère communicante antérieure, les ACM et ACP par les artères communicantes postérieures Au niveau de la fosse postérieure, les artères vertébrales se rejoignent pour former le TB. Ce dernier donne naissance aux ACP et aux artères cérébelleuses.

Astrocyte

   Les astrocytes sont les cellules de soutien du tissu cérébral. Elles possèdent de nombreuses fonctions en particulier au sein de la BHE. Elles coordonnent les relations intercellulaires entre les microvaisseaux et les neurones. Elles ont une place centrale dans l’UNV, dans la régulation dynamique du DSC et la régulation de l’activité neuronale. Les astrocytes entretiennent des connections étroites avec les microvaisseaux par l’intermédiaire d’une interface glio-vasculaire. Ils reçoivent des informations en provenance des synapses et du milieu extracellulaire (Figure 7). Le glutamate est le principal neuromédiateur impliqué dans les processus de CNV. Par l’intermédiaire de récepteurs membranaires mGluR des astrocytes, le glutamate active une phospholipase C, qui induit une augmentation du Ca2+ intracellulaire. Le Ca2+ intracellulaire a un rôle central dans l’activation de médiateurs du CNV. D’autres voies comme celle de l’adénosine augmentent également la concentration de Ca2+. Les astrocytes propagent ces ondes calciques jusqu’aux zones d’interface glio-vasculaire. Le Ca2+ intracellulaire stimule la phospholipase A2 responsable d’une dégradation de l’acide arachidonique. Cette dégradation donne deux voies différentes selon les enzymes impliquées : soit la production de prostaglandine PGE2 via la cyclooxygénase (CoX), soit des molécules de type acides époxyeicosatriénoiques (EET) via le cytochrome P450. Ces médiateurs diffusent ensuite vers les cellules musculaires lisses. Elles provoquent une hyperpolarisation de la cellule grâce à la facilitation de l’ouverture de canaux K+. Ce mécanisme est responsable d’une vasodilatation. La voie de signalisation induite par le K+ est une voie importante dans le CNV (Figure 7). La transmission synaptique est responsable d’une libération de K+ dans le milieu extracellulaire faisant suite à la dépolarisation membranaire. Le K+ extracellulaire pénètre dans les astrocytes au niveau de la synapse, passivement par les canaux Kir ou de manière active par les pompe Na+ /K+ réparties sur les membranes astrocytaires. Ensuite le K+ semble être concentré au niveau de l’interface glio-vasculaire. Sa libération préférentielle au niveau de l’interface glio-vasculaire fait intervenir des canaux K+ de haute perméabilité et Ca2+. Les pieds astrocytaires sont riches en ces canaux K+
-voltage-dépendant ou Ca2+
-dépendant qui facilitent la transmission de l’information aux cellules musculaires lisses. Le relarguage du K+ dans l’espace glio-vasculaire induit ainsi un effet vasodilatateur. Le K+ extracellulaire agit aussi directement sur les cellules musculaires lisses vasculaires via l’ouverture de canaux K+ membranaires. Ces canaux K+ sont largement répartis sur les membranes autour des synapses et au niveau des parois vasculaires. L’entrée de K+ dans les cellules musculaires lisses provoque une hyperpolarisation, puis une myorelaxation et finalement la vasodilatation.

Cellule endothéliale vasculaire

   Au niveau de la microcirculation cérébrale, la paroi vasculaire interne se compose d’une couche de cellules endothéliales vasculaires. Elle constitue l’interface vasculaire de la BHE. Cet endothélium possède des caractéristiques spécifiques de jonction intercellulaires de type serrées dont le rôle est important pour les fonctions d’imperméabilité de la BHE. L’endothélium est en relation avec les éléments figurés du sang (globules rouges, leucocytes, plaquettes) et les protéines plasmatiques. Les interactions « endothélium-sang » limitent le passage des cellules et protéines hors des vaisseaux. L’endothélium contrôle le transit des molécules énergétiques, des nutriments et des substances toxiques vers les neurones et la glie. Il possède à sa surface de nombreux transporteurs spécifiques pour les ions (Na+, K+), les peptides (acides aminés) et les nutriments (lactate, glucose). L’endothélium est un site important de synthèse de médiateurs vasoactifs (Figure 2). en particulier la synthèse et la libération de NO. Les principaux médiateurs vasoactifs synthétisés sont le NO, les prostaglandines, et l’endothéline. Le NO est synthétisé grâce à une NO-Synthase (NOS) d’origine endothéliale (eNOS). D’autres NOS ont été mis en évidence, neuronale (nNOS) et inductible (iNOS). Le NO diffuse facilement dans les cellules musculaires lisses. Il agit sur la guanylate cyclase qui permet la synthèse de GMP cyclique. Le GMPc est responsable d’une relaxation des fibres musculaires lisses (voie de signalisation PKG, ouverture canaux K+, sortie de Ca2+). Les inhibiteurs du NO ré-versent cet effet vasodilatateur. Le NO est également impliqué dans la transmission du signal de vasodilatation rétrograde par diffusibilité vers les cellules endothéliales et les cellules musculaires lisses adjacentes (Figure 6). L’acide arachidonique est un précurseur de plusieurs médiateurs vasoactifs de type prostaglandines. La CoX dégrade l’acide arachidonique en prostaglandine PGE2 et PGI2. Ces médiateurs sont diffusibles et induisent une vasodilatation. Enfin, l’endothéline (ET) est une substance vasoactive également synthétisée par les cellules endothéliales. Elle possède plusieurs isoformes dont l’ET-1 est le plus répandu au niveau des microvaisseaux cérébraux. En situation physiologique, elle induit une vasodilatation.

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Table des matières

1 — Introduction
1.1 — Ischémie cérébrale focale du nouveau-né
1.1.1 — Epidémiologie
1.1.2 — Physiopathologie
1.1.2.1 — Principaux modèles néonataux d’ischémie cérébrale focale chez le rat
1.1.2.2 — Modèle d’ischémie focale par occlusion endovasculaire de l’ACM
1.1.2.3 — Modèle d’hypoxie-ischémie
1.1.2.4 — Modèle d’ischémie focale transitoire par électrocoagulation de l’ACM
1.2 — La circulation cérébrale
1.2.1 — Description de la circulation cérébrale
1.2.1.1 — Système artériel
1.2.1.2 — Système veineux
1.2.1.3 — Réseau anastomotique artériel
1.2.2 — Régulation de la perfusion cérébrale
1.2.2.1 — Principes hémodynamiques
1.2.2.2 — Unité Neurovasculaire
1.2.2.2.1 Une organisation en réseau
1.2.2.2.2 Astrocyte
1.2.2.2.3 Cellule endothéliale vasculaire
1.2.2.2.4 Péricytes
1.2.2.2.5 Innervation périvasculaire
1.2.2.2.6 Cellule musculaire lisse vasculaire
1.2.2.3 — Modèle de vasodilatation rétrograde
1.2.2.4 — Autorégulation cérébrale
1.2.2.5 — Vasoréactivité cérébrale au CO2
1.2.3 — L’ischémie cérébrale
1.2.3.1 — Dysfonctions macrocirculatoires
1.2.3.2 — Dysfonctions microcirculatoires
1.2.3.2.1 Barrière hémato-encéphalique
1.2.3.2.2 Endothélium vasculaire
1.2.3.2.3 Membrane basale
1.2.3.2.4 Reperfusion de la microcirculation
1.2.4 — La reperfusion
1.2.4.1 — Lésions induites par la reperfusion
1.2.4.2 — Stress oxydatif
1.2.4.3 — Influence du pH intracellulaire
1.2.5 — La mitochondrie au cours de l’ischémie cérébrale
1.2.5.1 — Le Pore de perméabilité membranaire mitochondrial
1.2.5.1.1 Ancien et Nouveau paradigmes
1.2.5.1.2 Constitution du pore mPTP
1.2.5.1.3 Ischémie cérébrale adulte
1.2.5.1.4 Ischémie cérébrale du cerveau immature
1.2.5.1.4.1 Modèles d’ischémie anténatale
1.2.5.1.4.2 Modèles d’ischémie postnatale
1.2.5.2 — Le métabolisme oxydatif
1.2.5.2.1 Explorations de la respiration mitochondriale
1.2.5.2.2 Ischémie cérébrale du cerveau adulte
1.2.5.2.3 Ischémie cérébrale du cerveau immature
2 — Objectifs des travaux de recherches au cours du doctorat
3 — Matériels et méthodes
3.1 — Procédures chirurgicales expérimentales
3.1.1 — Modèle néonatal d’ischémie-reperfusion
3.1.2 — Protocole de mesure du volume de l’infarctus
3.1.3 — Protocole de traitement par la Ciclosporine A
3.1.4 — Protocole de Postconditionnement ischémique
3.1.5 — Monitorage des paramètres physiologiques sanguins
3.2 — Explorations mitochondriales
3.2.1 — Préparation des mitochondries isolées
3.2.2 — La microscopie électronique
3.2.3 — Mesure de la capacité de rétention du Ca2+ mitochondrial
3.2.4 — La consommation d’oxygène mitochondriale
3.3 — Analyse histochimique par Western blot
3.4 — Explorations radio-isotopiques
3.4.1 — La mesure quantitative multifocale du DSC
3.5 — Explorations des débits et flux sanguins cérébraux
3.5.1 — Le Doppler ultrasons
3.5.2 — Laser Doppler et Laser imageur tissulaire
4 — Résumés et articles de la thèse
4.1 — Article 1 : Evaluation de la Ciclosporine A dans un modèle d’ischémie cérébrale focale transitoire chez le raton P7
4.2 — Article 2 : Le postconditionnement ischémique dans un modèle d’ischémie cérébrale transitoire néonatale
4.3 — Article 3: Imagerie dynamique de la reperfusion précoce dans un modèle d’ischémie cérébrale néonatal
5 — Discussion
5.1 — Discussion à propos de l’article 1
5.2 — Discussion à propos de l’article 2
5.3 — Discussion à propos de l’article 3
5.4 — Conclusion Générale
6 — Références bibliographiques

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