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Physiopathologie de la barrière Hémato‐Encéphalique
http://www.ipmc.cnrs.fr/~duprat (Rubrique "Enseignement")
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 1
Dr Fabrice DUPRATInstitut de Pharmacologie Moléculaire et Cellulaire Décembre 2009
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Plan• I) Vascularisation cérébrale• II) Concept de BHE• III) Composantes de la BHE) p• IV) Zones du cerveau sans BHEV) BHE d i téb é• V) BHE des invertébrés
• VI) Physiologie• VII) Méthodes d'étude• VIII) Pathologies• VIII) Pathologies• IX) Conclusion
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I) Vascularisation cérébrale
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STRUCTURE DES VAISSEAUX
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Structure artérielle
Aorte Thoracique Artère BasilaireAorte Thoracique Artère Basilaire
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PROPRIETES DES VAISSEAUXPROPRIETES DES VAISSEAUX
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EFFETS DE LA PRESSION
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Circulation cérébraleCirculation cérébrale
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Types de vascularisation
Anastomotique Terminale
Efficacité + +++Efficacité : + +++
Risque anoxique : ‐‐ ++
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Risque anoxique : ++
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Anastomosesasto oses1) Extra‐ et intra‐ crâniennes :C tid t t i t ( tè ht l i )‐ Carotide externe et interne (artère ophtalmique)
‐ Vertébrale et cervicale ascendante (au niveau des muscles du cou)
2) Cortex :‐ Anastomoses terminales en surface‐ Pas d'anastomoses profondes‐ Pas d anastomoses profondes
3) Base du crâne :‐ Polygone ou cercle de WILLISPolygone ou cercle de WILLIS
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II) Concept de BHE
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Les observationsLes observations
SNC t è l é bl• SNC très vulnérable• Concentrations ioniques (Na+, K+, Ca2+) très réguléesrégulées
• Forte demande métabolique (20% de la conso O2)T è ibl i• Très sensible aux neurotoxiques
• 100 milliards de capillaires dans cerveau= 650 km, 20 m2, 8‐20 nm / neurone
==> Nécessite une protection sélective / sang• 90% des candidats‐médicaments à visée cérébrale ne traverse pas la BHE
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Historique du concept de BHEHistorique du concept de BHE
I j i d’ l h d l bl d l• Injection d’un colorant hydrosoluble dans le sang marque tous les organes sauf le SNC (Ehrlich 1885)I j ti d bl t d l li id é éb i l• Injection de bleu trypan dans le liquide cérébro‐spinal (CSF) marque tous le cerveau mais pas la périphérie (Goldmann 1913)(Goldmann 1913)
• Terme "bluthirnschranke" = BHE (Lewandowsky 1900)• Tentative de détermination des propriétés• Tentative de détermination des propriétés électrochimiques des solutés passant la BHE (Friedemann 1942)( )
• Description de la présence de jonctions serrées (Reese& Karnovsky 1967)
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y )
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)II) Circulation cérébrale
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)III) Composantes de la BHE
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Description anatomique de la BHEDescription anatomique de la BHE
• U l ll l d théli l (EC) té i é• Une seule cellule endothéliale (EC) caractérisée par:
‐ Beaucoup de mitochondries‐ pas de fenestration‐ peu de pinocytose
présence de jonctions serrées (TJ)‐ présence de jonctions serrées (TJ)
• Présence de péricytes (PC)
• Lame basale (BL, matrice extracellulaire):‐ Epaisse membrane de 30‐40 nmEpaisse membrane de 30 40 nm‐ Composée de collagène type IV, héparine sulfate protéoglycane, laminine,
fibronectine‐ Contigue aux terminaisons des astrocytes (AC)
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Contigue aux terminaisons des astrocytes (AC)
Oldendorf 1977, Fenstermacher 1988, Sedlakova 1999, Kniesel 2000, …
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Notion d' "Unité neurovasculaire"Notion d Unité neurovasculaire
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Vaisseaux sanguins
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Structure des vaisseauxStructure des vaisseaux
Cleaver Nature Medicine 2003
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Capillairesp
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Capillairesp
Discontinu
Fenestrae (diaphragme perméable de 100 nm)
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http://www.udel.edu/biology/Wags/histopage/empage/ebv/ebv.htm
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Neurones
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NeuronesNeurones
Pathologies ou le débit et/ou la pression sanguine sont modifiés. ‐> modification de perméabilité de la BHEp= Mécanisme sélectif de compensation ?
Communication avec les neurones régule la débit ET la perméabilité de la BHE
Innervation directe de l'endothélium microvasculaire et/ou des astrocytes par les neurones:‐ Noradrénergiques‐ Cholinergiques‐ GABA‐ergiques
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‐ Sérotonergiques
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Cellules glialesg
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Glie
Oligodendrocytes(gaine de myéline)(gaine de myéline)
Pi d t t i
Microglie(immunité)
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Pied astrocytaire
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Glie
Pied astrocytaire
Astrocytes
Pied astrocytaire
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y
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AstrocytesAstrocytes1) Greffe d'un morceau de cerveau immature non vascularisé dans la cavité cœlomique d'un embryon (‐> péritoine) ) ff ' é ( l2) Greffe d'un morceau de mésoderme (‐> muscles, sang, vaisseaux, etc …) dans un ventricule cérébral
Résultat de la néovascularisation :1) Lame basale épaisse, cellules endothéliales avec de nombreuses
mitochondries peu de vésicules de pinocytose nombreusesmitochondries, peu de vésicules de pinocytose, nombreusesjonctions serrées. => injection de bleu trypan reste localisée
2) Cellules endothéliales avec peu de mitochondries, beaucoup de vésicules de pinocytose peu de jonctions serrées => injection devésicules de pinocytose, peu de jonctions serrées. => injection de bleu trypan diffuse en‐dehors de la greffe
Interaction nécessaire avec le tissu nerveux
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 27Stewart & Wiley 1981
Interaction nécessaire avec le tissu nerveux
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AstrocytesCortex de ratCortex de rat
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AstrocytesRôle actif:
• Couvre 90% de l'endothélium
• Nombre croissant avec l'évolution
• Reçoit des signaux des neurones :‐ présence de récepteurs pour la plupart des neuromédiateurs
d l t t l f t l' t i d é t ti‐ module notamment la forme et l'extension du réseau astrocytique
• Signalisation par vagues calciques (ATP, récepteurs purinergique)
• Subit un remodelage et une forme de plasticité
• Sécrète des substances neuroactives tels que glutamate, eicosanoides, stéroides, neuropeptides, facteurs de croissance: TGFa, GDNF (glial derived neurotrophicfactor))
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factor))
• Rôle dans l'induction et le maintient de la BHE
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Unité gliovasculaireg
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Unité gliovasculaireg
Nombreux transporteurs sur les boutons terminaux:Aquaporine 4 = spécifique de l'interface gliovasculaire
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q p p q g
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Couplage neurovasculaire
Neurones glutamate Activité électriquelocale
Cellules gliales
locale
mGluRCe u es g a es mGluR
Calcium intracellulaireCalcium intracellulaire
COXCOX
PG
Cellules musculairesl ti
Augmentation
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lisses vasculairesrelaxation
g
débit sanguin local
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Couplagesp g
Artérioles
Couplageneurovasculaire Muscle lisse
Artérioles
Débit sanguin
astrocyteneurone
CouplageCouplageneurométabolique(stimule glycolyse)
Capillaires
CouplageNeurobarrière
(activité GLUT‐1) ?
Endothélium
Transport
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(activité GLUT 1) ? TransportBHE
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Couplage neurovasculaireCouplage neurovasculaire• Le couplage entre débite coup age e t e déb tsanguin et activiténeuronale est la base deneuronale est la base del'imagerie cérébralef ti ll (IRM PETfonctionnelle (IRM, PET,SPECT, …)
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Régulations par les astrocytes
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Anderson TINS 2003
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PéricytesPéricytes
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Péricytesy
• Présents dans les microvaisseaux(capillaires, veinules, artérioles)
• Cellules contenant des protéines contractiles
• Sécrète de l'angiopoietine qui stabilise la BHE
• Facteurs Tie‐2 PDGF‐B N‐cadherinFacteurs Tie 2, PDGF B, N cadherinnécessaires aux interactionspéricytes‐endothélium
• Rôle dans la maturation desRôle dans la maturation des vaisseaux et de support structural
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Lame basale
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Matrice extracellulaire
• La MEC est maintenue par ç endothéliale et astrocytes• La MEC est maintenue par ç endothéliale et astrocytes
• Rupture pathologique de la matrice extracellulaire (MEC) p p g q ( )fortement liées à l'augmentation de la perméabilité de la BHE
• Protéines de la MEC (collagène type IV, laminine, …):‐ sert d'ancrage à l'endothélium via interaction avec les
récepteurs aux intégrines et dystroglycane (récepteursrécepteurs aux intégrines et dystroglycane (récepteurs d'adhésion de la matrice)
‐ influence l'expression des protéines des jonctions p p jserrées
Implication dans la maintenance de la BHE
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MEC
Collagene type IV laminineCollagene type IV
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Tilling et al. Cell Tissue Res. 2002
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Endothélium vasculaire
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Les jonctions intercellulairesLes jonctions intercellulaires
Jonction adherens desmosome
Jonction gap Jonction serréeg p Jonction serrée
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Endothélium: Jonctions gapEndothélium: Jonctions gap
• Présence entre les cellules endothéliales de la BHE ?• Communication intercellulaire ?
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Endothélium: Jonctions adherens: rôles
• Ubiquitaire dans la vasculature• Adhésions entre cellules endothélialesAdhésions entre cellules endothéliales• Inhibition de contact lors de la croissance et le
d lremodelage
• Initie polarité cellulairep• Régulation de la perméabilité paracellulaire
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Endothélium: J ti dh itiJonctions adherens: composition
• VE‐Cadherine (vascularendothelial)
• Intéraction homophiliqueentre domaines extracellulaires
• Régulée par le calcium• Queue cytoplasmique
interagit avec la β‐catenine et la plakoglobine, liée via l'α‐catenine, α‐actinine et vinculine à l'actine du t l tt
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cytosquelette
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Endothélium: Jonctions serrées: rôles
• Structures complexes qui relient les espaces intercellulaires des épithéliums et des endothéliumsp
• = LE PRINCIPAL ACTEUR de la faible perméabilité paracellulaire(haute résistance électrique), donc de la BHE
• Rôle de séparation entre les membranes apicales et• Rôle de séparation entre les membranes apicales et basolatérales, permettant une distribution assymétrique des constituants membranaires
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Endothélium: Jonctions serrées: composition
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Endothélium:Jonctions serrées BHE: compositionJonctions serrées BHE: composition
• JAM‐1 (Junctional Adhesion Molecule)40kDa, superfamille des IgG+ JAM‐2, JAM‐3, rôle ?
• Occludine65kDa, 4 STM, augmente RC‐terminus associe avec ZO‐1 et ZO‐2(zona occludens)
• Claudines24 kDa, 24 membres
• MAGUK(Membrane‐Associated GUanylate Kinase‐like proteins)ZO‐1 (zona occludens, 220 kDa), lien actine + signaling ?ZO 2 (160 kD ) li j ti é f t t i ti
• Autres protéinesCinguline (160kDa), liée à ZO‐1, JAM‐1 et myosine
ZO‐2 (160 kDa), lien jonction serrée + facteurs transcription
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Cinguline (160kDa), liée à ZO 1, JAM 1 et myosineAF‐6 (180 kDa), ras‐associated domains7H6 (155 kDa), rôle ?
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Endothélium:Jonctions serrées: signalisation
• Augmentation calcium intracellulaire = augmente perméabilité BHE
l ll l é b l é• Diminution calcium extracellulaire = augmente perméabilité BHE
• Nombreuses phosphorylations• Nombreuses phosphorylations‐ PP Serine régule la localisation subcellulaire de l'occludine‐ perméabilité liée à la PP de ZO‐1p
• Protéines Géi G hé é i é i é d d héli l‐ Protéines G hétérotrimériques présentent dans ç endothéliales
‐ GTPases de la famille de Rho présentent
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Unité neurovasculaire(glioneurovasculaire)
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IV) Z d BHEIV) Zones du cerveau sans BHE
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Zones du cerveau sans BHEZones du cerveau sans BHE
Plexus choroïdes
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Plexus choroïdesPlexus choroïdes
• Composée d'une monocouche de cellule pseudo‐épithéliales, beaucoup de mitochondries, jonctions serrées
E ithéli "l h " ibilité d• Epithélium "lache" avec possibilités de passage• Microvascularisation avec fenestrations d’où:
é bili é i lé l h d hil d li id‐ perméabilité petites molécules hydrophiles dans liquide interstitiel
molécules polaires limitées‐molécules polaires limitées
‐ perméabilité paracellulaire limitée par jct serrée
S f BHE 5000 > f LCR• Surface BHE 5000x > surface sang‐LCR
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Plexus ChoroïdesPlexus Choroïdes
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Plexus choroïdes: transportsp
Capillaires sanguins
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Exemple: l'azidothymidine (antiHIV) passe la barrière sang‐LCR
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Liquide céphalorachidien (LCR)Liquide céphalorachidien (LCR)
V l t t l d LCR 150 270 l (~25% d• Volume total de LCR =150–270 ml (~25% dansventricules)
• Production (0.4 ml/min) dans les 4 plexus choroïdes:‐ 2 dans les ventricules latéraux2 dans les ventricules latéraux‐ 1 dans le IIIème ventricule‐ 1 dans le IVème ventricule
• Circulation dans les ventricules puis passe dans p pl'espace subarachnoïde et finalement dans le sang veineux au niveau des granulations arachnoïdiennes
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Circulation LCR
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 57Ransohoff Nat Rev Immunol 2003
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Pathologie: Hydrocéphalieg y p
Déf t d’é ti d LCRDéfaut d’évacuation du LCR
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enfants‐hydrocephales‐dafrique.com
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Zones du cerveau sans BHEZones du cerveau sans BHE
Les Organes Circumventriculaires
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Organes Circumventriculaires (9)Organes Circumventriculaires (9)Plexus choroïdes
l d é lGlande pinéale
Plexus choroïde
Area postrema
Organe subfornical
Eminence
Organe subcommissuraleOrgane vasculaired l l t i l
Organe subfornical
Eminencemédiane
Neurohypophyse(hypophyse postérieure)
de la lame terminale
Organe
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(hypophyse postérieure)paraventriculaire
Joly et al. Sem Cell Dev Biol 2007
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Organes Circumventriculaires: structure
IIIème ventricule Exemple:é i édiéminence médiane
tanycyte
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Joly et al. Sem Cell Dev Biol 2007
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Organes Circumventriculaires: rôles
• Rôle de détection (équilibre hydrominérale):(Organe subfornical, Organe vasculaire de la lame terminale)( g , g )
‐ Osmolarité du plasma soif‐ Récepteurs au sodium‐ Récepteur au calcium
• Régulation cardiovasculaire:
é l d b é é
(Organe subfornical, area postrema)‐ Récepteurs à l'angiotensine II, vasopressine
• Régulation des besoins énergétiques :(area postrema, Organe subfornical, Organe vasculaire de la lameterminale )terminale …)
‐ Détection de glycémie‐ Détection de peptides, ghreline (sécrété par estomac vide),
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p p g ( p )amyline (cosécrété avec insuline) satiété
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V) BHE des invertébrés
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BHE des invertébrésdrosophile humain
Complexesub‐apical Jonctionsub apical
Jonctionadhérente
serrée
JonctionProtéines transmembranaires:Jonctionseptée
adhérenteProtéines transmembranaires:Crb, CrumbsCad, cadherinNrx, neurexinClau, claudinOcc, occludinHer, human epithelial growth factor receptor
Protéines PDZ:Dlt, dics lostPati,Pals‐associated tight junction protein
Protéines MAGUK:
Protéines ERM:DMoe, DrosophilamoesinEzrin
Autres protéines:Baz/PAR3, BazookaaPKC, atypical protein kinase C
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Protéines MAGUK:Sdt, StardustPals, protein associated with Lin‐7Dlg, discs large;ZO, zonula occludens
EzrinProtéines LAP:LRR: leucin‐rich repeats
PAR, polarity proteinCat, cateninLgl, Lethal giant larvae
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BHE des invertébrésJonction septée (embryon drosophile)Neurexin IV et neuroglian ‐/‐g
Jonction septée
Ç gliales
Jonction septée
eline
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Banerjee Cell Biochem Biophys 2006Banerjee Ann Rev Neurosci. 2007xones
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VI) Physiologie de la BHE
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VI‐A) Rappels transports membranaires
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Types de transports membranairesTypes de transports membranaires
Symports GradientsA et B
UniportsAntiports
A B A+A+ C
B+ ATP
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Mécanismes de diffusion
Diffusion passive au travers de la membrane
Tend vers l'équilibre des concentrations
Gradient de [A](ex: tétracycline)Diffusion passive au travers de la membrane
Gradient de [C]Qté transportée
Diffusion passive (transporteurs non sélectifs)(ex: beta‐lactames)
‐ Transport peu ou pas spécifique‐ Symétrique‐ Non saturable
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Gradient de [ ]
Non saturable
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Diffusion facilitée (canaux sélectifs)Tend vers l'équilibre des concentrations
Gradient de [A]
Gradient de [C]Qté transportée
‐ Transport spécifique‐ Non symétriqueSaturable‐ Saturable
‐ Régulation (inhibiteurs, activateurs)‐ Expression tissus‐spécifique
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Gradient de [ ](ex: imipenem, catécholamines)
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Protéines canalProtéines canal
KcsAKcsA
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Superfamille des Porines
Aquaporines (18 genes)
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Mécanismes actifsl'é à
Gradient de [A]CA C
Consomment de l'énergie et tendent à concentrer dans un compartiment
ATPTransports actifs secondaires(H+, Na+, …)
Transports actifs avec consommation d’ATP
Gradient de [C]( , , )
Qté transportée
‐ Transport spécifique‐ Q10 élevéQ10 élevé‐ Non symétrique‐ Saturable‐ Régulation (inhibiteurs, activateurs)
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Gradient de [ ]
Régulation (inhibiteurs, activateurs)‐ Expression tissus‐spécifique
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Superfamille gènes ABC (49)p g
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Structure protéines ABC
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Vautier J Pharm Clin 2006
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Transporteurs ABCGlycoprotéine P (Pgp) :
• Gène MDR1 (MultiDrug Resistance) ou ABCB1S f ill d t t ABC (t t tif ATP d t)• Superfamille des transporteurs ABC (transport actif ATP‐dpt)
• Rôle dans le phénomène de résistance multiple aux drogues (MDR) = capacité des cellules à développer une résistance croisée vis‐à‐vis d'un large spectre de drogues structurellement et fonctionnellement différentes (près de 1000 substrats)drogues structurellement et fonctionnellement différentes (près de 1000 substrats).• Présent sur membrane luminale des capillaires BHE retour dans le sang de molécules• Présent sur mb apicale de l'épithélium des plexus choroïdes LCR
Barrière sang‐LCR
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 76Deeken Clin Cancer Res 2007
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Transporteurs ABCMultiple Resistance Protein (MRPs):
• Gène ABCC1 à C6Gène ABCC1 à C6• Membrane basolatérale des plexus choroïdes•Membranes endothéliales
Breast cancer‐resistant protein (BCRP):
• Gène ABCG2• Membrane luminal
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 77Deeken Clin Cancer Res 2007
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Substrats transporteurs ABC
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 78Deeken Clin Cancer Res 2007
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Transports des ionsp
O i A i T t (OAT)Organic Anion Transporter (OAT):
‐ Fonctionne en antiport avec les gradients ioniquesOAT1 dans plexus choroïde‐ OAT1 dans plexus choroïde
‐ OAT2 sur membrane apicale et basolatérale de l'endothélium‐ OAT3 sur membrane basolatérale‐ OATP‐A (Organic Anion Transporting Polypeptide) sur l'endothélium‐ OATP‐A (Organic Anion Transporting Polypeptide) sur l endothélium‐ OATP‐2 (anions organiques) et OATP‐14 (hormone thyroides)
Organic CationTransporter (OCT):
‐ OCT2 présent dans plexus choroïde‐ OCTN2 : transport de carnitine
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Autres transporteurs
Transport des acides aminés: Transport des nucléosidesTransport des acides aminés:
‐ LAT1 (gros acides aminés neutres)ATA2 (petits acides aminés neutres)
Transport des nucléosides:
‐ CNT2‐ ATA2 (petits acides aminés neutres)‐ CAT1 (aa cationiques)‐ EAAT1,2,3 (aa anioniques)‐ ASCT2 (L‐asp L‐glu)
L‐lactate, monocarboxylates:ASCT2 (L asp, L glu)
‐ TAUT, ASC, ….. ‐MCT1
Transport des neurotransmetteurs:
GAT2/BGT1 ( b )
Créatine:
‐ GAT2/BGT1 (gaba)‐ SERT (sérotonine)‐ NET (norépinéphrine)
‐ CRT
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Transport du glucose
Transporteurs: GLUT1 et GLUT‐3
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VI‐B) Transporteurs de la BHE) p
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Transporteurs de la BHETransporteurs de la BHE
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Transporteurs de la BHETransporteurs de la BHE
• Propriétés physicochimiques de 18 molécules traversant bien la BHE:
‐ peu de donneur de liaison hydrogène
‐ peu de charge positivepeu de charge positive
‐ très lipophile
pe de s rface polaire‐ peu de surface polaire
‐ peu de flexibilité (forte permèabilité membanaire)
Diffusion passive :
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Mesure des flux au travers de la BHEMesure des flux au travers de la BHE
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Un équilibre complexe
Equilibre entre transports entrants (influx)
et sortants (efflux)
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Transcytoseb) T t é ifi• b) Transcytose non spécifique
= adhésion non spécifique de molécules polycationiques
• a) Transcytose médiée par des récepteurs‐ liaison du ligand
d‐ endocytose‐ transcytose‐ exocytoseexocytose
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Transcytose médiée par des récepteurs
• Récepteurs à la transferrineécepteu s à a t a s e eGlycoprotéine (2x90kDa), transferrine = cargo pour le fer
Greffe de transferrine sur une molécule (ex: antiviral azidothymidine) permet son transport
• Récepteurs à l'insulineGlycoprotéine (300 kDa)
• Récepteurs à "insulin‐like growth factor"Glycoprotéine (300 kDa)
• Low density lipoprotein receptor related protein 1, 2Structuralement proche des récepteurs LDLLa mélanotransferrine (p97) passe par LRP1.L'adriamycine‐p97 (anticancéreux) à pu être sélectivement ciblée dans le cerveauL adriamycine p97 (anticancéreux) à pu être sélectivement ciblée dans le cerveau (souris).
• Récepteur à la toxine diphtérique(dé é ) l é éd l
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CRM197 (dérivé non toxique) utilisé comme vecteur pour médicament visant le cerveau
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Migration des leucocytes• Migration des leucocytes à travers la BHE est très régulée:
‐ Si accumulation: inflammation‐ Si imperméable: pas de surveillance immunitaire
• Migration principalement par voie paracellulaire
• Possibilité de transcytose ?
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 89
Greenwood Vasc Pharm 2002
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Migration des leucocytesInteraction leucocyte/endotheliumvia ICAM (InterCellular Adhesion Molecule) membranaires ou solublesvoies rho/racsignal calcique endothélialrétraction de la membranemigration des leucocytes
Migration lymphocyte (rétine)
G d V Ph 2002Greenwood Vasc Pharm 2002
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 90Engelhardt J Neural Transm 2006
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VII) Méthodes d'étude de la BHE
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Modèles in silicoModèles in‐silico
• Phase préliminaire de la recherche d'un nouveau médicament
• Modèles simples basés sur propriétés physico‐chimiqueschimiques
• Préselection parmi des milliers de molécules
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 92
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Choix d'une méthode in vitroChoix d une méthode in‐vitro
– Coût– Capacité (haut débit)– Durée– Proche ou non de l'in‐vivo:– Proche ou non de l in‐vivo:jonctions, transporteurs, transcytose, …
– Reproductible
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Capillaires cérébraux isolésCapillaires cérébraux isolés
Avantages:
Très proche de l'in‐vivoTrès proche de l in vivo
Inconvénients:
Limité au passage subluminal vers luminalLimité au passage subluminal vers luminal
Faible capacité
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BHE in‐vitroC ll l d théli l lt i i ( t i ) t d ll èCellules endothéliales en culture primaires (rat, souris) sur support de collagèneLignées immortalisées de rat (RBE4), souris (cEND) ou humaine (SV‐HCEC)Lignée non cérébrales
+ Eventuellement coculture avec cellules glialesRouge: vimentine (endothélium)Vert: occludine (jct serrées)(j )
Cecchelli 2007Nat Rev Drug Discov
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 95
Rouge: glial fibrillary acidic proteinVert: ED‐1, microglie
g
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BHE in vitroBHE in‐vitro
Test de transport sur BHE in‐vitro
Test de fixation sur récepteurs BHE in‐vitro
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Culture 3D
• Tubules recouvert de cellules endothéliales, ,coculture avec cellules gliales
EspaceEspaceextracapillaire
Cellules endothéliales
lumière
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 97
Stanness Brain Res 1997
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Paramètres mesurésLDL fixé Brain Uptake Index (in‐vitro)
Résistance électrique
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Cecchelli 2007Nat Rev Drug DiscovPerméabilité
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Mesures in‐vivoSur rats et souris:
• Injection intraveineuse[ ] / [ ] / [ l ]‐mesure [cerveau] et/ou [LCR] / [plasmatique]
Attention les barrières sang‐LCR et BHE sont différentes.
Ex: Azidothymidine passe dans le LCR mais ne passe pas la BHE
• Injection intra carotidienne mesure d'un ratio de 14C et 3H = BUI(Brain Uptake Index)
• Microdialyse: sonde avec membrane semi‐perméable
• Autoradiography
• Microscopie intravitaleMicroscopie intravitale
Clinique:• PET: méthode non invasive utilisable chez humains
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 99
• PET: méthode non invasive, utilisable chez humains• Gadolinium et IRM
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VIII) Pathologies de la BHE
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Pathologies : hypoxie/ischémie
Ischémie = diminution du débit sanguin avec baisse du taux d'O2(hypoxie) et baisse de l'apport en nutriments
Production de MMP (matrix metalloprotease) récepteursProduction de MMP (matrix metalloprotease), récepteurs d'adhésion de la matrice diminue, terminaisons des astrocytes se détachent
Augmentation de la perméabilité microvasculaireAugmentation de la perméabilité microvasculaire
Hypoxie/réoxygénationAugmentation de la perméabilité et baisse expression occludine
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Pathologies : inflammationg
Augmentation de la perméabilité BHEAugmentation de la perméabilité BHE
= caractéristique des maladies neuroinflammatoires
Ex: sclérose en plaque, encéphalite HIV, Alzheimer
Perte de l'occludine et de ZO‐1
Inflammation périphérique
Diminution de l'expression de l'occludine,Diminution de l expression de l occludine, augmentation de ZO‐1
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Pathologies: cancersPathologies: cancers
d é éb lDeux types de tumeurs cérébrales:
Tumeurs primaires, ex: gliome
Métastases :
P i i l i d i d ê i iPrincipalement issues des tissus de même origine embryonnaire (neuroectoderme): poumons, peau ( él ) i(mélanome), seins.
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Vascularisation de la tumeur
Propriétés de la BHE proche de celle du tissu d’ i i d ld’origine de la tumeur
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 104
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Métastases
Structure des jonctions serrées altérée:Structure des jonctions serrées altérée:Diminution de l'expression d'occludine et de claudine‐3
Augmentation de la perméabilitéAugmentation de la perméabilitéApparition de fénestrationsA mentation d nombre et de l'a ti ité des a olesAugmentation du nombre et de l'activité des vacuoles
de pinocytoseDiminution du niveau de glycoprotéine P (jusquàDiminution du niveau de glycoprotéine P (jusquà ‐
95%)
IMPORTANT : BHE moins altérée dans les gliomes (origine SNC)
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 105
= SNC)
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Tumeurs cérébrales: traitementLa BHE est rompue au niveau des tumeurs:
Accessibité aux anti‐cancéreux est comparable aux tumeurs périphériquep p p q
Deeken Clin Cancer Res 2007
Mais le pronostique en cas de tumeur cérébrale reste très mauvais
Stratégies pour augmenter l'accès des médicaments:
Mais le pronostique en cas de tumeur cérébrale reste très mauvais
1) Injection directe dans le SNC (intrathécal, intra‐artériel, hautes doses)2) Chimiothérapie + inhibiteurs des transporteurs de la BHE
(inhibiteurs de Pgp arrêté en phase 3)
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(inhibiteurs de Pgp arrêté en phase 3)3) Augmenter la perméabilité BHE avant la chimiothérapie
(RMP‐7, modulateur jct serrée, arrêté en phase 2)
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Répartition d’un anticancéreux (paclitaxel)
Gerstner & Fine 2007, J Clin Oncol 25(16), p. 2309
GliomeMétastase (mélanome) >Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 107
IRM
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Formulation pour traverser la BHEp
Nanoparticules:Ø 250 nm poly(butyl)cyanoacrylate recouverte d'apolipoprotéine E endocytose
Immunoliposomes:Liposomes (Ø 85 nm) avec anticorps anti‐récepteur endothélium transport rec‐dptEx: anti‐transferrin, insuline, leptine
Vecteurs peptidiques:p p qEx: doxorubicin lié à deux peptides améliore sa pénétration membranaire
Utilisation des transporteurs spécifiques:p p qEx: L‐type Amino acid Transporter 1 (LAT‐1) transporte le L‐DOPA (précurseur dopamine)
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Formulation pour traverser la BHEp
Physiopathologie de la Barrière Hémato Encéphalique, Fabrice DUPRAT, 2008 109
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Autres pathologies
Cocaine
Effets directs sur l'endothélium
NicotineNicotineDiminution du transport de glucose et d'ionDiminution de l'expression de ZO‐1Diminution de l expression de ZO 1Augmentation de la perméabilité
Di bèDiabète
Diminution de l'expression d'occludine (rétine)
Augmentation de la perméabilité
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IX) ConclusionIX) Conclusion
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Barrière Hémato EncéphaliqueBarrière Hémato‐Encéphalique
• Système complexeSystème complexe• Rôle majeur des jonctions serrées• Nombreux transporteurs spécifiques• Importance thérapeutiqueImportance thérapeutique
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