La barrière hémato-encéphalique

Les principales composantes de la BHE

Au cours des 100 dernières années, la vision des scientifiques face à la BHE a beaucoup évolué. La BHE, qui au commencement était vue principalement et simplement comme une barrière physique limitant l’entrée de molécules au cerveau, est maintenant considérée comme une interface dynamique rebaptisée «unité neurovasculaire» (UNV) (Figure 1). L’appellation UNV souligne l’importance de la signalisation et des interactions moléculaires entre les différentes composantes de la BHE pour le maintien de l’intégrité de celle-ci (Lok et al. 2007, VanGilder et al. 2011, Zhao et al. 2015, Wevers et al. 2016).
Figure 1 : Représentation schématique de la barrière hémato-encéphalique.
Adaptée de Abbott et al. 2006

Les cellules endothéliales

Les cellules endothéliales formant les capillaires cérébraux (CECCs) servent non seulement de barrière physique contre les substances exogènes, mais jouent aussi un rôle clé dans le maintien de l’homéostasie cérébrale (Risau et al. 1990, Persidsky et al. 2006). Les CECCs diffèrent considérablement des autres cellules endothéliales présentes ailleurs dans l’organisme. Les caractéristiques uniques des CECCs confèrent à la BHE une grande partie de son étanchéité par leur faible degré de pinocytose et l’absence de fenestration due à la présence des jonctions serrées (Brightman et al. 1969). De plus, les CECCs se distinguent aussi par leur forte activité métabolique. En effet, l’endothélium cérébral possède un grand contenu en mitochondries (Oldendorf 1977, Coomber et al. 1985) et est enrichi d’enzymes (Williams et al. 1980), créant ainsi une seconde barrière, exposant ainsi plusieurs molécules pouvant diffuser passivement à une dégradation métabolique. Par exemple, la présence d’enzymes telles la -glutamyl transpeptidase (-GTP), la phosphatase alcaline, l’adénylate cyclase et la guanylate cyclase permettent le métabolisme de solutés en provenance du sang (Goldstein et al. 1986, Meyer et al. 1990).
Les CECCs sont aussi directement impliquées dans le maintien de l’intégrité vasculaire via la sécrétion de diverses molécules jouant un rôle dans la contraction des vaisseaux sanguins. Plus précisément, la balance entre les taux d’endothelin-1 (ET-1) et de monoxyde d’azote (eON) produit par les CECCs est essentielle à l’homéostasie vasculaire (Yakubu et al. 1999, Salani et al. 2000, Yakubu et al. 2007. Une production importante d’ET-1 suite à un stress comme l’hypoxie peut entraîner une diminution locale du débit sanguin cérébral {Mamo, 2014 #442, Tabatabaei et al. 2014). À l’inverse, l’eON agirait plutôt comme un agent vasodilatateur et jouerait aussi un rôle d’inhibiteur pour l’agrégation plaquettaire (Fukumura et al. 2006). Des études ont observé une augmentation des niveaux de la protéine précurseure de l’amyloïde (PPA) et de BACE-1, l’enzyme responsable du clivage de PPA en amyloïde -ß (Aß), chez des souris déficientes en monoxyde d’azote synthétase (Austin et al. 2010, Austin et al. 2013).
Les CECCs exercent aussi une fonction paracrine et seraient étroitement impliquées dans la survie neuronale et l’angiogenèse (Li et al. 2009), car elles peuvent sécréter des facteurs neurotrophiques (FNts) comme le brain-derived neurotrophic factor (BDNF), l’insuline-like growth factor (IGF-1) et le vascular endothelial growth factor (VEGF) (Shimizu et al. 2012). Ces FNts jouent des rôles importants dans la plasticité synaptique, la neurogenèse ainsi que la survie et la prolifération des cellules endothéliales respectivement (Lichtenwalner et al. 2001, Nowacka et al. 2012, Suliman et al. 2013).
On retrouve aussi au sein de l’endothélium cérébral une grande concentration de transporteurs spécialisés permettant de réguler le transport de métabolites énergétiques, des nutriments et des ions (Drewes 2001). Certains transporteurs présents sur les CECCs sont aussi impliqués dans la clairance de métabolites neurotoxiques (Abbott et al. 1996). Les systèmes de transport via la BHE représentent à eux seuls un vaste domaine de recherche. Une section de la présente thèse leur a d’ailleurs été consacrée où ils seront discutés plus en détail.

Les jonctions intercellulaires

Les jonctions intercellulaires des CECCs forment un complexe multiprotéique dynamique lié au cytosquelette d’actine (Bauer et al. 2014) (Figure 2). De plus, l’étanchéité de la BHE est en grande partie due à la présence de ces jonctions uniques, composées de jonctions adhérentes ainsi que de jonctions serrées (Wolburg et al. 2002, Vorbrodt et al. 2004).
Figure 2: Base de l’organisation moléculaire des jonctions intercellulaires de la barrière hémato-encéphalique.

Les jonctions serrées

Les jonctions serrées présentes au niveau de la vascularisation cérébrale confèrent la caractéristique clé de la BHE en restreignant la diffusion paracellulaire de nombreux petits solutés polaires et des macromolécules (Wolburg et al. 2009, Abbott et al. 2010). Ces jonctions possèdent une structure complexe et sont composées principalement de trois types de protéines membranaires :les claudines (Mineta et al. 2011),les occludines (Furuse et al. 1993, McCarthy et al. 1996), certains membres de la famille des junctional adherence molecules (JAMs)) (Martìn-Padura et al. 1998, Williams et al. 1999). De plus, des protéines adaptatrices de la famille de protéines zonula occludens (ZO) (Bazzoni et al. 2000, Ebnet et al. 2000, Umeda et al. 2006) ainsi que la protéine cinguline (Stevenson et al. 1986, Citi et al. 1989) et 7H6 (Kniesel et al. 2000) jouent aussi un rôle important dans la structure des jonctions serrées. Ces interactions protéiques permettent la liaison et le contrôle de la dynamique du cytosquelette d’actine ainsi que le transport paracellulaire via des molécules de signalisation cellulaire (Mitic et al. 2000, Ballabh et al. 2004).

Les jonctions adhérentes

On retrouve les jonctions adhérentes tout juste au-dessous des jonctions serrées. Les jonctions adhérentes participent au maintien de l’intégrité de la BHE et sont essentielles à la formation des jonctions serrées.
La composante principale des jonctions adhérentes endothéliales est la protéine VE-(vascular endothelial) cadhérine (Lampugnani et al. 1995). Il s’agit d’une protéine dépendante du calcium qui régule l’adhésion cellulaire via des interactions homophiles avec les domaines extracellulaires des protéines situées sur les cellules adjacentes (Takeichi 1991, Kobielak et al. 2004). Pour assurer la stabilisation des jonctions adhérentes, le domaine C-terminal cytoplasmique de VE-cadhérine se lie aux protéines caténines (ß-caténine, -caténine et -caténine) qui sont reliées au cytosquelette d’actine (Wolburg et al. 2009, Harris et al. 2010). Cette liaison au cytosquelette d’actine ferait intervenir plusieurs protéines comme vinculine et -actinine (Kobielak et al. 2004).

Les astrocytes

Les astrocytes sont des cellules dont les projections recouvrent plus de 95% de la partie abluminale de la vascularisation cérébrale (Kacem et al. 1998, Abbott et al. 2006). Ce contact physique avec l’endothélium cérébral permet d’ailleurs aux astrocytes d’être impliqués dans la formation de la BHE ainsi que dans le maintien de ses fonctions. Une perte de contact avec les pieds astrocytaires engendrerait une augmentation significative de la taille des vaisseaux sanguins (Ma et al. 2012). De plus, plusieurs études ont démontré que la coculture d’astrocytes ou l’ajout de milieu enrichi en facteurs astrocytaires engendrait un phénotype de BHE sur différentes lignées de cellules endothéliales en favorisant la formation des jonctions serrées et du même coup en augmentant la résistance électrique paracellulaire (Janzer et al. 1987, Hayashi et al. 1997, Sobue et al. 1999). Les mécanismes moléculaires par lesquels les astrocytes influenceraient l’intégrité de la BHE sont encore mal compris. Par contre, de nombreuses études ont identifié différents facteurs solubles jouant un rôle sur la perméabilité de la microvasculature cérébrale comme le transforming growth factor-ß (TGF-ß) (Tran et al. 1999), le glial-derived neurotrophic factor (GDNF) (Igarashi et al. 1999), le basic fibroblast growth factor (bFGF) (Sobue et al. 1999) ainsi que l’interleukine 6 (IL-6) (Abbott 2002). Récemment, les membres de la famille des Hedgehog ont aussi été identifiés comme étant impliqués dans la régulation de la BHE (Alvarez et al. 2011b).

Les péricytes

Les péricytes sont des cellules périvasculaires enveloppant de manière irrégulière l’endothélium cérébral. Cette proximité avec les CECCs leur permettrait d’ailleurs d’exercer un contrôle étroit sur la dynamique de la BHE (Hori et al. 2004, Daneman et al. 2010). En effet, les péricytes seraient d’une part impliqués dans la régulation du diamètre des capillaires, du débit sanguin cérébral ainsi que de la sécrétion et du maintien des niveaux de certaines protéines de la matrice extracellulaire (Keaney et al. 2015). La présence des péricytes serait d’autre part essentielle à l’établissement des propriétés de la BHE (Daneman et al. 2010, Obermeier et al. 2013). Les péricytes seraient recrutés par les CECCs par la sécrétion du facteur PDGFß (platelet-derived growth factor) (Daneman et al. 2010, Obermeier et al. 2013). La présence et la prolifération des péricytes permettraient de diminuer le trafic transendothélial ainsi que d’inhiber chez les CECCs l’expression de plusieurs molécules impliquées dans l’infiltration cérébrale des cellules immunitaires (Daneman et al. 2010, Obermeier et al. 2013).. De plus, des études chez des souris invalidées pour le gène Pdgfrß ont démontré qu’une perte de péricytes engendrerait des microhémorragies, une dysfonction des jonctions serrées, une augmentation de la perméabilité vasculaire ainsi qu’une mort précoce des embryons (Lindahl et al. 1997, Daneman et al. 2010). La perte de péricytes a aussi de graves conséquences sur l’intégrité de la BHE chez les souris adultes. Les souris dont le gène Pdgfrß a été invalidé à l’âge adulte présentent une dysfonction importante de la BHE. On observe chez ces souris une diminution de l’expression des protéines des jonctions serrées (Bell et al. 2010) et une augmentation des taux de transcytose (Armulik et al. 2010). De plus, plusieurs études in vivo et ex vivo suggèrent que les péricytes seraient capables de réguler de manière locale le débit sanguin cérébral en réponse à un stimulus provenant des neurones (Sweeney et al. 2016). Plus précisément, des études utilisant des péricytes bovins de la rétine (Helbig et al. 1992) et des tranches de cervelet provenant du rat et des explants rétiniens (Peppiatt et al. 2006, Hall et al. 2014) ont montré que la norépinephrine conduit à la contraction des péricytes et à la diminution du diamètre des capillaires. Certains neurotransmetteurs comme le GABA, le glutamate et la dopamine peuvent à l’inverse mener à la relaxation des péricytes (Li et al. 2001, Hall et al. 2014).
Les péricytes ont longtemps été considérés comme des joueurs peu actifs au sein de la BHE. Cependant, les études menées au cours des dernières leur confèrent maintenant un rôle capital dans le maintien de l’intégrité de l’UNV. Selon de nombreuses publications, il est suggéré que les péricytes pourraient être une cible thérapeutique intéressante pour contrôler la croissance des tumeurs cérébrales et pour améliorer la santé neurovasculaire ainsi que stabiliser la BHE dans la maladie d’Alzheimer (MA) ainsi que potentiellement dans plusieurs autres maladies neurodégénératives (Sweeney et al. 2016).

La lame basale

La lame basale (LB) est une membrane extracellulaire recouvrant les cellules endothéliales et les péricytes (Farkas et al. 2001). Elle composée de protéines structurales sécrétées par les astrocytes, les péricytes ainsi que les CECCs. La membrane basale est formée de 3 couches distinctes dont les principales composantes sont d’origine endothéliale (lamina rara interna), d’original glial (lamina rara externa) ou d’un mélange des deux (lamina densa) (Perlmutter et al. 1990, Farkas et al. 2001). Les couches interne et externe de la LB sont principalement composées de laminines et de protéoglycans. On retrouverait les laminines-4 et -5 au niveau de la couche endothéliale, alors que la couche astrocytaire exprimerait les laminines-1 et -2 (Engelhardt et al. 2009). La couche intermédiaire de la LB serait composée en majeure partie par la protéine collagène IV (Engelhardt et al. 2009). La LB joue principalement un rôle de soutien au niveau de la BHE (Goldstein et al. 1986). Elle permet l’ancrage des CECCs via l’interaction du collagène et des laminines avec les récepteurs des intégrines (Keaney et al. 2015). De plus, de récentes études ont aussi démontré que la lame basale serait impliquée dans les mécanismes de régulation de la BHE. De plus, il a été démontré que des protéines sécrétées par les astrocytes comme la laminine seraient impliquées dans différenciation des péricytes une altération dans les niveaux d’expression de cette protéine induirait un phénotype contractile chez les péricytes, ce qui mènerait à une diminution de l’expression aquaporine-4 (AQP-4) et des protéines des jonctions serrées (Menezes et al. 2014, Yao et al. 2014).
Selon certaines publications, la LB serait intimement impliquée dans la clairance des solutés du cerveau. Des études de microscopie électronique ont permis de démontrer qu’il existe de très fins interstices remplis de liquide interstitiel (LIS) entre les composantes de la BHE et le système nerveux (Figure 3). Ces interstices sont interconnectés et ce réseau forme l’espace extracellulaire du cerveau qui entre en contact direct et continu avec la LB (Bakker et al. 2016). La formation du LIS est dépendante du transport actif et de la diffusion des solutés à travers la BHE (Abbott 2004, Bakker et al. 2016). De plus, la structure moléculaire de la LB pourrait directement influencer la composition du LIS. En effet, certains composants de la LB riches en résidus carboxyles, hydroxyles et sulfates attireraient davantage l’eau et les cations comme le sodium (Bakker et al. 2016). Ainsi une altération de la LB pourrait influencer la formation du LIS. De plus, l’espace extracellulaire représente un mécanisme de clairance des substances toxiques pour le cerveau (Aß, toxines liposolubles, etc.) (Weller et al. 2009, Tarasoff-Conway et al. 2015). En utilisant des traceurs, certaines études ont observé que le mouvement de l’eau et des solutés composants le LIS entraîne la formation d’un courant le long de la membrane basale des capillaires (Preston et al. 2003, Carare et al. 2008, Hawkes et al. 2014). Par la suite, le LIS serait drainé vers les artères cérébrales pour être dirigé vers les artères des méninges et éventuellement atteindre les ganglions lymphatiques du cerveau (Hawkes et al. 2014). Une publication récente a observé une augmentation de la dimension de l’espace extracellulaire de 60% lors de la phase nocturne des animaux, ce qui suggère que cette clairance serait potentialisée durant le sommeil (Xie et al. 2013). De plus, le drainage du LIS pourrait aussi être affecté dans les maladies neurodégénératives. Une étude dans un modèle murin de la MA, la souris APP, suggère qu’il y aurait une réduction de la diffusion via l’espace extracellulaire dans ce modèle animal (Mueggler et al. 2004). De plus, cette étude a aussi observé que problème de drainage était particulière important dans les régions corticales touchées plus sévèrement par des dépôts vasculaires d’Aß en comparaison avec des régions, comme le striatum, qui sont moins affectées (Mueggler et al. 2004).Ces données suggèrent donc que ce système de clairance en lien étroit avec la LB aurait une influence notable sur la santé cérébrale.
Figure 3: Image de microscopie électronique montrant la continuité entre l’espace extracellulaire et la lame basale d’un capillaire cérébral.
L’espace extracellulaire entre les pieds des astrocytes est identifié à l’aide d’une étoile et communique directement avec la membrane cérébrovasculaire (CVBM). Capillaire cortical de rat Wiskar âgé de 24 semaines. Grossissement : x50 000, échelle = 500 nm. Tiré de Bakker et al. 2016.

Transport via la barrière hémato-encéphalique

Malgré son étanchéité, la BHE doit assurer le transport de nombreuses molécules (nutriments, O2, CO2, etc.) (Abbott et al. 2010). En fait, la BHE est l’interface principale participant à l’échange de molécules entre le cerveau et le sang. De manière générale, les molécules qui traversent la BHE doivent suivre l’un de cinq mécanismes différents en fonction de leur structure (Figure 4).
Figure 4: Illustration des différents modes de transport à travers la barrière hémato-encéphalique.
Adapté de Abbott et al. 2010

Diffusion paracellulaire

Les substances aqueuses diffusent librement entre les cellules. Cependant, au cerveau, dû à la présence des jonctions serrées, ce mécanisme de transport est très peu fréquent (Butt et al. 1990, Stamatovic et al. 2008, Abbott et al. 2010). C’est principalement en conditions pathologiques, suite à une dysfonction des jonctions serrées, que différentes molécules comme les leucocytes ou l’albumine seront en mesure d’atteindre le cerveau par la diffusion paracellulaire (Stamatovic et al. 2008, Banks et al. 2010).

Diffusion transcellulaire lipophile ou passive

La diffusion passive est un mécanisme de transport non saturable et est influencée par le débit sanguin cérébral et le gradient de concentration (Sugano et al. 2010, Fong 2015). Les molécules pouvant traverser la BHE par ce mécanisme possèdent des caractéristiques spécifiques. Généralement, il s’agit de molécules de faible poids moléculaire (<~600 Da) à fort caractère lipophile (Sugano et al. 2010, Mikitsh et al. 2014, Fong 2015) et surtout formant peu de ponts hydrogène (Pardridge 2012). De plus, le transport transcellulaire est aussi affecté par la charge et la structure tertiaire des molécules ainsi que le taux de liaison aux protéines plasmatiques (Banks 2009). Par exemple, des molécules telles O2 et le CO2 pourront diffuser vers le cerveau par ce mécanisme (Abbott et al. 2006, Wong et al. 2013). Il s’agit d’ailleurs du mécanisme d’entrée au cerveau de la grande majorité des médicaments agissant au SNC (Alavijeh et al. 2005, Pardridge 2012).

Transporteurs protéiques

Il existe une multitude de transporteurs protéiques au sein de l’endothélium cérébral. On estime d’ailleurs qu’ils représentent 10-15% de la totalité des protéines de l’unité neurovasculaire (Enerson et al. 2006, Wolak et al. 2015). Ces transporteurs sont fixés à la membrane et sont impliqués dans l’influx de substrats métaboliques comme les hexoses, les acides aminés, les nucléosides, etc. ou l’efflux de composés indésirables hors du cerveau (Campos-Bedolla et al. 2014, Pardridge 2015b). Certains transporteurs sont localisés uniquement à la membrane luminale ou abluminale, alors que d’autres sont exprimés de part et d’autre des CECCs (Betz et al. 1980, Begley 1996, Cornford et al. 2005, Bernacki et al. 2008, Roberts et al. 2008). Par ailleurs, cette polarisation influence directement le rôle du transporteur, à savoir de contrôler l’entrée ou la sortie de leurs substrats (Abbott et al. 2010). Ces transporteurs protéiques permettent le transport des molécules à travers la BHE par diffusion facilitée ou par transport actif (Sanchez-Covarrubias et al. 2014).
La diffusion facilitée est un mécanisme de transport saturable, stéréospécifique qui nécessite un contact entre le substrat et son transporteur (Sugano et al. 2010). Comme il s’agit d’un mécanisme de diffusion, ce mode de transport ne demande aucune dépense d’énergie et est effectué dans le sens du gradient de concentration (Campos-Bedolla et al. 2014). De plus, la vitesse du transport est dépendante de la concentration sanguine. Cependant, contrairement à la diffusion passive, ce mode de transport est compétitif et peut être inhibé. Le transporteur du glucose GLUT-1 est un exemple classique de diffusion facilitée au sein de la BHE (Copin et al. 2003). GLUT-1 est localisé à la membrane luminale et qu’abluminale des CECCS et a comme substrat préférentiel le glucose, mais il est aussi impliqué dans le transport du mannose, du galactose ainsi que de plusieurs analogues du glucose (Tsuji et al. 1999, Copin et al. 2003). Outre le transporteur GLUT-1, on retrouve aussi au sein des CECCs une quarantaine de transporteurs spécifiques pouvant aussi avoir un mécanisme de transport dépendant du sodium. Ces transporteurs sont impliqués notamment dans le trafic des acides aminés, des nucléosides et nucléotides, des vitamines ainsi que des anions et cations organiques (Tsuji 2005) et un aperçu des transporteurs présents à la BHE est présenté dans les tableaux 2 – 6.