Le développement de l’unité gliovasculaire : de l’embryogénèse au stade mature

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L’UNITE GLIOVASCULAIRE LE GARDE DU CORPS DU CERVEAU

L’unité gliovasculaire est une unité fonctionnelle participant à la protection mais aussi à l’homéostasie cérébrale. Elle est composée des vaisseaux sanguins cérébraux et des pieds astrocytaires périvasculaires (PAPVs) (Figure 1).

Les composants de l’unité gliovasculaire

Le système vasculaire cérébral

Le système vasculaire cérébral est constitué de plusieurs types cellulaires séparés par des matrices extracellulaires spécifiques (Figure 1) : un endothélium continu, une lame basale continue, dans laquelle se trouvent des cellules murales (péricytes, cellules musculaires lisses) et parfois des fibroblastes et des macrophages, et une couverture astrocytaire quasiment complète (constituée par l’apposition directe des PAPVs sur la lame basale). Dans ce chapitre je présente les différents composant cellulaires de l’unité gliovasculaire ainsi que la lame basale sans traiter des astrocytes qui font l’objet d’un chapitre à part.

Anatomie

Les vaisseaux sanguins sont les composants majoritaires du système cardiovasculaire et constituent un ensemble de canalisations tubulaires organisées en système et permettant la circulation du sang entre le cœur et les différents organes. Ces canaux, selon leur localisation et la composition du sang qu’ils transportent, présentent une grande variété de fonctions ce qui induit une grande diversité de leur composition et de leurs propriétés cellulaires.
Depuis le cœur, le sang circule tout d’abord dans des vaisseaux de gros calibre appelés artères. Chez l’Homme et la souris, le sang artériel atteint le cerveau par les artères carotides internes et les artères vertébrales. Sur la face ventrale du cerveau, ces artères se joignent pour former un réseau complexe d’anastomoses dit « cercle » ou « polygone de Willis ». Le cercle de Willis donne naissance à des artères cérébrales véhiculant le sang de la base du cerveau vers la surface du cortex cérébral. Ces artères se ramifient en artères pie-mériennes qui cheminent parallèlement à la surface du cortex, dans l’espace sous-arachnoïdien (espace entre pie-mère et arachnoïde). Ces artères présentent de nombreuses anastomoses, c’est-à-dire des connexions entre elles. Elles forment donc un “filet” entourant le cerveau, tandis que dans la plupart des tissus, les artères se présentent en arborescence. Ensuite, les artères pie-mériennes émettent perpendiculairement à leur axe des artérioles pénétrantes qui se ramifient en artérioles puis en capillaires.
Les capillaires sont des vaisseaux extrêmement fins (de 3 à 10 µm). Ce sont les plus petits vaisseaux de l’organisme et aussi les plus nombreux. Ainsi dans le cerveau, ce sont les vaisseaux capillaires qui contribuent très majoritairement aux échanges entre le sang et le parenchyme.
Les capillaires cérébraux se rejoignent pour former des veinules qui elles-mêmes se rejoignent en veines. Ces veines ressortent du cortex parallèlement aux artérioles, rejoignant ainsi les veines pie-mériennes. A l’instar des artères de ce compartiment, les veines pie-mériennes forment également un réseau anastomotique. Les veines pie-mériennes se jettent dans les veines jugulaires internes permettant d’évacuer le sang du cerveau vers le cœur.
Les vaisseaux sanguins sont composés de 3 couches ou tuniques :
– L’intima, couche la plus interne est composée d’une monocouche de cellules endothéliales entourant le lumen, et recouvert d’une lame basale plus ou moins recouverte d’un tissu conjonctif lâche. C’est cette couche qui va déterminer le degré de perméabilité des vaisseaux.
– La tunica media est composée de lame basale et de cellules musculaires lisses. Elle détermine la capacité de vasoconstriction et vasodilatation des vaisseaux. Ainsi dans les artères, la tunica media est la couche la plus épaisse, elle est composée de plusieurs couches de cellules musculaires lisses vasculaires concentriques. Elle est plus fine dans les artérioles, mais reste prédominante. En revanche, les veines et les veinules possèdent une tunica media relativement fine comprenant peu de cellules musculaires lisses vasculaires en comparaison avec des artères de même calibre. Dans les capillaires, cette couche est particulièrement fine et ne comporte pas de cellules musculaires lisses vasculaires mais des péricytes.
– La tunica externa ou adventis composée de fibroblastes et de tissus conjonctifs (DeSisto et al. 2020; Strauss et Rabinovitch 2000; Vanlandewijck et al. 2018). Elle détermine la déformabilité des vaisseaux. Elle est la couche la plus épaisse des veines et veinules. Elle est absente des capillaires.

Les cellules endothéliales

Les cellules endothéliales sont la base des vaisseaux sanguins. Elles referment la lumière des vaisseaux en formant une monocouche cellulaire et sont donc directement en contact avec le sang (Figure 1). Ce sont donc les cellules endothéliales qui vont, les premières, contrôler les échanges entre le sang et le tissu. A ce titre, les cellules endothéliales présentent différentes morphologies et expriment différents phénotypes selon le type et la localisation des vaisseaux qu’elles constituent. Dans le cerveau, ces cellules présentent une haute différenciation baso-apicale et expriment un phénotype particulier restreignant drastiquement les échanges sang/tissus (participant ainsi à la barrière hémato-encéphalique). Cependant, dans certaines régions comme la moelle épinière, les organes circumventriculaires (neurohypophyse, area postrema, épiphyse…) ou les plexus choroïdes, les vaisseaux sanguins cérébraux sont beaucoup plus perméables. Ces régions étant bien particulières, nous nous intéresserons ici uniquement aux vaisseaux sanguins cérébraux exprimant un phénotype de barrière hémato-encéphalique.
Tout d’abord, les cellules endothéliales cérébrales sont non fenêtrées (Fenstermacher et al. 1988), elles forment un endothélium dit « continu ». Elles ont également un faible taux de transcytose (Reese et Karnovsky 1967; Sedlakova, Shivers, et Del Maestro 1999), lié à une surexpression de la protéine transmembranaire MFSD2A (Ben-Zvi et al. 2014).
Le pôle apical des cellules endothéliales, leur surface luminale, est couverte d’un glycocalyx, c’est-à-dire un revêtement d’aspect fibreux ou de feutre, constitué de glycoprotéine, de protéoglycans et de glycosaminoglycans (Ando et al. 2018; Kutuzov, Flyvbjerg, et Lauritzen 2018; Ross et al. 2020). Dans le cerveau, le glycocalyx endothélial est particulièrement dense, même comparé à d’autres endothélia continus comme celui du cœur (Ando et al. 2018). De plus, toujours à leur pôle apical, les cellules endothéliales cérébrales expriment un très faible taux de molécules d’adhésion des leucocytes telles que VCAM-1 ou ICAM-1 (Fabene et al. 2008).
Les cellules endothéliales cérébrales sont reliées entre elles par des jonctions serrées ou zonulae occludentes (Kniesel et Wolburg 2000). Ces jonctions sont constituées de protéines transmembranaires (telles que les Claudines, l’Occludine et des protéines de la famille des molécules d’adhésion jonctionnelles …) qui sont liées au cytosquelette cellulaire par les protéines de la famille zonula occludens 1, 2 et 3 (ZO-1, 2 et 3). Ces jonctions serrées participent directement
à l’imperméabilité de la couche endothéliale en bloquant le passage paracellulaire des molécules. Les cellules endothéliales cérébrales sont aussi pourvues de jonctions adhérentes formées de complexes cadhérine/caténine. Ces jonctions participent à la cohésion de la monocouche de cellules endothéliales et donc à la faible perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (Corada et al. 2002).
Ces cellules expriment également des protéines de la famille des transporteurs de solutés (en anglais : solute carrier ; SLC), appelés transporteurs à cassette, liant l’adénosine triphosphate (ATP) ou transporteur ABC (pour « ATP binding transporters » en anglais) à leur pôle apical. Ces pompes d’efflux, telles que la glycoprotéine-P, BCRP ou MRP-1/2/3/4/5, participent à la fonction de barrière des cellules endothéliales cérébrales en refluant les molécules qu’elles transportent vers le sang (Mahringer et al. 2011).
Les cellules endothéliales cérébrales possèdent également un pool mitochondrial beaucoup plus important que les cellules endothéliales périphériques (Oldendorf, Cornford, et Brown 1977). Ces mitochondries permettent la création d’ATP qui sert notamment à faire fonctionner leur nombre important de pompes d’efflux.
Pour permettre le passage des nutriments et molécules essentiels au fonctionnement du cerveau, les cellules endothéliales cérébrales expriment différents transporteurs appartenant à la famille des SLC mais utilisant le gradient de concentration, comme Glut-1, un transporteur du glucose, et d’autres hexoses (Harik et al. 1990) le transporteur d’acide monocarboxylique 1 (MCT1), un transporteur du lactate (J. Wang et al. 2019) ou le transporteur de la créatine (CRT) (Ohtsuki et al. 2002).
Enfin, à leur pôle basal les cellules endothéliales cérébrales sécrètent différentes molécules participant à la formation de la lame basale (2.1.1.6 La lame basale).
Comme dans le reste de l’organisme, les cellules endothéliales cérébrales se différencient selon le type de vaisseaux qu’elles forment. Les cellules endothéliales artérielles expriment ainsi un répertoire moléculaire particulier composé par exemple de la protéine tyrosine-kinase cytoplasmique (BMX), la sémaphorine-3G ou la protéine de jonction communicante 4, ou connexine 37 (Cx 37). Les cellules endothéliales veineuses ont aussi un phénotype moléculaire spécifique composé par exemple du transporteur d’acides aminés Slc38a5 (Vanlandewijck et al. 2018; Ross et al. 2020). D’autres différences ont pu être observées par microscopie électronique : les artères cérébrales présentent un plus grand chevauchement des protéines de jonction serrées et un plus fort taux de vésicules de transport (Hanske et al. 2017).

Les cellules murales

Les péricytes

Les péricytes sont des cellules présentes dans la lame basale des petits vaisseaux (capillaires, veinules et petites artérioles). Contrairement aux cellules musculaires lisses vasculaires qui s’organisent de manière concentrique par rapport à la monocouche de cellules endothéliales, les péricytes s’étendent longitudinalement, le long des vaisseaux (Figure 1). Dans le cerveau, le ratio péricytes/cellules endothéliales est particulièrement élevé (Shepro et Morel 1993). Ils couvrent la majeure partie des vaisseaux sans se chevaucher (Grant et al. 2019).
Les péricytes représentent un groupe assez hétérogène de cellules rendant leur définition moléculaire difficile (Armulik, Genové, et Betsholtz 2011). Ils forment avec les cellules musculaires lisses vasculaires un continuum, particulièrement au niveau des artérioles et des veinules, où le point de transition entre les deux types cellulaires reste controversé (Figure 2). Deux visions principales s’affrontent à ce sujet : certains auteurs parlent d’une transition progressive d’un phénotype cellulaire à l’autre (Hill et al. 2015; Vanlandewijck et al. 2018), tandis que d’autres auteurs évoquent l’existence d’un troisième type cellulaire, dit de transition, exprimant simultanément les attributs des deux phénotypes (Grant et al. 2019; Ratelade et al. 2020). De fait, à l’échelle moléculaire, les péricytes ont souvent été définis en creux par rapport aux cellules musculaires lisses vasculaires (Vanlandewijck et al. 2018) et les marqueurs péricytaires les plus utilisés, tels que le récepteur du facteur de croissance dérivé des plaquettes (en anglais : Platelet Derived Gross Factor Receptor; PDGFRβ) ou l’antigène neurone-glie 2 (NG2), une protéoglycane agissant comme co-récepteur du PDGF, sont aussi exprimés par les cellules musculaires lisses vasculaires. Au sein même de la population péricytaire, nous avons pu observer une sous-population se différenciant par l’expression de connexine 30 (Cx30) une protéine des jonctions communicantes (Mazaré et al. 2018) pourtant décrite comme spécifique des astrocytes au sein du système nerveux central (Rash et al. 2001). Une étude récente à laquelle j’ai participé a aussi permis de définir des signatures moléculaires différentes entre les deux types cellulaires, avec notamment une surexpression des molécules impliquées dans la contractilité dans les cellules musculaires lisses vasculaires, et dans les péricytes, une surexpression des molécules de la réponse immunitaire (Chasseigneaux et al. 2018).
Récemment, les techniques de séquençage de cellule unique ont permis de mieux connaître le répertoire moléculaire des cellules vasculaires et notamment péricytaire ouvrant de nouvelles perspectives d’étude des fonctions péricytaires (Teng et al. 2021; Saunders et al. 2018; Vanlandewijck et al. 2018; Guan et al. 2021). En effet, les péricytes possèdent de nombreuses fonctions ce qui contribuent probablement à leur hétérogénéité et à la difficulté de définir universellement ces cellules.
Premièrement, les péricytes sont capables de dégrader certaines protéines extracellulaires (Q. Ma et al. 2018). Cette fonction est promue dans certaines situations pathologiques telles que les accidents ischémiques transitoires ou les lésions tissulaires ; certains auteurs parlent même dans ce cas de phénotype similaire aux microglies (Sakuma et al. 2016; Özen et al. 2014).
Les péricytes participent également à la quiescence immunitaire cérébrale en limitant l’expression de molécules endothéliales d’adhésion aux leucocytes comme VCAM-1 et ICAM-1 (Török et al. 2021) et au maintien de la barrière hémato-encéphalique et en favorisant l’expression de jonctions serrées par les cellules endothéliales, ou en limitant l’expression de protéines impliquées dans la transcytose (Armulik et al. 2010; Daneman et al. 2010). Les péricytes contribuent également à la formation et au maintien de la lame basale (2.1.1.4 La lame basale) et à l’angiogénèse (3.1.2 Les voies moléculaires impliquées dans l’angiogénèse). De plus, ils participent, tout comme les cellules endothéliales, à l’homéostasie vasculaire en exprimant divers transporteurs tels que MFSD2A, Glut-1, Slc16a1, Slc7a1… (Zaragozá 2020; Vanlandewijck et al. 2018). Certaines publications semblent indiquer que les péricytes participent à la régulation du flux sanguin en modulant le diamètre vasculaire en réponse à des stimuli astrocytaires ou neuronaux (Peppiatt et al. 2006; Cai et al. 2018; Hall et al. 2014). Cependant, leur grande proximité moléculaire avec les cellules musculaires lisses vasculaires induisent une remise en question de ces résultats (Fernández-Klett et al. 2010; Hill et al. 2015).
Enfin, les péricytes cérébraux participent à la maturation des pieds astrocytaires périvasculaires et en particulier à l’expression de l’Aquaporine 4 (Aqp4), un canal eau spécifique des astrocytes et enrichi à l’interface vasculaire. En effet, dans un modèle de souris déficiente en péricytes (Armulik et al. 2010), l’Aqp4 était relocalisée dans tout l’espace cellulaire astrocytaire, perdant sa polarisation à l’interface vasculaire.

Les cellules musculaires lisses vasculaires

Comme évoqué précédemment, les cellules musculaires lisses vasculaires forment une gaine concentrique de cellules dans la tunica media des artères et des veines. Dans les grandes artères, on peut observer plusieurs couches de cellules musculaires lisses vasculaires (de 4 à 10 couches) (Shiraishi, Sakaki, et Uehara 1986) et à mesure que l’on progresse vers les capillaires, le nombre de couches de cellules musculaires lisses vasculaires artérielles puis artériolaires diminue jusqu’à disparaître dans les capillaires au profit des péricytes. Dans les veines, les cellules musculaires lisses vasculaires sont moins nombreuses, et dans les veinules ces cellules sont non concentriques, peu contractiles et rares (Figure 2).
Les cellules musculaires lisses vasculaires sont, comme leur nom l’indique, des cellules musculaires ; au stade mature, elles expriment de nombreuses protéines impliquées dans la contraction, notamment :
– Des récepteurs tels que les récepteurs à l’angiotensine II ou le récepteur au thromboxane A2 qui se lient à des molécules libérées par les astrocytes ou les neurones en fonction de l’activité synaptique proximale. Ce phénomène, appelé couplage neuro-vasculaire, par contraction ou relaxation des cellules musculaires lisses vasculaires, modifie le flux sanguin en réponse à l’activité neuronale,
– Des transporteurs et canaux ioniques permettant l’homéostasie calcique nécessaire à la contractilité cellulaire (Tykocki, Boerman, et Jackson 2017),
– Des protéines du cytosquelette, directement impliquées dans la contraction telles que l’actine musculaire lisse (SMA), ou la myosine 11 (Myo11).
Ce phénotype dit “contractile” n’est pas le seul exprimé par les cellules musculaires lisses vasculaires. En effet, au cours du développement et lors de certaines situations pathologiques, les cellules musculaires lisses vasculaires présentent un phénotype dit “productif”. Ce phénotype est caractérisé par une diminution, voire une absence de contractilité, une prolifération et une capacité de migration cellulaire accrues, l’expression de facteurs mitogènes tels que le PDGFRβ ou le facteur de croissance fibroblastique basique (bFGF)(Kato et al. 1998), la synthèse de lame basale.
Le passage d’un phénotype à l’autre est modulé par l’environnement cellulaire : cellules endothéliales (Hirschi et al. 1999; Clowes, Reidy, et Clowes 1983) ou astrocytaires (Z.-L. Chen et al. 2013)), moléculaire (lame basale (Z.-L. Chen et al. 2013) et mécanique (pulsatilité cardiaque (Hsu et al. 2011)).
A l’image des péricytes, les cellules musculaires lisses vasculaires pourraient participer à la réponse inflammatoire notamment par la production de cytokines (Rong et al. 2002) mais cette fonction n’a été que peu – voire pas du tout – pas étudiée dans le cerveau.

Les fibroblastes vasculaires

Des études récentes en séquençage ARN de cellule unique ont permis de mettre en évidence l’existence de fibroblastes parmi les cellules murales de l’unité gliovasculaire (Saunders et al. 2018; Vanlandewijck et al. 2018; Zeisel et al. 2015). Ces cellules sont présentes dans les espaces de Virchow-Robin (Figure 3). Ces espaces ont été découverts au cours du XIXe siècle, par Rudolf Virchow et Charles Philippe Robin et sont compris entre la tunique la plus externe des vaisseaux et les PAPVs autour des gros vaisseaux pénétrants sur une courte distance. Les fibroblastes présents dans ces espaces participent à la formation de la lame basale en exprimant des protéines de la matrice extracellulaire notamment des enzymes de modification du collagène (Soderblom et al. 2013; Vanlandewijck et al. 2018; Rajan et al. 2020). Ces cellules présentent plusieurs marqueurs similaires aux péricytes comme le PDGFRβ (Soderblom et al. 2013; Vanlandewijck et al. 2018). Cependant, la localisation spécifique de ces fibroblastes et leur morphologie plus arrondie avec des prolongements restreints permet de différencier les deux types cellulaires.

Table des matières

Introduction
1. Le cerveau, un organe vital, gourmand et fragile
2. L’unité gliovasculaire le garde du corps du cerveau
2.1. Les composants de l’unité gliovasculaire
2.1.1. Le système vasculaire cérébral
2.1.1.1. Anatomie
2.1.1.2. Les cellules endothéliales
2.1.1.3. Les cellules murales
2.1.1.3..1. Les péricytes
2.1.1.3..2. Les cellules musculaires lisses vasculaires
2.1.1.4. Les fibroblastes vasculaires
2.1.1.5. Les macrophages résidents
2.1.1.6. La lame basale
2.1.2. Les astrocytes : des cellules d’une grande diversité
2.1.3. Hétérogénéité morphologique
2.1.4. Hétérogénéité moléculaire
2.1.5. Polarité morphologique et moléculaire, l’hétérogénéité intracellulaire
2.2. Les astrocytes au sein de l’unité gliovasculaire
2.2.1. Les PAPVs
2.2.2. Les fonctions astrocytaires au sein de l’unité gliovasculaire
2.2.2.1. Les astrocytes, les cambusiers du cerveau
2.2.2.2. Les astrocytes, les Messieurs Propre du cerveau
2.2.2.3. Les astrocytes, les gardes du corps du parenchyme
3. Le développement de l’unité gliovasculaire : de l’embryogénèse au stade mature
3.1. L’angiogenèse
3.2. Les voies moléculaires impliquées dans l’angiogenèse
3.3. Maturation vasculaire post-angiogénique
3.3.1. La différenciation artério-veineuse
3.3.2. La colonisation par les cellules murales
3.3.3. La maturation des cellules murales
3.3.4. La maturation des cellules endothéliales
3.4. L’astrogénèse
3.5. Participation des astrocytes à la maturation de l’unité gliovasculaire
3.6. La formation de la lame basale
4. Les leucodystrophies
4.1. Les astrocytopahties
4.1.1. La MLC
4.1.1.1. Le phénotype classique de MLC
4.1.1.2. Le phénotype résolutif de MLC
4.1.1.3. Modifications génétiques associées à la MLC
4.1.1.4. MLC1
4.1.1.5. GlialCAM
4.1.1.6. Les modèles d’étude de la MLC
4.1.1.6..1. Les modèles cellulaires de MLC
4.1.1.6..2. Les modèles murins de MLC
4.1.2. Autres astrocytopathies
4.1.2.1. La maladie d’Alexander
4.1.2.2. Le syndrome CACH
4.1.2.3. La leucoencéphalopathie liée à CLC2
4.1.2.4. La dysplasie occulodentodigitale et le syndrome de Hallermann-Streiff
4.2. Les leucodystrophies vasculaires
4.2.1. Le CADASIL
4.2.2. Le CARASIL
4.3. Autres leucodystrophies
4.3.1. Les altérations oligodendrocytaires ou troubles myéliniques
4.3.2. Les leuco-axonopathies
4.3.3. Les Microgliopathies
Résultats expérimentaux
1. Article 1
2. Article 2
Résultats supplémentaires
1. La maturation du complexe MLC1/GlialCAM est corrélée à l’augmentation des ARNm correspondants dans les PvAPs.
1.1. Introduction
1.2. Méthodes
1.3. Résultats et discussion
2.2. Méthodes
2.3. Résultats et discussion
3. Implication des connexines astrocytaires dans la physiopathologie de la MLC
3.1. Introduction
3.2. Méthodes
3.3. Résultats et discussion
4. Altération de la densité synaptique dans notre modèle murin de MLC
4.1. Introduction
4.2. Méthode
4.3. Résultats et discussion
5. Mécanistique de la physiopathologie de la MLC
5.1. TGFβ
5.1.1. Introduction
5.1.2. Méthode
5.1.3. Résultats et discussion
5.2. Séquençage ARN
5.2.1. Introduction
5.2.2. Méthodes
5.2.3. Résultats et discussion
Discussion générale
1. Développement postnatal de l’unité gliovasculaire
1.1. Les cellules endothéliales cérébrales
1.1.1. Maturation postnatale de la barrière hémato-encéphalique
1.1.2. Maturation des fonctions d’efflux de la Glycoprotéine-P
1.2. Maturation des cellules musculaires lisses vasculaires
1.3. Maturation moléculaire des PAPVs
2. La MLC une pathologie développementale de l’unité gliovasculaire
2.1. Les cellules endothéliales dans la physiopathologie de la MLC
2.2. Les cellules musculaires lisses vasculaires dans la physiopathologie de la MLC
2.3. Les astrocytes dans la physiopathologie de la MLC
2.3.1. Les PAPVs
2.3.2. La morphologie astrocytaire
3. Les voies moléculaires impliquées dans la physiopathologie de la MLC
3.1. Réinstauration de l’expression de Mlc1 à différents stades
3.2. Étude transcriptionnelle ouverte
4. Conclusion
Références bibliographiques
Résumé
Mots clés
Summary
Keywords

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