Modèles d'étude in vitro de la barrière hémato-encéphalique et leurs applications pharmacotoxicologiques

par Maxime Culot

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Sous la direction de Marie-Pierre Dehouck.

Soutenue en 2007

à l'Artois .


  • Résumé

    La barrière hémato-encéphalique (BHE), localisée au niveau des capillaires cérébraux, contrôle les échanges entre le sang et le compartiment cérébral et assure ainsi le maintien de l'homéostasie du système nerveux central. De ce fait la BHE restreint fortement l'accès au cerveau des composants sanguins, y compris les agents thérapeutiques ou toxiques. La BHE est également impliquée dans de nombreuses pathologies comme les maladies neurodégénératives (maladie d'Alzheimer, sclérose en plaques, etc. . ), les accidents vasculaires cérébraux (AVC) et les traumatismes crâniens. L'étude des mécanismes cellulaires et moléculaires au niveau de la BHE, est impossible in vivo compte tenu de la complexité anatomique des capillaires cérébraux et de leur environnement nerveux. C'est pourquoi, depuis une vingtaine d'années, un certain nombre d'équipes se sont tournées vers la mise au point de modèles in vitro de BHE permettant d'étudier la pénétration cérébrale des composés chimiques et l'effet d'interventions thérapeutiques au niveau des capillaires cérébraux. Notre modèle in vitro de BHE, consistant en une coculture de cellules endothéliales de capillaires cérébraux et de cellules gliales, s'est révélé être un outil précieux pour l'étude du mécanisme d'action du NXY-059. L'arrêt de ce composé en phase III d'étude clinique pour le traitement de la phase aiguë des AVC, en dépit de ses effets bénéfiques démontrés dans de nombreux modèles expérimentaux d'ischémie cérébrale, interroge sur la nature des mécanismes à l'origine des effets du NXY-059 dans les modèles in vivo. Compte tenu de son passage limité à travers la BHE dans les conditions physiologiques, nous avons étudié la possibilité que le NXY-059 exerce des effets au niveau de la BHE. Nos résultats démontrent que les effets précliniques du NXY-059 pourraient être dus, au moins en partie, à sa capacité à préserver la fonctionnalité de l'endothélium cérébral au cours de l'ischémie cérébrale. La sélectivité de la BHE constitue un obstacle majeur au développement de composés à visée cérébrale. Les modèles in vitro de BHE peuvent être mis à profit pour évaluer leurs pénétrations cérébrales. Toutefois, les modèles actuellement disponibles ne disposent pas d'un débit suffisant pour évaluer efficacement le passage dans le compartiment cérébral du très grand nombre de composés, potentiellement intéressants, issus des programmes de recherches des industries pharmaceutiques. A partir de notre modèle initial de coculture, un nouveau modèle de BHE in vitro, adapté aux contraintes d'une utilisation à haut débit, a été développé. Ce nouveau modèle présente les caractéristiques de la BHE in vivo et constitue le support idéal des programmes de recherche des industries pharmaceutiques. Cette nouvelle procédure limite l'utilisation d'animaux et offre de nombreux avantages par rapport à notre modèle conventionnel notamment en terme de réduction des délais, des coûts et des besoins techniques inhérents à son utilisation. Dans le cadre du projet Acute-Tox, des travaux sont actuellement en cours afin de valider ce nouveau modèle pour l'évaluation de la toxicité aiguë des composés chimiques. Les études présentées ici, illustrent la complémentarité des deux modèles in vitro de BHE utilisés pour l'étude des mécanismes pathologiques affectant la BHE ou pour l'étude du passage des composés à travers l'endothélium cérébral.

  • Titre traduit

    In vitro models of the BBB : pharmaceutical and toxicological applications


  • Résumé

    The blood-brain barrier (BBB), which possesses both physical and metabolic properties at the level of the cerebral capillaries, performs a neuroprotective function by tightly controlling access to the brain. Therefore, it also impedes access of proteins as well as pharmacological and potentially neurotoxic agents to cerebral tissues. Furthermore, the BBB is also implicated in several pathologies such as neurodegenerative disorders (e. G. Alzheimer´s and multiple sclerosis), stroke and traumatic brain injury. The anatonomical complexity of the BBB implies that cellular and molecular mechanisms would be difficult, or even impossible, to investigate in vivo. Consequently, since two decades, many laboratories have turned their intention in developing cell-based models of the BBB which enable to make predictions about brain uptake of compounds and to study the effect of therapeutic interventions at the level of the cerebral capillaries. The use of our in vitro model of the BBB, consisting of in a coculture of capillary endothelial and glial cells, has proved useful in elucidating the mechanism of action of NXY-059. The fact that this neuroprotective drug failed to achieve the expected efficacy in phase III clinical studies, despite considerable efforts in its development, put strong emphasis on the need for improvement of the understanding of the mechanisms responsible for its neuroprotective action in preclinical models. The limited permeability of NXY-059 across the BBB prompted an investigation on possible action related to the cerebral capillary endothelium. Our results demonstrate that the effects of NXY-059 observed in preclinical studies could at least partly be attributed to its ability to restore functionality of the brain endothelium in ischemia. In many cases, the intended use of in vitro BBB models in the drug discovery process is to predict whether investigational drugs are likely to achieve relevant CNS exposure to elicit the desired pharmacological effect. However, the screens that are currently available usually do not allow high enough throughput to efficiently evaluate the large number of compounds generated by pharmaceutical and chemical companies. Adapted from our coculture model, a new BBB in vitro model has been developed to fit with the increasing needs for BBB screening. All BBB features tested, attest to the reliability of this in vitro BBB model to support drug discovery or development programs of pharmaceuticals companies. This new procedure, which substantially limits the use of animals, offers advantages over conventional procedure including reduction of time, cost and technical needs. Within the framework of the Acute-Tox consortium, activities are ongoing to validate this high-throughput BBB cell model as a tool to assess potential toxicity problems related to the brain endothelium and associated cells. The data presented here demonstrate that in vitro models are of central importance in efforts to expand our knowledge of the BBB, and may contribute to the development of CNS therapeutics with enhanced activity and improved BBB permeability.

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  • Détails : 1 vol. (257 f.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 221-257

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 07 ARTO 0406
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