Relations neurodigestives et stimulation vagale basse-fréquence chez le rat anesthésié : implications du système nerveux central et du système immunitaire

par Chloé Picq

Thèse de doctorat en Neurosciences Neurobiologie

Sous la direction de Bruno Bonaz et de Didier Clarençon.

Soutenue le 29-06-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec INSERM U836, équipe 8, Stress et interactions neurodigestives (équipe de recherche) .

Le président du jury était Vassilia Theodorou.

Le jury était composé de Bruno Bonaz, Didier Clarençon, Jean-françois Mayol.

Les rapporteurs étaient Catherine Thiolet, Yvette Tache.


  • Résumé

    IntroductionLa neurostimulation vagale (NSV) à haute fréquence (30 Hz) est utilisée commethérapeutique de certaines formes d’épilepsie et de dépression réfractaires aux traitements chezl’Homme. De plus, la NSV à basse fréquence (5 Hz) a été expérimentée avec succès chez l’animalpour traiter différentes inflammations périphériques, notamment digestives. Des travaux récents ontmis en évidence que cet effet anti-inflammatoire est induit par l’activation des fibres efférentesvagales, libérant en périphérie de l’acétylcholine, inhibant la sécrétion des cytokines proinflammatoires.Cette voie est connue sous le nom de voie anti-inflammatoire cholinergique.Toutefois, le mécanisme d’action de la NSV 5 Hz reste mal connu et d’autres voies pourraient êtremises en jeu impliquant le système nerveux central (SNC) et le système immunitaire périphérique.ButLes travaux réalisés ont eu pour objectif d’étudier l’implication du SNC et du systèmeimmunitaire dans la modulation de l’inflammation induite par la NSV basse fréquence chez unmodèle de rat anesthésié. Tout d’abord, afin d’étudier l’implication du SNC lors de la NSV 5 Hz, uneétude d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) a été réalisée sur le rat «sain»anesthésié. Ensuite, une étude a été effectuée sur l’effet de la NSV sur les cellules immunitairesspléniques ainsi que sur le tube digestif chez un modèle de rat «sain» puis chez un modèle de ratatteint d’une colite expérimentale induite par une injection intra-colique d’acide trinitrobenzènesulfonique (TNBS).RésultatsLes données obtenues lors de l’étude d’IRMf ont mis en évidence un rôle important desfibres afférentes vagales; elles modulent certaines structures du SNC qui pourraient participer à larégulation de l’inflammation digestive induite par la NSV 5 Hz. Les études réalisées sur les souspopulationslymphocytaires spléniques ont révélé que d’autres cellules immunitaires que lesmacrophages étaient impliquées lors de la NSV. Chez le modèle de rat «sain», les résultats decytométrie en flux ont montré que la NSV 3h 5 Hz induisait une diminution de l’activation deslymphocytes T CD4 ainsi que du pourcentage de NKT par rapport aux lymphocytes T. Ces résultatssont en faveur d’un rôle de la NSV 3h inhibant l’activation lymphocytaire et jouant un rôle sur les NKTpossédant des propriétés immunorégulatrices. La NSV 3h n’a pas le même effet chez le modèle de ratprésentant une colite. En effet, le dosage de cytokines sécrétées par les splénocytes en culturemontre que la NSV augmente le potentiel de sécrétion d’IL-10 (cytokine anti-inflammatoire) dessplénocytes et plus particulièrement des lymphocytes T CD4 spléniques. Parallèlement, l’effet antiinflammatoirede la NSV a été mis en évidence au niveau du côlon transverse (au-dessus de la zonelésée) par une diminution des ARNm de SOCS3 et du TNF-α et de la myéloperoxidase. Ces donnéesont démontré un rôle de la NSV sur la fonctionnalité des lymphocytes T CD4 spléniques. La NSV 3h 5Hz orienterait la réponse immunitaire vers une réponse anti-inflammatoire en phase d’initiationd’inflammation digestive. De plus, l’effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé au niveau du tubedigestif au-dessus de la zone lésée (côlon transverse).ConclusionCes données expérimentales montrent que d’autres voies impliquant différents typescellulaires sont susceptibles d’être mises en oeuvre par la NSV basse fréquence. Elle induitl’implication du SNC par l’activation des afférences vagales et des cellules immunitaires spléniquestelles que les lymphocytes T CD4 et les NKT. Un effet anti-inflammatoire de la NSV est retrouvé auniveau du côlon transverse, mais pas au niveau des lésions dans le côlon distal. Ces résultatsprésentent des implications thérapeutiques : la NSV basse fréquence est actuellement en essaiclinique pour être utilisée comme traitement dans la maladie de Crohn.

  • Titre traduit

    Brain-gut interactions and low-frequency vagus nerve stimulation in an anaesthetized rat model : involvement of the central nervous system and the immune system


  • Résumé

    Introduction High frequency(30 Hz)vagus nerve stimulation(VNS)has been approved as a treatment for some types of epilepsy and depression in humans. Low-frequency (5 Hz)VNS has also been successful for the treatment of different animal inflammation models, notably digestive inflammation. Recent studies have shown that the anti-inflammatory effect is induced by the activation of the efferent vagal fibers, which secrete acetylcholine in periphery. It links itself to α-7-nicotinic receptors on the macrophages surface, inhibiting the release of pro-inflammatory cytokines. This pathway is known by the name of the cholinergic anti-inflammatory pathway. However, the mechanism of action of low-frequency VNS remains unclear and other pathways could be involved implicating the central nervous system (CNS) and the immune system. Aim The aim of this study was to evaluate the implication of the CNS and the immune system in the modulation of inflammation induced by low-frequency VNS in an anaesthetized rat model. Firstly, to study the implication of the CNS and the contribution of the afferent vagal fibers during 5Hz VNS, a study using functional magnetic resonance imaging (fMRI) on a «healthy» anaesthetized rat model was carried out. Secondly, an experiment on the effect of VNS on splenic immune cells as well as on the digestive tract was fulfilled on a «healthy» rat model followed by a study on a rat model of colitis induced by intracolonic injection of trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS). Results fMRI data brought to light an important role of the afferent vagal fibers. They modulate some structures of the CNS which could contribute to the modulation of digestive inflammation by 5Hz VNS. The studies carried out by FACS on the sub-populations of splenic lymphocytes revealed that other immune cells than macrophages could be implicated by VNS. In the «healthy» rat model, with no digestive inflammation, FACS data show that 3h VNS decreases T CD4 lymphocytes activation and the percentage of NKT in relation to T lymphocytes. These data are in favor of an inhibiting role of VNS on lymphocytes activation and also has an impact on NKT cells which have immunoregulatory properties. 3h VNS does not have the same effect on the rat model of colitis. In fact, the quantification of secreted cytokines by cultured splenocytes show that VNS increases the potential of IL-10(anti-iflammatory)cytokine by splenocytes and particularly splenic T CD4 lymphocytes. In the same way, the anti-inflammatory effect of VNS is seen in the transverse colon (above the lesions): decrease of TNF-α and SOCS3 mRNA and of myeloperoxidase. These results show a role of VNS on the functionality of splenic T CD4 lymphocytes inducing an important secretion of IL-10. 3h low-frequency VNS turns the immune response towards an anti-inflammatory response during the early phase of digestive inflammation. Moreover, VNS anti-inflammatory effect is seen in the transverse colon, above the lesions. Conclusion These results reveal that other pathways implicating different cell types are potentially involved besides the classic cholinergic anti-inflammatory pathway by low-frequency VNS. It implicates CNS by the activation of vagal afferents and splenic immune cells such as T CD4 lymphocytes and NKT cells. An anti-inflammatory effect of VNS is found in the transverse colon (above the lesions) even during the initiation phase of digestive inflammation, but not in the distal colon (in the lesions). These date have therapeutic implications: low-frequency VNS is being clinically tested at the moment as a treatment for Crohn's disease.


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