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Réponse à l’agression et neuroinflammation
Vincent DEGOS INSERM U676
GH Pitié Salpetrière.
Quatre “Take Home” messages
• L’inflammation systémique génère un profil neuro-inflammatoire
• Le profil neuro-inflammatoire est caractérisé par le recrutement macrophagique, l’activation microgliale et la production cytokinique
• L’inflammation systémique sensibilise les lésions cérébrales aigues par la modulation direct du phénotype neuronal. • L’inflammation systémique sensibilise le cerveau sain par le
recrutement macrophagique
Lésions cérébrales aiguës
Lésions cérébrales en Anesthésie Réanimation adulte
Problème de santé publique et thérapeutique
Incidence Mortalité 30 jours
AVC 20-25/10000 5-8/10000 (12000 DC / an en F)
Trauma crânien 20-30/10000 0.5-1/10000 (2500 DC / an en F)
Arrêt cardiaque, état de choc, hypoperfusion cérébrale…..
Lésions cérébrales péri-opératoires: chirurgie carotidienne, CEC, neurochirurgie….
HypoPPC Hyperglycémie Hypoglycémie Hypoxémie Hyperthermie Hypocapnie Hypercapnie Anémie Hyponatrémie Crises épileptiques
Agressions cérébrales secondaires d’origine systémique
Critères identifiés
Critères non contrôlés ?? Polymorphisme génétique
Statut Hormonal Sexe
Sress inflammatoire ….
Efficacité thérapeutique connue
Inflammation systémique et Infection
Innate immune cells activation and cytokines release
Ligands-receptor interaction (PAMPS-TLR)
INFECTION Pathogens invasion
PAMPS: Pathogen-associated molecule pattern Ex: LPS, flagellin, double-stranded DNA
Bacteria
SIRS
Inflammation systémique et trauma tissulaire
CELL NECROSIS Hypoxia, Ischemia, trauma Ligands-receptor interaction
(DAMPS-TLR)
DAMPS: Damage-associated molecule pattern Ex: Heat-shock protein, HMGB1
Innate immune cells activation and cytokines release
SIRS
Communication inflammation systémique et cerveau
1-Barrière Hémato Encéphalique -infiltration cellulaire -production active cytokinique
2-Plexus Choroïdes -passif vers le LCR
Communication entre inflammation périphérique et cerveau
3-Nerf Vague
Tracey, JCI, 2007
Lésion périphérique Inflammatoire
Nerf vague Afférent Nerf vague Efférent
Macrophage
Ach Ach récepteur
Production cytokinique IL-1β, TNF-α…..
Inhibition Lésion tissulaire Cicatrisation
Pathways to cross the brain barrier
Systemic inflammation remote effects
“neuroinflammation profile”
Blood-endothelium Blood-Cerebrospinal fluid
Peripheric nervous system
Correlation entre inflammation systémique et pronostic des lésions cérébrales aigues
BMC Neurol, 2004
Inflammation Systémique: -Fréquent dans l’AVC (+50% dans cette série)
-Conséquences des lésions cérébrales aigues ou Cause du mauvais pronostic ???
L’inflammation systémique est-elle impliquée dans les lésions secondaires ?
Inflammation Systémique
Mort Neuronale ??
???
Cerebrovascular Inflammation
Cytokines and chemokines
Excitability and neuronal death
Leucocytes Infiltration
Microglial Activation
Toxic Effects ?
Local Infection healing Immune response control
Positive Effects ?
Partenaires impliqués dans la Neuroinflammation
Mouse adult P45 LPS 1X/ day during 2 days
Non-sterile systemic inflammation generates intracerebral cytokines expression
Hemispheric cortex
Degos V, sous presse
Sterile systemic inflammation generates intracerebral cytokines expression
IL1b
eta
IL6
Hippocampus
Cibelli, AON 2010
Tibia’s fracture +osteosynthesis model
Effet sensibilisant de l’inflammation systémique dans l’AVC et le TC
McColl, Rothwell, Jneurosciences 2007
Retrouvé aussi dans le TC avec le LPS Hang, Brain Res. 2004
L’inflammation systémique est-elle impliquée dans les lésions secondaires ?
Inflammation systémique
Communication périphérie-cerveau (BHE)
Production cytokinique Intra-cérébrale
Mort Neuronale ??
??
Modèles expérimentaux de lésions cérébrales aigues
Agression Hypoxique-Ischémique Dépletion ATP intra-cellulaire Dépolarisation membranaire
Traumatique Ischémique Hypoperfusion
↑ massive glutamate
L’excitotoxité neuronale
AMPA/KA-R NMDA-R
Influx Na+ Influx Ca++
Dépolarisation membranaire
Mort neuronale précoce
ACTIVATION: protéases
lipases endonucléases
NO synthase stress oxydatif
Mort neuronale tardive
↑ massive glutamate
G Mglu-R
Modèle expérimental: Augmentation concentration glutamate pour mimer la
libération massive du glutamate
Agoniste glutamatergique
Quantification de la taille de la lésion
Agoniste glutamatergique
Quantification de la survie cellulaire
± stress inflammatoire
± stress inflammatoire
Culture primaire neurones
Effet sensibilisant: Inflammation systémique aggrave les lésions excitotoxiques
Souriceau P5
PBS IL10
1000
2000 ***
Taill
e lé
sion
(µm
)
Souris Adulte
PBS LPS0
500
1000
1500
S Grise
***
Taill
e lé
sion
(µm
)
Raton P5
PBS LPS0
250
500
750
1000
S Grise
***
Taill
e lé
sion
(µm
)
Modèle d’injection intracrânienne d’agoniste glutamatergique Degos V, sous presse
L’IL-1β exacerbe la mort neuronale excitotoxique
CT IL10
25
50
75
100
125
***C
ell
via
bil
ity (
%)
Ibotenate
clived caspase 3
Actin
CT IL-1β
Ibotenate
Primary Isolated Neuronal culture (cortex, E14.5)
Les neurones corticaux: une cible de l’effet sensibilisant
IL-1β during 4 days before Ibotenate Degos V, sous presse
IL-1b: sensibilisation fonctionnelles au stress excitotoxique
4
! !
4
! !
Degos V, sous presse
Le blocage de la voie IL-1β: IL-1ra
IL-1ra exogène (IP): neuroprotecteur dans modèle d’AVC de souris Rothwell, 2004
IL-1ra: antagoniste endogène des récepteurs à l’IL-1
Rothwell, 2006
L’inflammation systémique majore les lésions excitotoxiques murines
Inflammation systémique
Communication périphérie-cerveau
Production cytokinique Intra-cérébrale
Mort Neuronale
Cerebrovascular Inflammation
Cytokines and chemokines
Excitability and neuronal death
Leucocytes Infiltration
Microglial Activation
Toxic Effects ?
Local Infection healing Immune response control
Positive Effects ?
Partenaires impliqués dans la Neuroinflammation
AVC et trauma osseux
Bone Fracture is one of the major complications after stroke Between 3 to 7% of stroke will experience hip fracture
N=270 000, Kanis, Stroke, 2001 R
elat
ive
risk
At stroke At 6 months
Hip fracture Male Female
0
25
50
75
100
***
SHAM BoneFracture
pMCAO
CD
68 c
ells
(%
DAP
I)
Bone fracture increased CD68+ activated macrophages recruitment
pMCAO+bone fracture
pMCAO-SHAM
40X
40X Degos V, Anesthesiology, accepté
Depletion of phagocytosis cells with clodrolip in the perilesional zone
CT-LIP CLODRO-LIP C
D68
+
CT-LIP CLODRO 0
25
50
75
100
***
pMCAO+Bone fracture
CD
68 c
ells
(% D
API)
0
10
20
30
40
50
***
pMCAO+Bone fracture
CT-LIP CLODRO
Infa
rct v
olum
e (%
)
Degos V, Anesthesiology, accepté
Cerebrovascular Inflammation
Cytokines and chemokines
Excitability and neuronal death
Leucocytes Infiltration
Microglial Activation
Toxic Effects ?
Local Infection healing Immune response control
Positive Effects ?
Partenaires impliqués dans la Neuroinflammation
Modèles animaux de lésions cérébrales aigues: Activation Microgliale
Ctrl 4h Ibo 4h
Tahraoui, Brain Pathol 2001
0.5h 2h 4h 8h 24h 3d 5d 25d0
25
50
75
Lect
in+
cel
ls /
0.03
mm
²
Activation microgliale massive et rapide
Agoniste Glutamate
Activation Microgliale dans les lésions cérébrales aigues
In vivo: 3 h après lésion glutamatergique
Activation Microgliale Comment ??
Lectin
Récepteurs NMDA Microgliaux in vivo
Co-localisation NMDAR1 et marqueurs spécifiques microgliaux
Mouse P5 Mouse P60 Human Foetus
Human Adult
NMDAR1 Iba1
NMDAR1 Iba1 NMDAR1
Iba1
NMDAR1 Iba1
Degos, Kaindl et Peineau, AON, 2012
Activation microgliale glutamatergique et toxicité neuronale
Degos, Kaindl et Peineau, AON, 2012
KO Conditionnel NR1-microglial: effets neuroprotecteurs
Injection IC, Agoniste au glutamate Agoniste
Glutamate
Ctrl KO0
250
500
750
1000
1250
******
Les
ion
siz
e (
µm
)
souris P5 souris P45
Degos, Kaindl et Peineau, AON, 2012
Activation Microgliale glutamatergique
Conséquences de la neuro-inflammation aigue
Inflammation cérébrale
Infiltration Leucocytaire Activation Microgliale
Cytokines Chémokines
iNOS/NO R. Libres
Œdème cérébral, Mort neuronale
Sensibilisation Neuronale par IL1
Eicosanoïdes MMPs
Cerveau “non lésé”
Aggression péri-opératoire du cerveau non-lésé: POCD
Anesthesiology, 2008
POCD: Plus de 10% des malades de plus de 60 ans Associé avec la mortalité à 1 an
Nouvel enjeu péri-opératoire
Modèle murin de fracture-ostéosynthèse tibiale
Tibia’s fracture +osteosynthesis model
L’IL-1β entraine une modification de la fonction neuronale
Systemic inflammation generates microglial/macrophage activation
NAIVE LPS
Tibia # SHAM
CD11b staining 24 hours after
Cibelli, AON 2010 and Terrando CC 2010
Depletion of CCR2+ in the Hippocampus
0
50
100
150
200
* **
D.Gyrus CA.3
clodrolip - + - +
Rel
ativ
e C
CR
2+ ce
lls (%
)
D. Gyrus CA.3
A B
CX
3C
R1
CC
R2
-DA
PI
CC
R2
-DA
PI
CC
R2
-DA
PI
clodrolip CT-lip C
Degos V, Anesthesiology, 2013
Clodrolip prevents surgery-induced cognitive decline
0
25
50
75
100
clodrolipTibia fracture
- +- -
- ++ +
Free
zing
tim
e (%
)
0
25
50
75
100
*
§
15 15 20 20
clodrolipTibia fracture
- +- -
- ++ +
Free
zing
tim
e (%
)
Degos V, Anesthesiology, 2013
Role causal des cytokines pro-inflammatoires
MyD88 Mediates Cognit ive Decline Following Surgery. We had pre-viously shown that IL-1 perpetuates the in ammatory responsein our model, and is prevented by blockade of IL-1 by IL-1 re-
ceptor antagonist pretreatment (18). To assess the relationshipbetween the TNF- and the IL-1-dependent pathways, we studiedthe effects of surgery in mice lacking MyD88, the key signaling
Fig. 1. TNF-α and HMGB-1 measuredby ELISA were increased following tib-ial surgery. (A) Plasma levels of TNF-αwere signi cantly increased after 30min from skin incision; (B) HMGB-1 wasup-regulated after 1 h, peaking at 6 h,and returning to baseline thereafter.Plasma levels of both TNF-α (C) andHMGB-1 (D) remained at baseline fol-lowing exposure to general anesthe-sia (2.1% iso urane) and analgesia(buprenorphine, 1 mg/kg s.c.). Resultsare expressed as mean ± SEM (n = 6).* , P < 0.05; * * , P < 0.001 versus na-ive by one-way ANOVA followed byStudent-Newman-Keuls test. ND, notdetermined.
Fig. 2. Effect s of ant i-TNF pro-phylaxis on systemic cytokines, neu-roin ammation and cognit ive be-havior. (A) Systemic IL-1β and (B) IL-6levels following ant i-TNF administra-t ion 18 h preoperat ively. Delayed ad-ministrat ion (1 h) of the ant ibody didnot provide any reduct ion in plasmacytokines. (C) Hippocampi were ex-tracted 6 h after surgery. Surgery withpreemptive administrat ion of ant i-TNF resulted in no changes in expres-sion of IL-1β compared with naivemice. (D) Densitometry of microglialimmunostaining with CD11b. One dayafter surgery, mice showed signi cantmicrogliosis compared with naive andsurgical mice treated with ant i-TNF.(E) Mice subjected to surgery exhi-bited reduced freezing to contextwhen compared with naive mice;preoperat ive administrat ion (18 h) ofant i-TNF mit igated the contextualfear memory impairment. Error barsrepresent the means± SEM (n = 6, n =10 for acute behavior). * , P< 0.05; * * ,P < 0.01; * * * , P < 0.001 by repeatedmeasures ANOVA followed by Stu-dent-Newman-Keu ls test . Kruskal-Wallis followed by the Dunn’s mult i-ple comparison test was used forcategorical data. Ab, ant ibody; D, 1 hdelayed administrat ion of ant ibody;N + Ab, naive + Ab; S, surgery.
Terrando et al. PNAS | November 23, 2010 | vol. 107 | no. 47 | 20519
NEUR
OSC
IEN
CE
Cibelli, AoN, 2010 Terrando, PNAS, 2010
TNF TNF
MCP-1
CCR2
Neuro-inflammation
Hippocampus
Cytokine release
Glial activation
LTP disruption
POCD
Chirurgie osseuse
Cytokines Pro-inflammatoires
BBB BMD- phagocyte activation
Inflammation périphérique
Communication périphérique-cerveau
Production cytokinique intracérébrale
Récepteurs cytokiniques voies signalisations
Interaction intercellulaire Neurones
Microglies
Astrocytes
Endothelium Leucocytes
Neuro-inflammation aigue
Neuroinflammation aigue en Anesthésie Réanimation
Inflammation systémique: -Association fréquente avec lésions cérébrales aigues chez l’Homme (AVC, TC) -Facteur pronostique identifiée -Impliquée dans troubles cognitifs postopératoires
Inflammation cérébrale: -Production cytokinique intracérébrale: effet sensibilisant par exacerbation des mécanismes excitotoxiques -Activation microgliale mise en jeux rapidement dans l’agression cérébrale -Recrutement leucocytaire intra-cérébral: impliqué dans l’aggravation des lésions cérébrales et dans la réponse au
stress chirurgical
Agression inflammatoire cérébrale: nouvelle cible pharmacologique
Nouvel axe de recherche pour prévenir l’apparition de lésions cérébrales
Equipe INSERM ouverte à toute les bonnes volontés……
Contact : [email protected]