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 : degosv@gmail.com