Modèles murins de pathologies cochléo-vestibulaires : une approche fonctionnelle du système vestibulaire

Murine models of cochleo-vestibular disorders : a function approach of the vestibular system

• Auteur / Autrice : François Simon
• Direction : Mathieu Beraneck, Françoise Denoyelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 02/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Neurosciences intégratives et cognition (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Natacha Crozat-Teissier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natacha Crozat-Teissier, Cécile Parietti-Winkler, Christophe Lopez, Said Safieddine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Parietti-Winkler, Christophe Lopez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oreille interne -- Maladies

Troubles de l'équilibre

Chez l'enfant

Système vestibulaire

Mots clés libres

Vestibule

Cochléo-vestibulaire

Souris

Murin

Exploration fonctionnelle

Vertige

Modèle

Vestibule

Cochleo-vestibular

Mouse

Murine

Functional exploration

Dizziness

Model

Résumé

Les déficits vestibulaires chez l’enfant sont retrouvés dans environ un tiers des consultations pour troubles de l’équilibre et dans la moitié des consultations pré-implant cochléaire. Les complications peuvent être importantes avec des troubles de l’équilibre, un retard à l’acquisition de la verticalité, un déficit de la stabilisation du regard, de l’orientation spatiale et de la construction du soi. Les modèles murins peuvent aider à mieux comprendre la physiologie vestibulaire, à identifier les acteurs moléculaires ou cellulaires de la physiopathologie vestibulaires, et aider à mettre en place des thérapeutiques innovantes telles que la thérapie génique. L’exploration fonctionnelle chez la souris permet grâce à la vidéonystagmographie, d’explorer différents réflexes vestibulo-oculaires canalaires et otolithiques. Nous avons dans ce travail exploré différents modèles murins, soit des modèles mutants (inactivation des gènes de la clarine, snap-25 ou celsr1), soit des souris normales en induisant une lésion vestibulaire chirurgicale ou chimique par kaïnate (TTK) ou 3-3’-iminodipropanenitrile (IDPN). Les mutations du gène CLARINE-1 sont responsables du syndrome cochléo-vestibulaire de Usher type III. Des modèles murins avec invalidation des gènes clarine-1 et/ou clarine-2 ont été développés pour comprendre le rôle de ces molécules. Nous avons montré que la clarine-1 semble indispensable au bon fonctionnement vestibulaire (dysfonction en son absence malgré une présence de clarine-2), à l’inverse de la clarine-2. La molécule SNAP-25 est une protéine impliquée dans le mécanisme d’exocytose synaptique des cellules ciliées. L’exploration fonctionnelle des souris snap-25-KO sans thérapie génique a montré des déficits canalaire et otolithique complets. La fonction vestibulaire était entièrement restaurée après thérapie génique, ce qui semble montrer le caractère essentiel de la protéine snap25 dans le fonctionnement de la cellule ciliée vestibulaire mature. Enfin, la molécule CELSR1 est une protéine qui participe à la polarité cellulaire planaire et le modèle de souris celsr1-KO présente une désorganisation de la polarité des cellules ciliées vestibulaires chez la souris, surtout au niveau de la cupule. L’étude fonctionnelle a montré chez les souris mutantes une hypo-fonction canalaire d’environ 50% surtout sur les basses fréquences et otolithique d’environ 70%. La polarité ciliaire semble critique pour le bon fonctionnement otolithique, ainsi que le recrutement d’un nombre suffisant de cellules ciliées avec des informations concordantes pour les mouvements rotatoires, surtout lents. Le modèle de lésion vestibulaire le plus ancien pour étudier la compensation vestibulaire chez le rongeur est chirurgical. Une labyrinthectomie unilatérale (UL) est plus simple à réaliser avec moins de comorbidités qu’une neurectomie unilatérale du VIII (UVN), même si cette dernière technique est utile si une destruction du premier neurone vestibulaire est recherchée. La fonction vestibulaire résiduelle et la récupération fonctionnelle sont cependant comparables pendant le 1er mois de compensation. Un autre modèle de lésion chimique a été développé par injection trans-tympanique de TTK, qui permet de déclencher une désafférentation des cellules ciliées, avec un déficit fonctionnel transitoire et partiel par rapport à la neurectomie. Enfin une lésion chimique par injection péritonéale d’IDPN permet de détruire préférentiellement les cellules de type I. L’analyse fonctionnelle a montré une relation dose-dépendante, avec un déficit canalaire surtout sur les fréquences rapides et un déficit otolithique peu prononcé lors d’inclinaisons statiques de la tête. L’exploration des troubles fonctionnels vestibulaires de modèles murins de pathologies cochléo-vestibulaires est une étape décisive pour permettre d’une part une meilleure compréhension de la physiopathologie et d’autre part le développement de thérapies ciblées comme la thérapie génique.

Vestibular deficits in children are found in about a third of consultations for balance disorders and in half of pre-cochlear implant consultations. Complications can be significant with, more importantly balance disorders and a delay in posture acquisitions (sitting position, walking), but also impaired of gaze stabilisation, spatial orientation or self-construction. Murine models can help better understand vestibular physiology, identify molecular or cellular mechanisms in vestibular pathophysiology, and help set up innovative treatments such as gene therapy. Functional exploration in mice enables, using videonystagmography, exploration of different vestibulo-ocular canal and otolith reflexes. In this work, we explored different murine models, either mutant models (inactivation of clarin, snap-25 or celsr1 genes), or normal mice inducing a surgical vestibular lesion or a chemical one by kainate (TTK) or 3-3'-iminodipropanenitrile (IDPN) injections. Mutations of the CLARINE-1 gene are responsible for the cochleo-vestibular syndrome of Usher type III. Murine models with inactivation of the clarin-1 and / or clarin-2 genes have been developed to better understand the role of these molecules. A total of 51 mice were explored. We have shown that clarin-1 seems essential for proper vestibular function (impairment in its absence despite the presence of clarin-2), unlike clarin-2. The SNAP-25 molecule is a protein involved in the mechanism of synaptic exocytosis in hair cells. A total of 29 mice were studied including 8 snap-25-KO mice treated by gene therapy. Vestibular explorations of Snap-25-KO mice without injection showed complete canalar and otolithic deficits. Vestibular function was fully restored after gene therapy, which seems to show the importance of the snap25 protein in the mature vestibular hair cell function. Finally, the CELSR1 molecule is a protein which participates in planar cell polarity and a celsr1-KO mouse model induced a disorganization of the polarity of vestibular hair cells, especially in the crista ampullaris. The functional study of 10 celsr1-KO mice and 10 control mice showed in mutant mice a 50% canalar hypofunction especially at low frequencies and a 70% otolithic residual function. Ciliary polarity appears to be particularly critical for correct otolithic function. Also, recruiting a sufficient numbers of hair cells with coherent directional information for rotational movements, especially during slow movements, seems important. The most radical vestibular lesion model to study vestibular compensation in rodents is surgery. A unilateral labyrinthectomy (UL) is simpler to perform with fewer comorbidities than a unilateral VIII neurectomy (UVN), although the latter technique is useful if destruction of the first vestibular neuron is required. The residual vestibular function and functional recovery are however similar during the 1st month of vestibular compensation. Another model is a chemical lesion by trans-tympanic injection of TTK, which triggers deafferentation of hair cells, and induces a transient and partial functional deficit compared to neurectomy. Finally, a chemical lesion by peritoneal injection of IDPN makes it possible to preferentially destroy type I hair cells. Functional analysis of 43 mice showed a dose-dependent relationship, with a canalar deficit, especially at fast frequencies and a moderate otolithic deficit during static inclinations of the head. Functional exploration of vestibular disorders in murine models of cochleo-vestibular pathologies is of paramount importance to, on the one hand, better understand of the pathophysiology of the vestibular organs and, on the other hand, enable the development of targeted treatment such as gene therapy.