Étude des effets respiratoires de la stimulation trans-spinale en courant continu comme approche non invasive dans le contexte des syndromes d’hypoventilation centrale

Study of respiratory neuroplasticity induced by transcutaneous cervical direct current stimulation on central hypoventilation mouse model. A therapeutic lead?

• Auteur / Autrice : Roman Delucenay-Clarke
• Direction : Laurence Bodineau, Florence Cayetanot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurophysiologie respiratoire expérimentale et clinique (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Serradas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Peyronnet-Roux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Charles Viemari, Nicolas Voituron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Souris de laboratoire

Stimulation transcrânienne à courant continu

Hypoventilation pulmonaire

Plasticité neuronale

Neurostimulation

Mots clés libres

Neuroplasticité

Hypoventilation

Stimulation

Respiration

Syndromes hypoventilation centrale

Neuroplasticity

Hypoventilation

Stimulation

Breathing

Central hypoventilation syndromes

Résumé

Les syndromes d’hypoventilation centrale (CHS) sont des affectations neurorespiratoires qui peuvent être d’origine acquise ou génétique. Ils sont caractérisés par une instabilité ventilatoire et la réduction voire l’absence de la chémosensibilité au CO2/H+ du fait d’un dysfonctionnement du réseau neuronal respiratoire. Aucun traitement curatif n’existe à ce jour. C’est dans ce contexte que la stimulation en courant continu (DCS), un outil thérapeutique non-invasif basé sur l’application d’un courant continu de faible intensité, pourrait être une perspective intéressante. En effet, des données obtenues au sein de l’UMR_S1158 sur des sujets sains ont mis en évidence qu’appliquée en regard des segments C3-C5 de la moelle épinière cervicale (tsDCS pour trans-spinal DCS), la tsDCS cathodale augmente les variables ventilatoires. Avant d’envisager d’appliquer de telles stimulations à des patients CHS pour corriger ou réduire leur hypoventilation, il est nécessaire de valider son intérêt thérapeutique et de décrypter les mécanismes d’action sur des modèles précliniques de CHS. Ce travail doctoral avait pour objectifs : 1/de transposer à la souris l’approche de tsDCS cervicale cathodale développée chez l’humain ; 2/de déterminer si la tsDCS cathodale appliquée au niveau cervical stimulait la ventilation de souris modélisant le syndrome d’hypoventilation associée à l’obésité (souris LepObOb) et le syndrome d’hypoventilation centrale congénitale ou syndrome d’Ondine (souris Egr2cre/+ ; Phox2b27Ala/+) ; 3/de déterminer les mécanismes mis en jeu par la tsDCS cathodale cervicale ayant conduit à une éventuelle amélioration de la ventilation. Ces différents éléments ont été explorés à l’aide de diverses approches expérimentales, l’enregistrement des variables ventilatoires par pléthysmographie corps entier, la mesure de la saturation en dioxygène de l'hémoglobine par oxymétrie de pouls (SpO2), le séquençage des ARN au sein des régions encéphaliques comprenant le réseau neuronal respiratoire et la détection immunohistochimique de marqueurs fonctionnel et phénotypique au sein des régions ponto-bulbaires. Nous avons transposé l’approche de tsDCS cervicale mise au point chez l’humain à la souris et l’avons appliquée durant 5 jours consécutifs (travail mené sur des souris WT OF1). La comparaison de souris OF1 tsDCS et de souris sham (subissant les mêmes procédures à l’exception de la délivrance du courant électrique) a mis en évidence que celle-ci stimulait la ventilation par un effet au niveau de la fréquence respiratoire et du volume courant. Nous avons ensuite appliqué la procédure mise au point chez les souris OF1 aux souris LepOb/Ob et aux souris Egr2cre/+ ; Phox2b27Ala/+. Les données obtenues chez les souris LepOb/Ob ont mis en évidence que la tsDCS cathodale cervicale stimulait leur ventilation par un effet principalement porté par une augmentation de la fréquence respiratoire et réduisait le temps passé en hypoventilation (SpO2 ≤ 95%). Ces observations physiologiques étaient accompagnées d’une différence d’expression génique au niveau du bulbe rachidien suggérant un impact de la tsDCS d’une part au niveau axonal/terminaison présynaptique et d’autre part au niveau des systèmes catécholaminergiques. Chez les souris Egr2cre/+ ; Phox2b27Ala/+, les données obtenues, qui restent encore préliminaires et doivent être complétées, ne montrent pas de modification de la ventilation spontanée et peu de modification de la ventilation lors d’une l’hypercapnie modérée (4% CO2). Ainsi, la tsDCS cathodale cervicale semble être une approche pertinente pour stimuler la ventilation dans le cadre du contexte physiopathologique du syndrome d’hypoventilation associé à l’obésité. Cette stimulation semble dépendre de la mise en place de phénomènes de neuroplasticité au sein du réseau neuronal respiratoire.

Central hypoventilation syndromes (CHS) are neurorespiratory pathologies that can be of acquired or genetic form. They are characterised by unstable ventilation and reduced or absence of CO2/H+ chemosensitivity caused by neuronal dysfunctions in the respiratory network. No curative treatment exists to this day. In this context, the use of direct current stimulation (DCS), a non-invasive therapeutic tool based on the application of low intensity direct current, could be an interesting prospect. Data obtained within UMR_S1158 on healthy subjects have put to light the fact that when applied to C3-C5 segments of the cervical spinal cord (tsDCS for trans-spinal DCS), cathodal tsDCS increases breathing variables. Prior to considering applying cervical cathodal tsDCS to CHS patients to correct or diminish their hypoventilation, it is necessary to validate its therapeutic interest and identify the associated mechanisms in preclinical CHS models. The doctoral work’s objectives were: 1/ to transpose the cathodal cervical tsDCS developed on humans to mice; 2/ to determine whether cathodal tsDCS applied to upper cervical regions could stimulate the ventilation in mice models for obesity hypoventilation syndromes (LepOb/Ob mice) and congenital central hypoventilation syndromes (also named Ondine syndrome; Egr2cre/+; Phox2b27Ala/+); 3/ to determine the mechanisms induced by cervical cathodal tsDCS that led to an eventual improvement in ventilation. All these elements were investigated using different experimental approaches: recordings of breathing variables by recording ventilatory variables by whole-body plethysmography, oxygen-saturated haemoglobin (SpO2) measures with pulse oximeter, RNA sequencing within brain regions that include the neuronal respiratory network and the immunohistochemical detection of functional and phenotypic markers within ponto-medullary regions. We transposed the cervical tsDCS approach done to humans to mice and applied it for 5 consecutive days (experiments lead on WT OF1 mice). The comparison of tsDCS and sham OF1 mice (which received the same procedures with the exception of electrical current delivery) led to the conclusion that this tool stimulated ventilation through an effect on respiratory frequency and tidal volume. We then applied the procedure developed on WT OF1 mice to LepOb/Ob mice and Egr2cre/+; Phox2b27Ala/+. The obtained data on LepOb/Ob have put to light that cathodal cervical tsDCS stimulated their ventilation by especially increasing respiratory frequency and by decreasing the time spent in hypoventilation (SpO2≤ 95%). These physiological observations were followed by gene expression differences in the medulla oblongata, suggesting an impact of tsDCS both at the synaptic axons/presynaptic termination level and on catecholaminergic systems. Data from Egr2cre/+; Phox2b27Ala/+ mutant mice are still preliminary and must be completed. Of what was observed so far, there was no modification of spontaneous ventilation and only few changes in ventilation under moderate hypercapnic conditions (CO2 4%). Overall cathodal cervical tsDCS is a relevant approach for ventilation stimulation in the physiopathology context of obesity hypoventilation syndrome. This stimulation seems to depend on the setup of neuroplasticity phenomena within the neuronal respiratory network.