Rôle de la morphologie neuronale dans la régulation des flux moléculaires de l’ECS du cortex cérébral : un mécanisme potentiel de la neuroprotection dépendante d’IGF

The role of neuron morphology in the regulation of molecular fluxes in the ECS of the cerebral cortex : A potential mechanism of IGF-dependant neuroprotection

• Auteur / Autrice : Claire Camus
• Direction : Martin Holzenberger, Sabah Aïd
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie intégrée
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche Saint-Antoine (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Claude Potier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mario Pende, Bertrand Tavitian, Jean-Léon Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fanchon Bourasset, Jean-François Ghersi-Egea

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neuroprotecteurs

Clairance

Espace extracellulaire

Cortex cérébral

Plasticité neuronale

Mots clés libres

Morphologie neuronale

ECS

Cortex cérébral

Signalisation IGF

Clairance cérébrale

Neuroprotection

Neuronal morphology

ECS

Cerebral cortex

IGF signaling

Cerebral clearance

Neuroprotection

Résumé

L’espace extracellulaire entre les cellules du tissu nerveux (ECS) est le siège de flux moléculaires constants et essentiels à la physiologie cérébrale. Ces flux sont toutefois fortement dépendants de la grande complexité des surfaces cellulaires qui délimitent l’ECS et de l’enchevêtrement de ses constituants matriciels. Initialement considéré comme relativement immuable, l’ECS est en réalité très dynamique. Son volume accessible aux solutés représente 15 à 20 % du volume cérébral et sa structure réticulaire, qui entrave leurs flux moléculaires — contrainte appelée tortuosité — varient fortement à court et long termes en fonction de l’âge, du rythme circadien et de l’environnement. Cette plasticité de l’ECS joue un rôle majeur dans la clairance cérébrale et son altération semble être impliquée dans le vieillissement cérébral ainsi que dans le développement et la progression de protéinopathies. La pathogenèse de ces maladies, comme la maladie d’Alzheimer (MA) par exemple, repose sur l’agrégation de peptides toxiques qui s’accumulent dans le parenchyme cérébral et causent la mort neuronale. On ne sait pas encore si ce phénomène est une cause ou une conséquence de la baisse de la clairance cérébrale observée dans ces pathologies. Il est en revanche certain que la diminution de ces flux d’épuration contribue à entretenir la pathologie dans les deux cas. J’ai pensé qu’une manière de lutter contre la protéotoxicité pourrait être de préserver de façon durable des flux moléculaires efficaces dans l’ECS, en régulant ce qui peut concourir à entraver la progression des molécules, c’est-à-dire en diminuant sa tortuosité. Une approche consisterait à intervenir sur la forme des parois de l’ECS, notamment sur la morphologie des prolongements et des corps cellulaires, en agissant sur des régulateurs de la taille cellulaire. Un candidat intéressant est le récepteur de type 1 des facteurs de croissance insulinosemblables, IGF1R, impliqué dans le contrôle de la taille cellulaire, et dont le knockout (KO) neuronal confère aux neurones une résistance accrue aux stress hypoxiques et protéotoxiques d’une part, et une morphologie plus compacte d’autre part. En parallèle, notre équipe a montré que des souris modèles de la MA étaient protégées contre le déclin cognitif, la mort neuronale et l’accumulation d’espèces amyloïdes dans le parenchyme cérébral quand la signalisation IGF1R neuronale était supprimée. Gontier et al. ont notamment identifié la clairance cérébrale comme un acteur de cette neuroprotection. Ces données m’ont amenée à formuler l’hypothèse que la compaction de la morphologie neuronale due au KO d’IGF1R permet de réduire la tortuosité de l’ECS de sorte à faciliter les flux moléculaires et la clairance à long terme dans le parenchyme cérébral. J’étudie dans ma thèse la réponse fonctionnelle de l’ECS à une réduction volumique pérenne d’un de ses constituants majoritaires, la population neuronale. J’ai injecté par stéréotaxie des macromolécules paramagnétiques ou marquées par fluorescence directement dans le cortex de souris KO conditionnel inductible pour l’IGF1R neuronal (inIGF1RKO), et analysé in et ex vivo, par IRM et microscopie optique, leurs mouvements dans l’ECS. J’ai montré qu’une morphologie neuronale plus mince favorisait les flux moléculaires dans l’ECS en facilitant la diffusion des solutés et en réduisant sa tortuosité. J’ai prouvé que cet effet facilitateur était présent dès l’âge adulte et se maintenait tout au long de la vie et du vieillissement de la souris. Enfin, j’ai établi que ces changements neuromorphologiques contribuaient à renforcer la relation neurovasculaire par un rapprochement relatif des neurones et des vaisseaux. Dans l’ensemble, mon travail contribue à une meilleure compréhension des phénomènes de neuroprotection dépendants d’IGF-1 et identifie la morphologie neuronale comme un régulateur des flux moléculaires à travers l’ECS et comme une cible potentielle dans la prévention contre la protéotoxicité.

Continuous interstitial molecular fluxes are essential to cerebral physiology. They occur in the extracellular space (ECS) of the brain that extends between all neural and glial cells. The efficiency of these fluxes depends on the extremely complex cell surfaces that delineate the ECS and on the entanglement of its matrix components. For many years, the ECS was considered to be rather unchanging and stable, but this compartment is in fact highly dynamic. The ECS volume fraction, defined as the space accessible to interstitial solute movements, represents 15 to 20% of the brain volume. Its reticular structure that hinders molecular fluxes is defined as tortuosity. These characteristics vary over time depending on age, circadian rhythm and environment. ECS plasticity is indeed a major determinant of cerebral clearance, and its alteration is thought to be involved in brain aging as well as in the development and progression of proteinopathies. Importantly, the pathogenesis of proteinopathies such as Alzheimer disease (AD) involves the intracerebral aggregation of toxic peptides that eventually accumulate in the brain parenchyma causing neuronal death. So far, we do not know whether these processes are responsible for defective cerebral clearance identified in proteinopathies, or if they result from it. Nonetheless, it is clear in both cases that reducing fluxes that eliminate waste metabolites contributes to maintaining and even exacerbating the disease. I thought that one way to fight proteotoxicity might consist in lastingly preserving effective molecular fluxes in the ECS. This could be achieved by diminishing ECS tortuosity, namely by regulating the cellular or molecular players that are physiologically limiting ECS solute movements in the brain. To this end, altering the morphology of the ECS walls, and in particular the morphology of cell bodies and processes by targeting cell size regulators, could be an innovative strategy to manipulate tortuosity. An interesting candidate is the insulin-like growth factor type 1 receptor (IGF1R) as it potently participates in the control of cell size. Knocking out this receptor in neurons leads to a noticeably compact neuronal morphology. IGF receptor is also strongly involved in the regulation of neuronal resistance to hypoxic and proteotoxic stresses. Our team showed previously that a mouse model of AD was protected against cognitive decline, neuronal loss and accumulation of amyloid species in the cerebral parenchyma when neuronal IGF1R signaling was suppressed. Importantly, Gontier et al. identified cerebral clearance as a functional player in this neuroprotection. Therefore, I hypothesized that the compaction of neuronal morphology resulting from neuronal IGF1R knockout could be sufficient to reduce ECS tortuosity, and thereby improve molecular fluxes and clearance in the cerebral parenchyma. My PhD work is thus focusing on the functional response of the ECS to a lasting reduction in neuronal cell volume. For that, I injected paramagnetic and fluorescently labeled macromolecules stereotactically in the cerebral cortex of inducible, neuronspecific IGF1R knockout mice (inIGF1RKO). I analyzed the macroscopic movements of these tracers in the ECS in vivo by MRI and by optical microscopy. I showed that a lean neuronal phenotype favors molecular fluxes in the ECS by facilitating diffusion and by reducing ECS tortuosity. I demonstrated that this facilitating effect existed in adult mutant mice at any age and was maintained throughout aging. I also established that neuromorphological changes contributed to strengthen the neurovascular relationship specifically by bringing the capillaries closer to the neurons. Altogether, my work contributes to a better understanding of the mechanisms underlying IGF-dependent neuroprotection. It identifies neuronal morphology as an important regulator of molecular flux through the ECS and as a potential target in the prevention of proteotoxic diseases.