Effets des agents anesthésiques sur le cerveau en développement : cartographie et caractérisation de l'apoptose induite par le sévoflurane sur cerveau entier de souris

General anesthetics effects on the developing brain: Whole-brain mapping and characterization of apoptosis induced by sevoflurane in mouse

• Auteur / Autrice : Chrystelle Sola
• Direction : Julie Perroy, Christophe Dadure
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IGF - Institut de Génomique Fonctionnelle
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PHYSIOPATHOLOGIE DE LA TRANSMISSION SYNAPTIQUE
• Jury : Président / Présidente : Etienne Audinat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Perroy, Christophe Dadure, Corinne Lejus-bourdeau, Souhayl Dahmani, Nada Sabourdin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Souhayl Dahmani, Nada Sabourdin

Mots clés

Mots clés libres

Anesthésie générale

Pédiatrique

Neuro-toxicité

Apoptose

Imagerie tridimentionnelle

Immiuno-histochimie

General Anesthesia

Pediatric

Neurotoxicity

Apoptosis

Imaging. Three-Dimensional

Immunohistochemistry

Résumé

Chaque année, des millions d'enfants ont recours à une intervention chirurgicale ou un acte diagnostique réalisés sous anesthésie générale. Si les bénéfices de l'action réversible des agents anesthésiques ne peuvent aujourd'hui être remis en cause, leur impact à long terme, notamment sur développement cérébral, est source de nombreuses préoccupations. Au cours des deux dernières décennies, des inquiétudes concernant la sécurité de l'anesthésie générale sont nées d'études expérimentales rapportant une mort diffuse des cellules cérébrales associées à des troubles neurocognitifs après exposition à la plupart des agents anesthésiques utilisés en clinique et sur différents modèles animaux, allant du nématode au primate. Bien qu'il fût longtemps supposé qu’une mort cellulaire accrue au niveau de certaines zones cérébrales puisse expliquer les déficiences neurocognitives observées, aucune preuve d’un tel lien de causalité n'a pu être établie à ce jour. Ce projet de thèse avait pour objectif d’établir une cartographie tridimensionnelle exhaustive de l’apoptose induite par l’exposition au sévoflurane sur le cerveau entier de souris au cours de son développement. Pour ce faire, nous avons appliqué une technique émergente de clarification des tissus, couplée à l'imagerie en trois dimensions (i-DISCO - three-dimensional imaging of solvent-cleared organs). Cette première étape nous a permis d’identifier les zones les plus affectées par l’exposition au sévoflurane. Guidé par cette cartographie, nous avons alors précisé la distribution anatomique des lésions et effectué une caractérisation immuno-cytochimique des cellules apoptotiques. Sur cerveaux entier de souris, nous avons constaté une augmentation significative de la coloration de la caspase-3 clivée chez les animaux exposés au sévoflurane en période néonatale. En revanche, aucune différence du marquage de la caspase-3 clivée n’a été retrouvée chez les animaux exposés en périodes juvénile ou adulte. La création d'un atlas du cerveau néonatal nous a permis de préciser que le néocortex était la zone la plus touchée, suivie par le striatum et le métencéphale. Au niveau du cortex, cette apoptose n’était pas homogène mais suivait des gradients inter- et intra-corticaux. La caractérisation histologique a révélé que 70 % des cellules apoptotiques étaient des neurones post-mitotiques dont un quart étaient GABAergiques. La période néonatale est ainsi apparue comme une fenêtre étroite de suceptibilité à l’apoptose induite par le sévoflurane. Les lésions impliquaient principalement le néocortex tandis que nous n’avons mis en évidence auncun dommage significatif au niveau de l’hippocampe. L'identification de gradients inter-corticaux et intra-laminaires pourraient traduire les spécificités temporo-spatiales de la maturation différentielle d’aires corticales fonctionnellement distinctes. Cette cartographie exhaustive de l’apoptose induite par l’exposition précoce à une anesthésie au sévoflurane représente une voie de recherche prometteuse vers une meilleure compréhension des mécanismes sou jacents et la recherche de stratégies neuroprotectrices permettant de réduire l'impact des conséquences potentielles de l’exposition précoce à une anesthésie générale.

Every year, millions of children undergo surgical or diagnostic procedures performed under general anesthesia. While the benefits of reversible action of anesthetic agents cannot be questioned today, their long-term impact, particularly on brain development, remains a significant concern. Over the past two decades, safety issues regarding general anesthesia have arisen from experimental studies reporting widespread brain cell death associated with neurocognitive impairments after exposure to most clinically used anesthetic agents across various animal models, ranging from nematodes to non-human primates. Although it was long assumed that increased cell death in specific brain regions might explain observed neurocognitive deficits, no conclusive evidence of such a causal link has been established to date. This thesis project was designed to establish an exhaustive three-dimensional mapping of apoptosis induced by sevoflurane exposure in the whole mouse brain during its development. For that purpose, we applied an emerging tissue clarification technique coupled with three-dimensional imaging (i-DISCO - three-dimensional imaging of solvent-cleared organs). This first step enabled us to identify the areas most affected by sevoflurane exposure. Guided by this mapping, we then specified the anatomical distribution of the lesions and conducted an immuno-cytochemical characterization of the apoptotic cells. In whole mouse brains, we observed a significant increase in cleaved caspase-3 staining in animals exposed to sevoflurane during the neonatal period. However, no difference in cleaved caspase-3 labeling was found in animals exposed during juvenile or adult developmental stages. The creation of an atlas of the neonatal brain enabled us to specify that the neocortex was the area most affected, followed by the striatum and the metencephalon. In the cortex, this apoptosis was not homogeneous but followed inter- and intra-cortical gradients. Histological characterization revealed that 70% of the apoptotic cells were post-mitotic neurons, a quarter of which were GABAergic. The neonatal period thus appeared to be a narrow window of susceptibility to sevoflurane-induced apoptosis. The lesions mainly involved the neocortex, while no significant damage was observed in the hippocampus. The identification of inter-cortical and intra-laminar gradients could reflect the temporo-spatial specificities of the differential maturation of functionally distinct cortical areas. This anatomical mapping of apoptosis induced by early exposure to sevoflurane anesthesia represents a promising approach towards a better understanding of the underlying mechanisms and exploring neuroprotective strategies to mitigate the impact of the potential consequences of early exposure to general anaesthesia.