De la caractérisation cellulaire et moléculaire de la neuroinflammation dans l’épilepsie à sa résolution par l’utilisation de cellules souches mésenchymateuses

Despite the diversity of anti-epileptic drugs available to reduce neuronal excitability, nearly one-third of patients with temporal lobe epilepsy (TLE) remain resistant to treatment. Accumulating evidence supports a role for neuroinflammation as a primary driver of epileptogenesis occurring after brain insults, as a self-perpetuating factor of epileptic seizure activity, but also as a major contributor to epilepsy co-morbidities such as cognitive dysfunctions and mental-health conditions. This thesis first attempted to characterize inflammation in the resected hippocampus of TLE patients, before studying it in rats during the chronic phase of epilepsy following status epilepticus (SE) or during the acute phase after brain insults. Based on the quantitation of prototypical inflammatory gene transcripts that we have measured, we have shown that some, not all, TLE patients may present with a hippocampal inflammatory status that is likely to correspond to low-grade inflammation, thus challenging the dogma invoking neuroinflammation as a prerequisite to the symptomatology of epilepsy. In addition, access to early phases of the disease in animal models has allowed us to show that the extent of neuroinflammation measured during the chronic phase of epilepsy has no common measure with the explosive inflammation present during the early phases of epileptogenesis. The corollary of this first part was to define the cellular origin of this cerebral neuroinflammation. Numerous studies in the literature have shown the well-known role of peripheral monocytes, which infiltrate the brain parenchyma in many neurological diseases and contribute to the production of inflammatory molecules. The fate of these cells in the epileptic brain has been little explored so far due to the lack of reliable markers to follow them over time in rats. In this thesis, we identified two specific markers, heparan sulfate chains and CD68, which allowed us to monitor the infiltration of these monocytes, their transdifferentiation into monocyte-macrophages morphologically similar to activated microglial cells, as well as their long-term integration into the microglial network. We evaluated the contribution of parenchymal glial cells, astrocytes and microglia, to inflammatory status by detecting in situ the mRNA of IL-1β considered as the prototypic marker of the inflammatory response. We have shown that, in our model, microglia is the main producer of pro-inflammatory molecules in the acute phase after brain-insult, the astrocytes also participating, but to a much lesser extent. We then sought to modulate this neuroinflammation by early injection of mesenchymal stem cells (MSCs) after pro-epileptogenic brain damage, these cells having been used in many models of neurological diseases for their anti-inflammatory and neuroprotective properties. In addition to comparing a single administration to a repeated administration of MSCs following the brain insult, the innovative aspect of our project was the intranasal route chosen to administer MSCs in our animal model of epilepsy. Surprisingly, no effect on early molecular neuroinflammation was measured. Nevertheless, changes in the cellular inflammatory response have been observed, including more pronounced transdifferentiation of infiltrating monocytes, leading to an increase in their cellular volume. In addition, at the functional level, we evaluated the long-term potentiation (LTP) of the hippocampal CA1 pyramidal neurons, which is a mechanism underlying the molecular and cellular processes of learning. We have shown that the injection of MSCs has prevented the alteration of LTP, but without any difference between the groups receiving single versus repeated MSCs administration. Hence, these results open up new therapeutic hopes for epileptic patients with cognitive disordersMalgré la diversité d’antiépileptiques disponibles ayant pour but la réduction de l’excitabilité neuronale, près d’un tiers des patients souffrant d’épilepsie du lobe temporal demeurent résistants aux traitements. La neuroinflammation est aujourd’hui considérée comme une composante majeure contribuant non seulement à la mise en place des crises d’épilepsie et leur perpétuation, mais également aux troubles cognitifs et psycho-affectifs associés à la pathologie. Dans ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps cherché à caractériser cette inflammation dans des pièces réséquées de patients épileptiques, avant de l’étudier dans des modèles animaux, des phases les plus précoces de l’épileptogenèse faisant suite à l’agression cérébrale aux phases plus tardives de l’épilepsie chronique. Sur la base des marqueurs prototypiques de l’inflammation que nous avons mesurés, nous avons mis en évidence que l’inflammation peut être inexistante au sein du foyer épileptique du patient, mais que lorsqu’elle est présente, elle est dite de bas bruit, remettant ainsi en cause le dogme invoquant la neuroinflammation comme condition sine qua non associée à la symptomatologie de l’épilepsie. De surcroît, l’accès par les modèles animaux de la maladie à des phases précoces de la transformation du tissu sain en tissu épileptique (épileptogenèse) nous a permis de montrer que l’ampleur de la neuroinflammation mesurée pendant la phase chronique de l’épilepsie n’a de commune mesure avec l’inflammation explosive présente pendant les phases précoces de l’épileptogenèse. La question posée ensuite a été celle de l’origine cellulaire de cette neuroinflammation cérébrale. De nombreux travaux de la littérature ont montré le rôle manifeste de cellules immunitaires périphériques, les monocytes, qui infiltrent le parenchyme cérébral dans de nombreuses pathologies neurologiques et contribuent à la production de molécules inflammatoires. Le devenir de ces cellules dans le cerveau épileptique n’a été que peu exploré jusqu’à présent de par l’absence de marqueurs fiables permettant de les suivre dans le temps chez le rat. Nous avons identifié au cours de cette thèse deux marqueurs spécifiques, les chaines de sulfates d’héparane ainsi que le CD68, nous ayant permis de suivre l’infiltration de ces monocytes, leur transdifférenciation en monocytes-macrophages morphologiquement similaires aux cellules microgliales activées, ainsi que leur intégration au long cours dans le réseau microglial. Nous avons ensuite cherché à moduler cette neuroinflammation par l’injection précoce de cellules souches mésenchymateuses (CSM) après l’agression cérébrale pro-épileptogène, ces cellules ayant été utilisées dans de nombreux modèles de maladies neurologiques pour leurs propriétés anti-inflammatoires et neuroprotectrices. Outre la comparaison d’une administration unique à celle d’une administration répétée intervenant à la suite de l’agression cérébrale, l’aspect novateur de notre projet résidait dans la voie intranasale choisie pour administrer les CSM dans notre modèle animal d’épilepsie. De façon surprenante, aucun effet sur la neuroinflammation moléculaire précoce n’a été mesuré. Néanmoins, il a été observé des modifications de la réponse inflammatoire cellulaire avec notamment une transdifférenciation plus marquée des monocytes infiltrants ayant conduit à une augmentation de leur volume cellulaire. Par ailleurs, au niveau fonctionnel, nous avons évalué la potentialisation à long-terme (LTP) des neurones pyramidaux de la couche CA1 de l’hippocampe, qui est un mécanisme sous-tendant les processus moléculaires et cellulaires de l’apprentissage. Nous avons montré que l’injection des CSM a permis de prévenir l’altération de la LTP, sans toutefois montrer d’effet additionnel de l’injection répétée de CSM par rapport à l’injection unique. Ces résultats ouvrent ainsi de nouveaux espoirs thérapeutiques pour les patients épileptiques souffrant de troubles cognitif