L’équipe BHE et neuroinflammation dirigée par M. Khrestchatisky a été créée pour élargir au niveau neurovasculaire, le potentiel du laboratoire dans ses projets de recherche sur les maladies neurodégénératives et les processus neuroinflammatoires. En effet, le SNC est doté d’un microenvironnement finement régulé qui repose sur l’intégrité de la BHE. La plupart des maladies du SNC sont associées à une inflammation à BHE impliquant l’oxyde nitrique, des produits du métabolisme de l’acide arachidonique et l’expression de diverses cytokines, molécules d’adhésion, sérine et métallo-protéinases, etc. L’un de nos objectifs est de mieux comprendre les processus inflammatoires de la BHE en général, et plus particulièrement au cours de maladies neurodégénératives, avec pour ambition le développement de stratégies thérapeutiques visant à contrôler les effets délétères de l'inflammation. Nous utilisons des modèles in vitro de BHE et des modèles animaux de différentes maladies pour étudier les effets de molécules pro et anti-inflammatoires sur les propriétés de la BHE. L’un des autres objectifs généraux de l’équipe est d’exploiter les connaissances et la technologie générées sur la BHE pour améliorer la délivrance de médicaments à travers la BHE dans le SNC. Cet objectif est poursuivi en étroite collaboration avec VECT-HORUS, une société de biotechnologie « spin-off » de notre équipe, dédiée à la recherche translationnelle et au transfert. L’équipe BHE & Neuroinflammation et VECT-HORUS développent des molécules vecteurs facilitant le transport de médicaments à travers la BHE et de nouveaux agents thérapeutiques issus de la conjugaison de nos vecteurs avec des médicaments et des agents d'imagerie, brevetés ou libres de droits.
Le cerveau des mammifères est un réseau complexe de neurones et de cellules neurales de soutien telles que les astrocytes, la microglie et les oligodendrocytes. Le cerveau est également doté d'un système vasculaire particulier qui irrigue le tissu nerveux par le biais d'un réseau dense de capillaires cérébraux composés notamment de cellules endothéliales cérébrales. La longueur totale des capillaires dans le cerveau humain est d’environ 600 km et ils représentent une surface d’échange d’environ 20 m² entre le sang et le tissu nerveux. Cet échange est hautement régulé et le système vasculaire cérébral protège de manière très efficace le tissu nerveux en conditions physiologiques en limitant très efficacement le passage du sang vers le tissu nerveux de molécules toxiques, d’agents infectieux et de cellules de la périphérie. L'inconvénient est que ce système vasculaire cérébral empêche également le passage de plus de 98% des médicaments développés à ce jour. En raison de ses propriétés, le système vasculaire cérébral est connu sous le nom de "barrière hémato-encéphalique" (BHE).
L'équipe BHE & Neuroinflammation étudie les altérations de la BHE qui surviennent lors de maladies neurodégénératives, en particulier l'inflammation qui est associée à la perte de ses propriétés fondamentales et qui contribue à la pathologie. Les modifications de la BHE conduisent à un système vasculaire plus perméable permettant l'exposition des neurones et des cellules neurales à des agents pathogènes, des molécules toxiques, et à un excès de cellules immunitaires normalement cantonnées à la périphérie.
En partenariat avec VECT-HORUS, une société de biotechnologie issue de notre équipe et dédiée à la recherche translationnelle et à la valorisation, nous exploitons également les connaissances et les technologies générées sur la BHE pour améliorer la délivrance de médicaments dans le cerveau. En particulier, nous développons des «molécules vecteurs» auxquels nous conjuguons des médicaments ou des agents d'imagerie, libres de droits ou propriétaires, afin de faciliter leur transport à travers la BHE. Notre objectif est d'améliorer l'apport cérébral d'agents d'imagerie et thérapeutiques, en particulier les biomolécules tels que les anticorps qui prennent une place de plus en plus importante dans l'arsenal thérapeutique, afin d'améliorer leur efficacité et les perspectives de traitement de maladies neurodégénératives dévastatrices.
Figure 1:
A- Système vasculaire du cerveau humain.
B-Image au microscope électronique du système vasculaire cérébral avec les artérioles, les veinules et le réseau dense de microcapillaires qui constituent une partie importante de la BHE.
C- Les capillaires sont composés de cellules endothéliales en interaction étroite avec les péricytes et les pieds astrocytaires. Les cellules endothéliales établissent entre elles des jonctions serrées qui contribuent à l’imperméabilité de BHE.
D- Les cellules endothéliales du cerveau permettent le passage sélectif de différentes classes de molécules. Le transport ou la transcytose modulée par des récepteurs (RMT) est l'un des mécanismes physiologiques des cellules endothéliales cérébrales pour transporter des cargos de taille importante (protéines, particules) à travers la BHE, et qui peut être utilisé pour délivrer des agents d'imagerie et des médicaments, notamment des anticorps thérapeutiques, dans le tissu nerveux.
Figure 2 :
Schéma du processus RMT utilisé pour délivrer des médicaments à travers la BBB dans le tissu nerveux. Les cellules endothéliales (en jaune) établissent des jonctions serrées entre elles et la plupart des médicaments (D) ne traversent pas la BHE. Nous développons des molécules vecteurs (V) qui ont une affinité pour les récepteurs spécifiques de la BHE impliqués dans le processus de la RMT. Ces vecteurs peuvent être conjugués à des agents d'imagerie ou à des médicaments pour faciliter leur transport à travers les cellules endothéliales, et donc à travers la BHE, dans le tissu nerveux.
Les objectifs spécifiques de l’équipe BHE & Neuroinflammation sont de poursuivre ses collaborations en cours sur : i) l’inflammation de la BHE dans les maladies neurodégénératives, le métabolisme de l’APP, les cytokines et le rôle du système MMP/TIMP (équipe S. Rivera) ; ii) les cellules souches neurales et les technologies basées sur les cellules pluripotentes induites humaines (hiPS) pour le développement de modèles humains de BHE in vitro (F. Féron et E. Nivet) ; iii) les gliomes et le développement de nanoparticules ciblées ayant un potentiel anticancéreux (D. Figarella-Branger/D. Braguer, L'H. Ouafik, H. Kovacic) ; iv) l’imagerie du trafic intracellulaire dans les cellules endothéliales de la BHE (équipe C. Leterrier). Avec son partenaire VECT-HORUS, l’équipe poursuit ses activités de R&D à différents niveaux d’intégration, allant de la chimie à la conception de médicaments, en passant par la neurobiologie moléculaire et cellulaire, aux études les plus intégrées comprenant des modèles animaux de pathologie, de comportement, d’apprentissage et de mémoire (équipe F. Roman), et des études précliniques. Le transfert et la valorisation des recherches de l’équipe sont optimisés par la structure originale d’un Laboratoire Commun de Recherche (LCR), qui intègre les équipes académiques mentionnées ci-dessus et la société VECT-HORUS.
1. Inflammation de la BHE dans les pathologies neurodégénératives
PIs: P. Benech, L. Ferhat, M. Khrestchatisky; collaborations avec S. Rivera, E. Nivet, S. Desplat-Jego, partenariat avec VECT-HORUS.
Nous poursuivons nos études sur le transcriptome/protéome de microvaisseaux cérébraux, préparés à partir de modèles animaux de pathologies neurodégénératives, à différents stades de la pathologie, et de cellules endothéliales du SNC en culture (modèles de BHE in vitro), traitées ou non avec des molécules qui modulent l’inflammation. Les molécules d'intérêt et les voies de signalisation sont identifiées à l'aide des approches de la biologie des systèmes. Avec VECT-HORUS, nous poursuivons également le développement de modèles de BHE in vitro basés sur la technologie des cellules iPS qui permettent la mise en œuvre de tels modèles à partir de cellules humaines. Ces cellules peuvent être dérivées de patients et nous mettons en place des modèles de co-culture pour nous rapprocher de l'unité neuro-glio-vasculaire (collaboration E. Nivet et S. Rivera). Les résultats obtenus in vitro seront confrontés aux données in vivo obtenues à partir de microvaisseaux cérébraux de modèles animaux et chez l'homme.
2. Identification de nouveaux récepteurs cibles de la BHE et development of de molécules vecteurs optimisées
PIs: M. Khrestchatisky, L. Ferhat, P. Benech, partenariat avec VECT-HORUS
La transcytose, modulée notamment par des récepteurs (RMT), est considérée comme la stratégie la plus sûre et la plus efficace pour transporter des médicaments ou des agents d'imagerie dans le cerveau. Différents laboratoires et sociétés de biotechnologie ou pharma se sont concentrés sur une famille de récepteurs de «première génération», exprimés à la BHE. Cependant, ces récepteurs sont également exprimés dans certains organes périphériques, drainant des molécules vectorisées et pouvant induire des effets secondaires ou toxiques. Il est donc nécessaire d'identifier des récepteurs de «deuxième génération» qui sont exprimés au niveau de la BHE enflammée et aussi spécifiques que possible de la BHE. En collaboration avec VECT-HORUS, nous poursuivons nos études sur le transcriptome/protéome des cellules endothéliales du SNC issues de modèles animaux de pathologies neurodégénératives et de modèles BHE in vitro pour identifier de nouveaux récepteurs d'intérêt, dont certains sont en cours de validation. En parallèle, nous réalisons des cribles haut débit avec des banques de peptides et de « nanobodies » sur des lignées cellulaires exprimant des récepteurs d’intérêt ou sur des domaines de récepteur purifiés afin d’identifier des molécules (« hits ») se liant aux récepteurs (projet ANR NANOVECTOR). Enfin, nous développons et optimisons les peptides ou nanobodies « hits » pour les développer comme vecteurs, et évaluons leur potentiel de transport à travers la BHE.
3. Dévelopment de nouveaux agents d’imagerie et thérapeutiques vectorisés
PI: M. Khrestchatisky, partenariat avec VECT-HORUS
Une fois validés, les nouveaux vecteurs (efficaces, spécifiques de la BHE et non toxiques) sont conjugués à des agents d’imagerie ou thérapeutiques d’intérêt. Il s’agit notamment de petites molécules organiques, de biomolécules (siRNAs, peptides, enzymes, anticorps), libres de droits, ou propriétaires de l'industrie biotechnologique et pharmaceutique. Les conjugués sont évalués pour leur potentiel à traverser la BHE et à atteindre le tissu nerveux. Ils seront ensuite développés en tant que nouvelles entités chimiques jusqu’à des études précliniques avant d’être licenciés à des partenaires biotechnologiques ou pharmaceutiques.
