Mise au point d’un modèle in vitro de la barrière hémato-encéphalique pour l’étude de la perméabilité de médicaments

Abstract

La barrière hémato-encéphalique (BHE) est la structure formant les capillaires du système nerveux central (SNC). La BHE est responsable de maintenir l’homéostasie du cerveau en régulant précisé- ment les échanges entre le sang et le tissu cérébral. Elle est composée de trois types cellulaires : les cellules endothéliales (ECs), les péricytes (PCs) et les astrocytes (ACs). Du fait de ses propriétés très sélectives, la BHE est une des causes majeures des échecs observés dans le développement des médicaments destinés au SNC. En effet, ces médicaments en développement sont souvent in- capables de franchir la BHE pour atteindre leurs cibles thérapeutiques. C’est pour cette raison que la mise au point et l’utilisation de modèles de BHE sont cruciaux pour étudier la capacité de nou- veaux agents thérapeutiques à traverser la BHE mais également les mécanismes sous-jacents à leurs passages. Utilisé très tôt dans le développement pharmaceutique, un modèle de BHE infor- matif permettrait de réduire les échecs dans des phases de R&D plus avancées. Nous reportons dans cette thèse le développement et la validation d’un modèle de BHE réalisé sur un Transwell®, composé d’ECs extraites chez la souris. Les travaux ont été réalisés avec la perspective de fournir le plus d’informations possibles quant à la réalisation, l’utilisation et l’interprétation du modèle de BHE dans l’étude de la perméabilité de petites molécules en conditions saines et pathologiques.

Dans un premier temps, nous avons établi un protocole permettant l’isolation chez la souris des trois types cellulaires composant la BHE, soit les ECs chez la souris adulte, et les PCs et les ACs chez les nouveau-nés. Les méthodes décrites sont efficaces pour obtenir rapidement un grand nombre de cellules pures à moindre coût. De plus, les essais préliminaires démontrent que les cellules endo- théliales isolées sont pertinentes pour la création d’un modèle de la BHE.

Dans un deuxième temps, nous avons entrepris de valider un modèle sain de BHE. Pour ce faire, nous avons comparé les résultats de la perméabilité in vivo de 7 molécules à trois modèles de BHE composés respectivement d’ECs primaires, d’ECs immortalisées ou de lipides extraits du cerveau porcin. Le modèle de BHE composé des ECs primaires corrèle le mieux avec les résultats obtenus in vivo chez la souris.

Dans un troisième temps, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ce modèle de BHE validé comme modèle dans l’étude de la perméabilité lors d’une inflammation aiguë. Les résultats obtenus nous permettent de décrire les possibles voies empruntées par les molécules dont la perméabilité est augmentée lors de l’inflammation. Néanmoins, cette étude met aussi en lumière l’absence de généralisation possible quant à l’impact de l’inflammation aiguë sur le passage des petites molé- cules à travers la BHE.

À l’issue de cette thèse, un modèle de BHE composé d’ECs primaire a été développé et validé. Ce modèle permettra l’étude systématique des nombreux paramètres impliqués dans le passage des molécules à travers la BHE très tôt dans le développement du médicament.

The blood-brain barrier (BBB) is the structure that forms the capillaries of the central nervous system (CNS). BBB major role is to maintain brain homoeostasis by precisely regulating exchange between blood and brain tissues. Three cellular types constitute the BBB, namely: endothelial cells (ECs), perycites (PCs) and astrocytes (ACs). Due to the BBB selectivity, this barrier is the major cause of failing in the drug development of molecules targeting the CNS. Indeed, drugs developed for CNS pathologies are often unable to cross the BBB to reach their therapeutic targets. The use of a relevant BBB model is therefore critical to study drug permeability when developing new drugs. Used earlier in drug development, this kind of BBB model could allow reducing failure rates in more advanced R&D phases. In this thesis, we report the development and validation of a BBB model made from ECs extracted from mouse and seeded in a Transwell®. This work aimed at providing as much information as possible regarding the production, use and interpretation of the BBB model in the study of small molecule permeability under healthy and pathological conditions. First, we established a protocol allowing the isolation of the three cell types from mice : endothelial cells from adult mice, and pericytes and astrocytes from newborns. The methods described herein are effective to quickly obtain a large number of pure cells at a low cost. Furthermore, preliminary tests show that isolated endothelial cells are relevant for the creation of a BBB model. Next, we focused on validating a healthy BBB model. We have compared the results of the in vivo permeability of 7 molecules with three models of BBB composed respectively of primary ECs, immortalized ECs or extracted porcine brain lipids. The BBB model composed of primary ECs best correlates with the results obtained in vivo in mice. Finally, we studied the possibility of using our BBB model as a model of permeability under acute inflammation. Our results allowed describing the possible routes used by the molecules whose permeability was increased during inflammation. The inflamed BBB model is relevant for studying the permeability of small molecules; however, this work also shows that one cannot generalize the impact of inflammation on the passage of small molecules through the BBB.

Overall, we have developed and validated a BBB model composed of primary endothelial cells. This model allows studying drug permeability and provides a better understanding of the mechanisms involved in the permeability. This model could be used to study many parameters involved in the passage of molecules through the BBB at very early stages of drug development.