Etude des hypoxies périnatales : conception d'outils et effets sur le développement du cervelet chez la souris. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Study of perinatal hypoxia : development of tools and effects on the maturation of the cerebellum in mice

Etude des hypoxies périnatales : conception d'outils et effets sur le développement du cervelet chez la souris.

Résumé

The cerebellum is involved in major motor functions such as coordination and equilibrium. Recently, it has also been shown to play a role in cognitive abilities like language, attention or learning. At birth, the development of the cerebellar cortex in human is not completed and continues until the first postnatal months. Thereby, this structure appears to be particularly vulnerable to various perinatal injuries, such as hypoxic incidents. Perinatal hypoxia (HP) represents a common pathology responsible for neurodevelopmental disorders and is involved in 1/3 of neonatal deaths. It could be induced by different events such as looping of umbilical cord (continuous hypoxia) or apnea of prematurity (intermittent hypoxia) and affects many cerebral regions. However, its impact on the cerebellum has not been investigated in detail. Yet, a correlation between the functions controlled by the cerebellum and the deficits observed in children affected by an oxygen (O2) deficiency at birth has been demonstrated. Taken together, these data suggest that perinatal hypoxia may lead to modifications in the cerebellar circuit organization and induce functional alterations. Thus, this study aims to identify the effects of two types of HP on the cerebellar development; (i) an intermittent hypoxia (HI) consisting of 2-minute cycles of hypoxia and reoxygenation repeated over 6 hours on mice during 10 days from postnatal day 2 (P2), referring to apnea of prematurity, and (ii) a continuous hypoxia (HC) of 5% of O2 during 40 minutes on P6, P12 and P21 mice, mimicking a perinatal respiratory delay. Firstly, we studied the oxidative stress and showed that ROS production increases in P12 mice after both protocols, indicating that hypoxia affects the cerebellum. In HC, this oxidative stress is associated with a moderate increase in apoptosis without histological and behavioral consequences in the short or long term. However, IH induces a significant delay in histogenesis, leading to a decrease in the thickness of the cerebellar cortex layers. This disorganization of the cerebellum is accompanied by deficits in reflex acquisition. Our results suggest that IH may induce a long-term protective mechanism via, at least, an anti-apoptotic effect which compensates histological alterations from P21. However, this compensatory process is insufficient and defaults in motor coordination and cognition persist in adult mice. In order to study more precisely hypoxia and report its effects in vivo in real time, we also characterized 7 probes derived from sulforhodamine-101 and sensitive to a lack of oxygen. The emission and excitation spectra obtained demonstrate that 5 of these molecules are excitable in the infrared, and can thus be detectable by two-photon microscopy. In addition, we demonstrated that they are not degraded, confirming that they are usable for in vivo imaging. Thus, this work validates our two hypoxia models but shows that each type of hypoxia has specific effects on the developing cerebellum: continuous hypoxia acts in the short-term while intermittent hypoxia leads to profound structural and functional impacts. In the long term, our data aim to determine the precise mechanisms underlying the deleterious effects of HP with fluorescent dies sensitive to hypoxia, and to correlate the functional deficits observed in children who have suffered from perinatal hypoxia with cerebellum alterations to improve their health care.
Le cervelet est une région du système nerveux central, située à l’arrière du cerveau et impliquée dans de nombreuses fonctions motrices telles que la coordination ou encore l’équilibre. Des études plus récentes ont également permis de mettre en évidence son implication dans plusieurs fonctions cognitives comme le langage et les processus d’apprentissage. Le cervelet est constitué d’une substance blanche interne et d’une substance grise périphérique appelée cortex cérébelleux. Ce dernier est composé de 4 différentes couches cellulaires lors de la période foetale : la couche granulaire externe (CGE) dans laquelle prolifèrent les précurseurs des cellules en grain ; la couche moléculaire constituée majoritairement les fibres de Bergmann et des arbres dendritiques des cellules de Purkinje sur lesquels se connectent les fibres parallèles ; la couche des cellules de Purkinje contenant également les corps cellulaires de la glie de Bergmann ; et la couche granulaire interne dans laquelle se différencient les neurones en grain. Le cortex embryonnaire poursuit son développement jusqu’à la période postnatale. Puis la CGE disparaît peu à peu et à l’adolescence, le cervelet mature n’est plus constitué que de 3 couches corticales. Du fait de son immaturité à la naissance, cette structure est potentiellement vulnérable aux incidents périnataux, tels que des hypoxies. Les hypoxies périnatales peuvent être provoquées soit par un événement ponctuel (hypoxie continue = HC) correspondant par exemple à des retards de respiration spontanée ou à une compression du cordon ombilical, soit par des pathologies chroniques telles que l’apnée du prématuré (hypoxie intermittente = HI). Elles sont de fait relativement fréquentes et responsables d’un tiers des morts néonatales, mais entraînent également des déficits neurodéveloppementaux persistants à long terme. L’impact des hypoxies périnatales sur le cervelet a longtemps été mis de côté au profit du cortex cérébral ou de l’hippocampe, plus facilement accessibles par l’imagerie médicale. Cependant, de plus en plus de méta-analyses révèlent une corrélation entre les fonctions que contrôle le cervelet et les déficits observés chez les enfants ayant subi une hypoxie périnatale, suggérant que cette structure participe aux effets délétères induits lors d‘un manque d’oxygénation à la naissance. En se basant sur ces données, le premier objectif de cette thèse était de concevoir une enceinte capable de modéliser les différents types d’hypoxie observés chez l’Homme. Une collaboration avec l’Institut Universitaire de Technologie de l’Université de Rouen Normandie nous a permis de créer une chambre d’hypoxie avec un volume compatible avec les cycles d’HI, un contrôle automatisé des injections gazeuses d’azote, d’oxygène et d’air, mais aussi une surveillance en tempsréel des paramètres environnementaux tels que la température, la pression atmosphérique et l’hygrométrie. Les premières expérimentations in vivo ont été réalisées sur un modèle d’hypoxie continue, consistant en une hypoxie de 40 minutes à 5 % d’oxygène chez des animaux âgés de 6, 12 ou 21 jours postnataux (P6, P12, P21). Cette étude nous a permis de démontrer qu’une hypoxie périnatale aiguë induit un stress oxydatif chez les animaux âgés de 6 et 12 jours immédiatement après l’hypoxie, accompagné d’une augmentation de l’activité enzymatique des caspases pro-apoptotiques 24 heures après la fin du protocole. Les études immunohistochimiques réalisées à P12 révèlent que l’HC cible principalement les cellules en grain différenciées car les cellules apoptotiques se situent majoritairement dans la CGI. A P21, cette activité pro-apoptotique reste plus élevée chez les souris hypoxiques que chez les animaux contrôles, malgré l’absence de marqueur de stress oxydatif.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03059707 , version 1 (13-12-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03059707 , version 1

Citer

Sarah Leroux. Etude des hypoxies périnatales : conception d'outils et effets sur le développement du cervelet chez la souris.. Neurobiologie. Normandie Université, 2019. Français. ⟨NNT : 2019NORMR100⟩. ⟨tel-03059707⟩
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