Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Axone – Régénération (biologie)“

The motor neurons (MN) form the ultimate route to convey the commands from the central nervous system to muscles. During development, MN extend axons that follow stereotyped trajectories to their muscle targets, guided by various attractive and repulsive molecular cues. Extracellular matrix (ECM) is a major source of guidance cues, but its role in axonal development and regeneration remains poorly documented. Regenerating axons are able to return to their synaptic target following their original trajectory. The same guidance cues could be thus involved in motor nerve regeneration. Zebrafish has become a popular model system in understanding the development of the peripheral nervous system. Thanks to the generation of fluorescent transgenic lines and the optical transparency of embryos and larvae, it allows direct visualization of axonogenesis. Additionally, and contrary to humans, its remarkable capacity to regenerate makes it well suited for the study of nerve regeneration. A laser method to ablate nerves in living zebrafish larvae has been developed in our laboratory that, combined with the use of the fluorescent mnx1:gfp zebrafish transgenic line, allows the follow up of the dynamics of the nerve regeneration process. To study the role of ECM proteins present in the axonal path, mutant lines for different ECM proteins (already available in our laboratory or generated in mnx1:gfp fish using CRISPR-Cas9 method) will be used to analyze their role during the regeneration process. These mutant lines for ECM will be crossed with existing fluorescent transgenic lines to visualize different cell types involved in the nerve regeneration, such as macrophages (mfap4:mcherry), neutrophils (mpx:gfp) or even Schwann cells (sox10:mrfp). Overall, this study will depict the role of ECM in nerve regeneration and will provide essential knowledge for the development of new biomaterials to promote the regeneration of injured motor nerves.

Des cultures organotypiques de colliculus inférieur (CI) prélevées sur des animaux âgés de 6 jours (P6) sont capables de régénérer leurs axones commissuraux après lésion. Les mêmes axones sont incapables de traverser le site de lésion si le CI est prélevé sur des animaux au stade P10. L'objectif de ce travail de thèse était d'identifier des molécules pouvant participer à l'inhibition de la régénération axonale dans le CI au stade P10. Dans ce but, des banques enrichies en molécules du stade P6 ou du stade P10 ont été construites par hybridation soustractive suppressive. Après criblage par dot-bot, six clones ont été sélectionnés. Quatre clones du stade P10 correspondaient à des molécules connues : la neuroleukine (NLK), la calmoduline, Rho7/Rnd2 et la cortactine. Deux autres étaient de fonction inconnue : A11 et SSTM (short seven transmembrane protein). L'étude de la localisation des messagers de ces molécules par hybridation in situ révélé une expression préférentiellement neuronale dans le cerveau. De plus, leur niveau d'expression augmente dans le cerveau au cours du développement post-natal. Par immunohistochimie, des profils différents sont obtenus. La NLK est observée dans les soma neuronaux et dans les axones. La calmoduline est présente dans le corps cellulaire des neurones et dans les dendrites. Rho7/Rhd2 est détecté dans les axones et les cellules gliales de Bergmann du cervelet. La cortactine se localise au niveau de la région juxta-membranaire intracellulaire du soma des neurones et des dendrites. A11 et SSTM sont observés dans les neurones au niveau de la membrane cytoplasmique somatique et dendritique, où elles se localisent dans les contacts post-synaptiques, ainsi que dans les prolongements gliaux. Après une lésion du cortex cérébral, la NLK, la cortactine, A11 et SSTM sont surexprimés par les astrocytes réactifs. La NLK est en plus observée dans les axones lésés. La calmoduline et le Rho7/Rhd2 ne semblent pas être surexprimés après lésion. L'ensemble de ces travaux apporte de nouvelles données sur l'expression cérébrale des six molécules étudiées et suggère l'implication de certaines d'entre elles dans le processus de régénération axonale dans le système nerveux central
Sectionned commissural axons of inferior colliculus (IC) organotypique cultures from 6-day old animals (P6) are able to regenerate. In similar conditions, injured axons of IC from P10 are unable to cross through the lesion site. The purpose of this thesis work was to identify molecules potentially involved in the inhibition of axonal regeneration observed in the IC by P10. In this aim, suppression substractive hybridization was used to construct libraries enriched in P6 and P10 molecules. After a dot-blot screening, six clon,es were selected. Four of them, from P10 library, were known molecules, i. E. Neuroleukin (NLK), calmodulin, Rho7/Rnd2 and cortactin. Two others were of unknown function i. E. A11 and SSTM (short seven transmembrane protein). In situ hybridization experiments have revealed that these molecule messengers are preferentially expressed by neurons in the brain. In addition, their level of expression increases in the brain during post-natal development. Immunohistochemistry showsdifferent patterns of distribution. NLK is observed in axons and neuronal somata. Calmodulin is present in the cell body and dendrites of neurons. Rho7/Rnd2 is detected in axons and in the cerebellar Bergmann glial cells. Cortactin is localized at the intracellular juxta-membrane level in the neuronal somata and dendrites. A11 and SSTM are present both at the cell body plasma membrane level and in dendrites, where they are localized in post-synaptic contacts, and in glial processes. After a mechanical trauma in the cerebral cortex region, NLK, cortactin, A11 and SSTM are overexpressed by reactive astrocytes. Moreover, NLK is observed in the regenerating axons. Calmodulin and Rho7/Rnd2 were not found to be overexpressed after the injury. All these works expend the knowledge of the cerebral expression of the six studied molecules and suggest the implication of some of them in the axonal regeneration process in the central nervous system

Spinal cord injury is still considered as a trauma beyond the surgical treatment in the clinical field. How to overcome this obstacle is therefore a main project of clinical and research workers. Reviewing the literatures and publications concerning these studies, we developed two experimental models in attemps to promote spinal axonal regeneration and reinnervation of the denervated peripheral target after spinal cord injury. In the model of brachial plexus injury, 54 adult rats (Sprague Dawley, male, 350-400 g) and 18 adult primates (marmosets, male or female,Callithrix jacchus, 300-400 g) underwent an avulsion of right cervical spinal roots C5, C6 and C7. In the three repaired groups (15 rats and 5 monkeys in each group), an implanted nerve autograft (Group C) or collagen tube containing (Group B) or not (Group A) a nerve segment were used to bridge the cervical spinal ventral horn to the right avulsed spinal roots C6. In the control animals (9 rats and 3 monkeys), no avulsed spinal root was repaired. Nine months in rats and five months in primates following surgery, all animals were assessed by clinical, electrophysiological and histological examinations. The functional recovery of the right lesionned forelimb was well established in the repaired rats and primates. The normal EMG, positive MAP and MEP were recorded in the right denervated/reinnervated biceps of all repaired animals. HRP retrograde labelling from this biceps showed a lot of HRP-labelled neurons ipsilaterally located in the cervical spinal ventral horn near the implantation site. Histological analysis by light and electronic microscopes confirmed that numerous regenerating axons were presented in the nerve autograft, collagen tube as well as distal denervated/repaired spinal nerve roots. Moreover, many newly formed endplates were also found in the denervatedlreinnervated biceps. Statistical analysis did not show significant différence among the three repaired groups. In the control animals, no evident positive result was observed. In the model of spinal cord injury, 15 adult rats (Sprague Dawley, male, 350-400 g) and 9 adult marmosets (Callithrixjacchus, male or female, 300-400 g) suffered from a hemisection of spinal cord (T12) and section of all ipsilateral lumbar ventral roots. In the repaired animals (9 rats and 5 monkeys), an implanted nerve autograft was used to establish a tissue continuity from thoracic spinal ventral horn (T 10), acrossing the hemisection, to the denervated lumbar ventral roots L3 and L4 that were identified by electrophysiology. In the control ones (6 rats and 4 monkeys), no repair procedure was performed. Nine months later, the clinical observation showed some signs of functional reinnervation of denervated quadriceps in the repaired animals. In these animals, the MAP and MEP were recorded from this quadriceps when the cortex and nerve autograft were respectively electrostimulated. HRP retrograde labelling from the denervated/repaired lumbar ventral roots traced that the thoracic spinal motoneurons nearby the implanted nerve graft tip elongated their axons into the denervated/repaired neuronal pathway and innervated the denervated quadriceps. Histological analysis furthermore confirmed numerous regenerating axons and newly formed endplates respectively presented in this neuronal pathway and the distal muscle. No positive result was obtained from the control animals. Reviewing the results obtained in the present studies, we conclude that the spinal motoneurons can be promoted to regrow into the denervated/repaired spinal roots via an implanted collagen tube or nerve autograft, inducing functional reinnervation of the target muscles. Although the further studies are still necessary, these data suggest a possible surgical repair application for treating brachial plexus or spinal cord injury.

Le système olfactif primaire est le siège d'une neurogenèse continue, tout au long de la vie des mammifères. Il contient des cellules gliales spécifiques — les cellules gliales olfactives (CGOs) —qui participent à la guidance de la croissance axonale des nouveaux neurones olfactifs générés, depuis la muqueuse olfactive jusqu'au bulbe olfactif. Les CGOs provenant de la muqueuse olfactive (CGOs-MO) constituent une thérapie cellulaire prometteuse pour la réhabilitation des lésions du système nerveux moteur central ou périphérique, car leurs capacités régénératives sont maintenues à l'âge adulte, et permettent d'envisager des stratégies de thérapie cellulaire autologue. Notre travail précise la caractérisation de ces CGOs-MO par la réalisation d'une étude transcriptomique. Il définit l'existence de trois constituants de la lignée de différenciation des CGOs, dans les cultures primaires de muqueuse olfactive : le progéniteur des CGOs, immunoréactif pour le CD90 et provenant de la crête neurale, le précurseur des CGOs, immunoréactif pour le TrkA, ainsi que la CGO immature, immunoréactive pour le p75. Il confirme également leur potentiel thérapeutique, du fait de la présence du précurseur des CGOs, après conditionnement, pour la réparation fonctionnelle d'une lésion de l'innervation motrice laryngée ou d'une lésion de la moelle épinière, dans des modèles expérimentaux précliniques
Continuous neurogenesis exists in the primary olfactory system, throughout the mammalian life. Specific glial cells — Olfactory ensheathing cells (OECs) — distinguish the olfactory nerves, guiding the regrowth of the axons from the olfactory mucosa to the olfactory bulb. OECs from the olfactory mucosa (OECs-OM) are a promising cell therapy for rehabilitation of lesions of the central or the peripheral nervous systems. Autologous cell transplantations are feasible as these cells persist on adult and keep their regenerative properties. This work adjusts the characterization of OECs-OM by transcriptomic study, defining three compounds of OEC lineage found in olfactory mucosa cultures: OEC progenitor CD90 positive originating from the neural crest, OEC precursor TrkA positive, and immature OEC p75 positive. We also confirm the therapeutic potential of the OEC precursors, after conditioning, for functional outcome after lesion of the laryngeal motor innervation, and after spinal cord injury, in pre-clinical experimental models

La cornée, structure transparente et avasculaire située dans le segment antérieur de l'œil, est le tissu le plus innervé du corps humain. Elle reçoit principalement des entrées sensorielles de la branche ophtalmique du nerf trijumeau. Les axones cornéens se répartissent de la couche la plus profonde (stroma) à la couche la plus superficielle (épithélium) et présentent une organisation distincte en forme de spirale. De plus, les nerfs cornéens sont essentiels au maintien de l'homéostasie tissulaire en interagissant avec les cellules épithéliales qui libèrent des neuropeptides. Bien que les techniques d'immunomarquage standard aient précédemment donné un aperçu de la configuration des nerfs cornéens, l'organisation dynamique des axones cornéens au fil du temps et leur réponse aux lésions cornéennes chez les souris vivantes restent peu connues. Ici, nous tirons parti de la lignée transgénique de souris CGRP:GFP (Bouheraoua et al., 2019), dans laquelle les fibres C nociceptives de la cornée sont marquées, et nous réalisons une imagerie longitudinale en direct des nerfs cornéens en utilisant la microscopie à 2 photons (2P) et la microscopie confocale à disque tournant. En suivant la même zone de la cornée pendant des semaines ou des mois, nous avons constaté que les axones individuels sont très dynamiques. Ils sont plus organisés en central et présentent une plus grande complexité de ramification de la période postnatale (P25) à l'âge adulte. De plus, nous avons pu suivre les nerfs cornéens chez la souris depuis la troisième semaine postnatale jusqu'au vieillissement. Nous avons observé que les nerfs stromaux profonds restent constants dans le temps, alors que les nerfs les plus superficiels sont remodelés, ce qui suggère un comportement hautement dynamique des nerfs cornéens dans l'espace et dans le temps. En cas de lésion de l'épithélium cornéen, les nerfs cornéens se régénèrent dès 24 heures après la lésion, suivis d'une dégénérescence après 3-4 jours. Environ 6 jours après la lésion, les axones se régénèrent à partir du nerf stromal sous-jacent, revenant progressivement à leur distribution initiale. Parallèlement, nous avons mis au point un protocole d'ablation au laser 2P pour effectuer une axotomie dans les nerfs stromaux et étudier l'intéraction entre les cellules neuronales et immunitaires dans la cornée. Nous avons pu suivre la dynamique des interactions entre les axones et les cellules immunitaires chez les souris Cx3cr1CreER;RosaTomCGRP:GFP. Après l'axotomie, les cellules immunitaires interagissaient spécifiquement avec les nerfs cornéens et restaient en contact les jours suivants. En résumé, nos résultats fournissent de nouvelles informations sur la plasticité des axones cornéens et leur potentiel de régénération, suggérant l'importance des cellules immunitaires en cas de lésion. Des études futures sont nécessaires pour mieux comprendre le mécanisme fondamental dans des conditions pathologiques
The cornea, a transparent and avascular structure located in the anterior segment of the eye, is the most innervated tissue in the human body. It mainly receives sensory inputs from the ophthalmic branch of the trigeminal nerve. Corneal axons distribute from the deepest layer (stroma) to the superficial layer (epithelium), and they exhibit a distinct spiral-like organization. Moreover, corneal nerves are essential in maintaining tissue homeostasis by interacting with epithelial cells releasing neuropeptides.Although standard immunostaining techniques have previously provided insights into corneal nerve patterning, the dynamic organization of corneal axons over time and their response to corneal injuries in live mice is still elusive. Here, we take advantage of CGRP:GFP mouse transgenic line (Bouheraoua et al., 2019), in which the corneal nociceptive C-fibers are labeled, and perform longitudinal live imaging on corneal nerves using 2-Photon (2P) and confocal spinning disk microscopy. By tracking the same area of the cornea over weeks to months, we found that single axons are highly dynamic. They become more centrally organized and exhibit higher branching complexity from the postnatal period (P25) to adulthood. Moreover, we were able to track the corneal nerves in mice from the third postnatal week until aging. We observed that the deep stromal nerves remain constant over time, while the most superficial nerves are remodeled, suggesting a highly dynamic behavior of corneal nerves in space and time.In case of lesion to the corneal epithelium, corneal nerves regenerate already 24 hours post-lesion, followed by subsequent degeneration after 3-4 days. Approximately 6 days post-lesion, axons regenerate from the underlying stromal nerve gradually returning to their initial distribution. Furthermore, we developed a 2P laser ablation protocol to perform axotomy in the stromal nerves and investigate the cross-talk between neuronal and immune cells in the cornea. We were able to follow the dynamics of the interactions between axons and immune cells in Cx3cr1CreER;RosaTomCGRP:GFP mice. After axotomy, immune cells specifically interacted with the corneal nerves, remaining in contact in the following days. In summary, our findings provide new insights into the plasticity of corneal axons and their regenerative potential, suggesting the importance of immune cells in case of lesion. Future studies are necessary to better understand the fundamental mechanism in pathological conditions

Les traumatismes des nerfs périphériques sont des lésions très fréquentes dont l'évolution laisse, malgré les thérapeutiques actuelles, souvent des séquelles définitives. La qualité médiocre des résultats objectifs obtenus par les méthodes de sutures nerveuses conventionnelles nous a incité à rechercher de nouvelles méthodes de réparation, à étudier les réactions biochimiques et cellulaires au niveau de la lésion. Et à tester le rôle de certaines substances telles que les facteurs de croissance des fibroblastes (FGF). Nous avons établi un modèle expérimental animal de la réparation du nerf périphérique chez le rat (Sprague-Dawley) et chez le lapin (Fauves-Bourgogne). La réparation d'une perte de substance nerveuse, de longueur variable, a utilisé un manchonnage par un cylindre résorbable constitué de Collagène de type IV/lVox d'origine humaine placentaire. Le rôle de l'adjonction du b-FGF (basic fibroblast growth factor) a été étudié. Tous les animaux opérés ont fait l'objet d'un contrôle associant une analyse clinique fonctionnelle, une étude macroscopique du nerf in situ, une étude électrophysiologique (potentiels évoqués somesthésiques) et un examen histologique complété par un comptage axonal et une analyse morpho métrique. Nous avons pu mettre en évidence : que la repousse axonale au travers d'un cylindre de collagène sur une distance moyenne (5 mm sur le nerf facial de lapin et 7 mm sur le nerf sciatique de rat) était de meilleure qualité que celle obtenue grâce à une autogreffe de nerf, que la repousse axonale (sur une distance de 7 mm et de 12 mm) obtenue en utilisant un tuteur de collagène dans lequel a été inclus lors de la fabrication du b-FGF était de meilleure qualité que la récupération obtenue avec le cylindre seul. Ces résultats nous indiquent que le collagène de type IV-IV ox est un substrat utilie pour la régénération neurseuse et que le b-FGF est efficace sur la repousse axonale du nerf périphérique.

A l'opposé du système nerveux central (SNC) immature, les axones du SNC adulte ne régénèrent pas après une lésion. La section des fibres commissurales du colliculus inférieur (CI) en culture organotypique est suivie d'une régénération axonale robuste au stade post-natal P6, mais d'une régénération déficiente à P12. Ce travail montre les expressions de la molécule inhibitrice Nogo-A, de son récepteur NgR, du partenaire Lingo-1 et des Rho-GTPases Rho-A et Rac1. Rgo-A inhibe l'extension de l'axone tandis que Rac1 la favorise. Ces molécules sont présentes dans les neurones, les fibres nerveuses et les cellules gliales de structures auditives (noyau cochléaire, complexe de l'olive supérieure et CI) aux stades étudiés P0, P6, P12 et adulte. Rho-A augmente entre P6 et P12, tandis que Rac1 diminue. Enfin, l'inhibition de Rho-A accroît la régénération des fibres commissurales lésées. Ces résultats suggèrent une implication des Rho-GTPases dans l'absence de régénération axonale du CI à P12
Unlike the immature central nervous system (CNS), the adult mammalian CNS is unable to regenerate axons following injury. Sectioning the inferior colliculus (IC) commissure in gerbil organotypic cultures at postnatal day P6 is followed by extensive axonal regeneration. By contrast, commissural axons sectioned at P12 fail to regenerate through the lesion site. The present study characterize the expression of proteins implicated in axonal regeneration failure. The immunohistochemical techniques show that Nogo-A, NgR, Lingo-1, and the Rho-GTPases Rho-A and Rac1 are widely expressed at P0, P6, P12 and adult stages in gerbil auditory structures (cochlear nucleus, superior olive and IC). Moreover, the western-blot technique reveal an increase in Rho-A expression between P6 and P12, and a decrease in Rac1. Finally, inhibition of Rho-A effector increase sectioned commissural fibers regeneration. TThese results suggest that Rho-GTPases are implicated in IC axonal regeneration failure at P12

Afin de créer des circuits neuronaux fonctionnels, les axones reçoivent des signaux de guidage lors du développement et/ou de la régénération du système nerveux. Leur expression est variée dans le temps et l'espace and ils sont traduits par le cône de croissance en voie d'accès à leur cible : un neurone ou une cellule musculaire selon le type de neurone étudié. Cette route est générée par des interactions avec l'environnement extracellulaire, composé d'autres cellules et de substrats d'adhésion telles que les matrices extracellulaires. Comprendre ces interactions avec le substrat pourrait permettre de les reproduire dans d'innovants biomatériaux et/ou implants. Nous avons choisi de nous concentrer sur la réparation axonale dans le motoneurone après un trauma pour cette étude. En effet, après une lésion neuronale, l'axone endommagé va connaître une longue régénération non dirigée dans le système nerveux périphérique. La spécificité de ce système nerveux est l'importante taille de ses axones qui va ralentir la vitesse de rétablissement et multiplier les possibles repousses inopérantes. De ce fait, une solution doit être trouvée pour accélérer et guider la régénération axonale. Nous proposons d'étudier l'effet d'un champ électrique exogène sur la repousse axonale sous forme d'étude préliminaire à la création d'un neuro-implant électroactif. L'originalité de ce projet réside dans la méthode de stimulation, qui se fait sans contact entre les cellules et l'électrode, et la géométrie innovante de l'électrode, grâce à laquelle le champ global est nul. Il n'y a pas de conduction et les effets d'électrolyse et d'augmentation du pH sont évités. Cette configuration permet de caractériser l'effet direct du champ électrique sur les cellules sans interaction parasite. Pour commencer, comprendre les mécanismes sous-jacents aux interactions entre les cellules et le champ électrique est nécessaire et passe par des tests in-vitro en culture cellulaire 2D. Après évaluation des propriétés mécaniques des motoneurones, un dispositif de stimulation sans contact est dessiné et un protocole de stimulation des PC12 est imaginé. Le protocole est testé sur deux lignées de motoneurones in-vitro : MN1 et NSC34 pour améliorer ses paramètres, le voltage et le temps de stimulation par exemple, et l'effet du champ sur le substrat d'adhésion est quantifié par simulation CST et mesure des angles de contact. L'impact de la stimulation sur les MN1 et NSC34 est évalué selon plusieurs tests : la taille et l'orientation des neurites, la surface occupée par les cellules entre autres et l'immunohistochimie permet de visualiser les résultats. Nous pouvons conclure sur la capacité du champ électrique à influencer différentes lignées de motoneurones, en augmentant la taille de leurs neurites, en les orientant et en améliorant leur adhésion à la surface d'adhésion. Ce travail démontre la possibilité d'utiliser un champ électrique sans contact pour accélérer et orienter la pousse des axones et nous permet de comprendre son impact sur les cellules et le substrat d'adhésion
To create functional neuronal circuit units, axons during nervous system development and/or regeneration are subjected to guidance signals. Their expressions occur in spatio-temporal variation and are translated by the growth cone into a pathway to reach the connecting target. Their targets can be a neuron or a muscle cell, depending on the type of neuron. This path is generated by interactions with the surrounding environment such as cells or other substrates of which are the extracellular matrices. Understanding these interactions with the substrate would allow us to mimic them in innovative biomaterials and/or implants. We chose to focus on motoneuron axonal repair after trauma in this study. Indeed, after a nerve injury or cut, the axon that was cut will undergo a non-targeted and slow regeneration in the peripheral nervous system. The specificity of this nervous system part is the size of its axons that will slow the recovery speed down and multiply the possible uneffective regrowth routes because they are usually very long. Thus, a solution must be found to accelerate and guide the axonal regeneration. We propose to study the effect of an exogenous electric field on axonal regrowth as a preliminary study to the creation of an electroactive neuro-implant. The originality of the project lies in the contactless stimulation method : the cells are not in direct contact with the electrodes, and the innovative electrode geometry : the global field is null, with no conduction to prevent electrolysis and pH increase. This configuration gives access to the direct electric field impact on the cells without parasitic interactions. To start, understanding the mechanisms underlying the interactions between the cells and the electric field is necessary and the choice is made to start with in-vitro tests in 2D cell culture. After evaluating the motoneuron mechanical properties, a contactless stimulation device is designed and a protocol to stimulate PC12 cells is determined. The protocol is tested on two motoneurons cell lines : MN1 and NSC34 to improve its parameters, such as stimulation voltage and duration, and the electric field effect on the adhesion surface is assessed with CST simulation and contact angle measurements. The stimulation impact on MN1 and NSC34 cell lines is evaluated with several tests such as neurite size, neurite orientation and surface occupied by the cells and the results are observed thanks to immunohistochemistry. A conclusion is made on the capacity of the EF to influence different motoneuron cell lines by increasing their neurite sizes, orientate them and improve their adhesion to the substrate. This work illustrates the possibility to use a contactless electric field to accelerate and guide the axon growth and allows us to elucidate the mechanisms behind the impact of it on the cells and the substrate

La lésion de nerfs périphériques peut engendrer des déficits moteurs et/ou sensoriels permanents. En dépit des progrès techniques réalisés au cours de ces 25 dernières années, une récupération complète suite à ces lésions n’est pas encore possible aujourd'hui. L’autogreffe nerveuse, toujours considérée comme le standard clinique, est la seule technique capable d’offrir les meilleurs résultats en termes de récupération fonctionnelle. Cependant, la survenue de complications post-opératoires lors d’autogreffes d’un nerf et la quantité limitée de nerfs disponibles conduisent à mettre au point d’autres stratégies alternatives. Dans ce contexte, la mise au point de biomatériaux pour substituts nerveux devient une nécessité clinique. Malgré les efforts de la recherche, ces prothèses ne permettent toujours pas une régénération du nerf à la hauteur de l’autogreffe. Le biomatériau utilisé doit notamment présenter des propriétés physiques et chimiques proches de celui du nerf natif. La soie, aux propriétés mécaniques uniques, représente une bonne alternative pour mettre au point ce type de prothèses. En effet, la protéine de soie déjà utilisée dans le domaine biomédical est biocompatible. Les modifications chimiques de cette protéine améliore et favorise l’adhérence et la croissance cellulaires par l’incorporation de facteurs de croissance ou d’autres molécules d'intérêt. Ce travail de thèse propose de développer un nouveau type de biomatériau à base de soie fonctionnalisée par deux facteurs de croissance : le Nerve Growth Factor (NGF) et le Ciliary NeuroTrophic Factor (CNTF). Étant donné l’architecture complexe qui compose la structure nerveuse, une matrice supportant la repousse des tissus de façon orientée semble primordiale. Nous démontrons, dans un premier temps, le pouvoir de ces nanofibres alignées (produites par electrospinning) à orienter la régénération tissulaire de différents organes par culture d’explants. Les nanofibres de soie alignées, biocompatibles sont bio-activées par ajout de NGF spécifique de la régénération nerveuse. Cette matrice créée présente un gradient de concentration en NGF qui permet d’orienter la repousse axonale en stimulant la croissance axonale dans une seule direction. Afin d’optimiser la croissance de deux populations cellulaires, nous avons incorporé du CNTF pour produire des nanofibres bifonctionnalisées. Ces nanofibres bifonctionnalisées ont conduit à une longueur des neurites 3 fois plus grande à leurs contacts, stimulant la croissance des cellules gliales. Ainsi, nous avons produit des conduits nerveux à base de soie biofonctionnalisée pour implantation chez le rat. Les analyses physico-chimiques et les propriétés mécaniques démontrent le caractère biomimétique de nos tubes de guidage. Les premières études de la locomotion et l’observation de coupes du nerf sciatique de rat, suite à l’implantation de nos conduits donnent des résultats très prometteurs. L’ensemble de ces travaux démontre l’efficacité de nos guides nerveux à base de soie et les présente comme une alternative prometteuse à l’autogreffe nerveuse pratiquée en clinique
Peripheral nerve injury causes sensory and/or motor functions deficits. Despite technological advances over the past 25 years, a complete recovery from these injuries remains unsatisfactory today. The autograft still considered the "gold standard" in clinical practice. This is the only technique able to offer complete functional recovery. However, the occurrence of postoperative complications in autologous nerve and the limited amount of available nerves lead to develop alternatives strategy.In this context, development of nerve graft substitutes becomes by far a clinical necessity. Despite research efforts, these artificial prostheses design based on biomaterial doesn’t allow nerve regeneration as found in autograft nerve procedures. The biomaterial used must have the physical and chemical properties similar to that of the native nerve. Silk, well known for its unique mechanical properties, proposes a good alternative to develop these prostheses. Indeed, the silk protein is commonly used in the biomedical field and regenerative medicine. This protein biocompatibility may be improved through chemical modifications to promote adhesion and cell growth by the incorporation of growth factors or other molecules of interest. Therefore, this thesis proposes to develop a new type of functionalized silk biomaterial based on two growth factors : Nerve Growth Factor (NGF) and Ciliary NeuroTrophic Factor (CNTF). Given the complex architecture that consists of nerve structure, a matrix which is able to support and manage the outgrowth of tissue becomes essential. We demonstrate the power of these aligned nanofibers (produced by electrospinning) to guide and manage tissue regeneration from different organ explants culture. Aligned silk nanofibers, were biocompatible and bio-activated by adding NGF involved for nerve regeneration. This matrix has been created with a concentration gradient of NGF to guide neuritis outgrowth in only one direction. The presence of this gradient demonstrated a better axonal growth in one direction versus the uniform concentration conditions. Nerve cells consist essentially of two cell populations which are neurons and Schwann cells. To optimize the culture and growth of these two populations, in addition to NGF, we incorporated CNTF to produce bifunctionalized nanofibers. These biofunctionalised nanofibers led to a length 3 times larger on contact with neurites. The glial cells growth, alignment and migration were stimulated by CNTF. Thus, we produced bi-functionalized nerve guidance conduits for rat implantation. The physico-chemical analyzes demonstrate the biomimetic of our guide tubes. Early studies of locomotion and observing histological sections of rat sciatic nerve, following the implementation of our conduits gave very promising results.These studies demonstrate the relevance of our nervous guides’ silk-based developed as an effective alternative to nerve autograft performed in the clinic

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009
Les réponses cellulaires et moléculaires qui sont mises en place après une lésion de la moelle épinière et des nerfs périphériques diffèrent. Les processus de réparation qui veillent à rétablir l’intégrité tissulaire favorisent la régénération axonale seulement dans le système nerveux périphérique (SNP) lésé. Des inhibiteurs associés aux débris de myéline exerceraient un blocage de la repousse axonale dans le système nerveux central (SNC) lésé. L’objectif de cette étude visait, dans un premier temps, à répertorier et à mesurer l’expression génique des récepteurs connus de ces inhibiteurs dans toutes les régions encéphaliques de la souris avant et à la suite d’une contusion de la moelle épinère. Les résultats démontrent que les expressions des récepteurs NGR1, NGR2 et LINGO-1 sont les plus importantes et disséminées dans tout le cerveau. L’expression du co-récepteur p75NTR est plus restreinte, mais détectable dans certaines voies surpra-spinales, tandis que l’expression de TROY est presque inexistante. L’expression de ces récepteurs ne varie pas suivant un traumatisme de la moelle épinière au niveau thoracique. À l’opposé, les débris de myéline sont rapidement neutralisés par les cellules immunitaires dans le SNP lésé, ouvrant la voie à la régénération axonale. Pour évaluer la corrélation possible entre la régénération axonale et le recrutement des cellules immunitaires, nous avons étudié la repousse des axones du nerf sciatique chez la souris transgénique CD11b-TKmt-30 dans laquelle des traitements au ganciclovir entraînent la mort des cellules myéloïdes, normalement recrutées au site de lésion et dans le segment nerveux distal. Les résultats indiquent qu’en diminuant l’apport en cellules immunitaires myéloïdes (CD11b+), le rétablissement des fonctions sensori-motrices est compromis et associé à une absence de régénération axonale, une accumulation des débris de myéline, une déprivation en neurotrophines et à une déstablilisation de la vasculature et/ou une inhibition de l’angiogénèse. Ainsi, les cellules immunitaires (CD11b+) sont requises pour supporter la régénération axonale par de multiples mécanismes. En contrepartie, les cellules immunitaires ont un accès restreint au SNC ce qui abrogerait la régénération des voies supra-spinales lésées par l’action des inhibiteurs associés à la myéline reconnaissant leur récepteur à la surface des cônes de à croisssance.
The cellular and molecular responses that are activated after spinal cord and peripheral nerve injuries are quite distinct. These processes help restore tissue integrity and facilitate axonal regeneration in the injured peripheral nervous system (PNS). In the injured central nervous system (CNS), axonal regrowth is believed to be prevented by several myelin-associated inhibitors. The goal of this study is to examine and measure mRNA expression for the most studied myelin-associated inhibitors in the brain before and after a spinal cord contusion. Results show that NGR1, NGR2 and LINGO-1 are widely expressed throughout the mouse brain. In contrast, the co-receptor p75NTR is more specifically expressed in neuronal descending pathways from the brainstem, whereas TROY mRNA expression is absent. Notably, expression for these receptors was not modulated after trauma. Because myelin debris are efficiently cleared by immune cells after PNS lesion, axonal regeneration can proceed. To prove the link between axonal regeneration and the recruitment of immune cells, we have studied sciatic nerve regeneration in the CD11b-TKmt-30 transgenic mouse model in which the recruitment of myeloid cells is severely impeded by ganciclovir treatments. Results demonstrate that depletion of myeloid CD11b+ cells leads to severe deficits in recovery of sensory-motor functions that are associated with axonal regeneration failure, myelin debris accumulation, decrease of neurotrophin expression, and vascular destabilization and/or angiogenesis inhibition. Thus, CD11b+ myeloid cells are required to stimulate axonal regeneration via multiple mechanims. These results also suggest that the limited access of immune cells in the injured CNS could be, at least partly, responsible for the lack of regeneration of central axons.

Chez les Mammifères adultes, différents types de neurones du Système Nerveux Central ou Périphérique, dont les prolongements axoplasmiques ont été endommagés dans le cerveau ou dans la moelle épinière, peuvent régénérer de long axones dans des greffons de nerfs périphériques implantés dans ces centres nerveux. L’une des conditions de cette repousse axonale est la proximité des corps cellulaires neuronaux avec le site de lésion et de greffe. Le fait que les axones des faisceaux corticospinaux paraissent incapables de repousser dans des greffons de nerfs périphériques insérés dans la moelle épinière peut être directement lié à cette condition, ou bien résulter d’une incapacité propre du neurone corticospinal adulte à reformer un nouvel axone. A cet égard, si des neurones localisés dans les différentes couches du cortex moteur sont capables de régénérer leurs axones dans des nerfs implantés dans ce cortex, l’identification certaine, dans cette large population neuronale, des seuls neurones corticospinaux (NCS) est cependant relativement malaisée. Dans la présente expérimentation, des autogreffons de nerf péronéal ont été transplantés soit dans le cortex moteur, soit dans la moelle épinière. En outre, divers types de « conditionnement » visant à stimuler la repousse des axones corticospinaux ont été effectués (lésion corticale et/ou section concomitante ou différée des faisceaux corticospinaux). La participation de divers types de neurones du cortex moteur (plus particulièrement les NCS) et de la moelle épinière, à la réinnervation des greffons, a été établie par des méthodes de marquages neuroanatomiques à l’aide de marqueurs enzymatiques tels que la peroxydase du raifort, ou fluorescents, tels que le Fast Blue et le Nuclear Yellow, utilisés simultanément ou de façon différée. Les résultats essentiels de notre expérimentation peuvent être ainsi résumés : 1/ - Les NCS du Rat peuvent faire repousser des prolongements axoplasmiques dans des greffons de nerfs périphériques insérés près de leurs corps cellulaires. 2/ - Cette repousse axonale doit être attribuée, avec une plus grande probabilité, à un processus de régénération terminale à partir de NCS axotomisés plutôt qu'à un « Sprouting » collatéral à partir de NCS voisins intacts. 3/ - Les NCS axotomisés dans la moelle épinière paraissent incapables de faire régénérer leurs axones dans des greffons insérés dans le site lésionnel, éloigné de leurs corps cellulaires. 4/ - Par contre, des neurones médullaires intrinsèques, dont les corps cellulaires sont localisés dans la plupart des lames de la substance grise de la moelle épinière, sont capables de faire repousser des axones dans ces mêmes greffons, insérés près de leurs corps cellulaires. Le nombre de neurones marqués diminue cependant assez rapidement avec la distance du site lésionnel au corps cellulaire neuronal. 5/ - Toutes les tentatives de « Conditionnement » des NCS, par des lésions concomitantes ou différées, effectuées à différents niveaux, sont restées infructueuses. A l'instar d'autres types de neurones du Système Nerveux Central du Rat adulte, la régénération axonale des NCS n'est donc possible que si une axotomie est réalisée à proximité de leurs corps cellulaires, en l’occurrence directement dans le cortex moteur. Une explication plausible de cette observation fondamentale serait la nécessité, pour le soma neuronal, de recevoir des signaux moléculaires provenant du site lésionnel, dans un délai critique. Cette activation est nécessaire mais non suffisante, l’élongation de l'axone n’étant possible qu'en présence des composants non neuronaux des nerfs périphériques. La connaissance des mécanismes moléculaires sont à la base des phénomènes cellulaires observés, constitue, à l'évidence, une clef essentielle dans la recherche de techniques visant à réparer des circuits nerveux endommagés.