Study of functional alterations of cerebral endothelial cells in hyperglycemic condition associated to diabetes : protective role of medicinal plant polyphenols
Étude des altérations fonctionnelles des cellules endothéliales cérébrales en condition hyperglycémique associée au diabète : rôle protecteur des polyphénols de plantes médicinales
Résumé
In diabetes, hyperglycemia leads to vascular alterations which aggravates cerebrovascular complications such as stroke. In fact, hyperglycemia alters blood-brain barrier integrity that separates the brain and the blood. Cerebral endothelial cells which composed blood-brain barrier are particularly affected by oxidative stress and pro-inflammatory state caused by hyperglycemia. In this context, there is growing interest in the health effects of plant-based polyphenols with antioxidant and anti-inflammatory properties. The objective of the thesis work was to assess the functional alterations of cerebral endothelial cells in hyperglycemic conditions and to determine the protective role of polyphenols extracted from medicinal plants from Réunion. To reach this objective, we have developed a model of murine cerebral endothelial cells exposed to experimental hyperglycemia as well as a model of mice rendered obese and diabetic by a high fat diet and then subjected to a cerebral ischemia-reperfusion by an occlusion of the middle cerebral artery. Polyphenols tested were extracted from four Reunionese medicinal plants traditionally used for anti-diabetic effects. Our results showed that hyperglycemia induced oxidative stress, pro-inflammatory response with monocytic adhesion and deregulation of the production of vasoactive markers in cerebral endothelial cells. In cerebral ischemia, hyperglycemia aggravated the size of the cerebral infarction and the hemorrhagic transformation in obese and diabetic mice. Additionally, hyperglycemia caused redox markers and the blood-brain barrier integrity alteration, and exacerbated neuroinflammation. Several molecular targets have been identified including the antioxidant enzymes Cu / ZnSOD and MnSOD, inflammatory mediators such as IL-6, TNF-a, MCP-1 and E-selectin, vasoactive factors ET-1, eNOS and NO as well as tight junctions ZO-1, ZO-2, claudin-5 and occludin. The role of key signaling pathways contained in NFκB, AMPK, Nrf2 and PPARg has been demonstrated. Importantly, polyphenols exerted antioxidant and anti-inflammatory effects attenuating functional alterations of cerebral endothelial cells and cerebrovascular complications induced by hyperglycemia. These protective effects of polyphenols have been associated with their detection in the brain and plasma as well as in cerebral endothelial cells. In conclusion, this thesis work has shown the deleterious effect of hyperglycemia on endothelial function and the protective role of polyphenols. The use of experimental models would allow to deepen the exploration of the molecular mechanisms used and to identify possible innovative therapeutic targets.
Au cours du diabète, l’hyperglycémie provoque des altérations du système vasculaire aggravant les complications cérébrovasculaires comme l’accident vasculaire cérébral. En effet, l’hyperglycémie altère l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique qui sépare le cerveau du compartiment sanguin. Les cellules endothéliales cérébrales qui composent cette barrière hémato-encéphalique sont particulièrement affectées par le stress oxydatif et l’état pro-inflammatoire engendrés par l’hyperglycémie. Dans ce contexte, un intérêt croissant est accordé aux effets santé des polyphénols d’origine végétale dotés de propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires. L’objectif du travail de thèse était d’évaluer les altérations fonctionnelles des cellules endothéliales cérébrales en condition hyperglycémique et de déterminer le rôle protecteur des polyphénols extraits de plantes médicinales de La Réunion. Pour ce faire, nous avons développé un modèle de cellules endothéliales cérébrales murines exposées à une hyperglycémie expérimentale ainsi qu’un modèle de souris rendues obèses et diabétiques par un régime riche en graisses puis placées en situation d’ischémie cérébrale lors d’un accident vasculaire cérébral provoqué par occlusion de l’artère cérébrale moyenne. Les polyphénols testés ont été extraits de quatre plantes médicinales réunionnaises traditionnellement utilisées pour des effets antidiabétiques. Nos résultats ont montré que l’hyperglycémie a causé un stress oxydatif, une réponse pro-inflammatoire avec adhésion monocytaire et une dérégulation de la production de marqueurs vasoactifs des cellules endothéliales cérébrales. En situation d’ischémie cérébrale, l’hyperglycémie a aggravé le volume de l’infarctus cérébral et la transformation hémorragique chez les souris obèses et diabétiques. De plus, l’hyperglycémie a provoqué l’altération de marqueurs redox et d’intégrité de la barrière hémato-encéphalique, et a exacerbé la neuroinflammation. Plusieurs cibles moléculaires ont été identifiées dont les enzymes antioxydantes Cu/ZnSOD et MnSOD, les médiateurs inflammatoires de type IL-6, TNF-a, MCP-1 et E-sélectine, les facteurs vasoactifs ET-1, eNOS et NO ainsi que les jonctions serrées ZO-1, ZO-2, claudine-5 et occludine. Le rôle de voies de signalisation clés impliquant NFκB, AMPK, Nrf2 et PPARg a été mis en évidence. De manière importante, les polyphénols ont exercé des effets antioxydants et anti-inflammatoires atténuant les altérations fonctionnelles des cellules endothéliales cérébrales et les complications cérébrovasculaires causées par l’hyperglycémie. Ces effets protecteurs des polyphénols ont été associés à leur détection au niveau cérébral et plasmatique ainsi que dans les cellules endothéliales cérébrales. En conclusion, ce travail de thèse a montré l’effet délétère de l’hyperglycémie sur la fonction endothéliale et le rôle protecteur des polyphénols. L’utilisation des modèles expérimentaux développés permettra d’approfondir l’exploration des mécanismes moléculaires impliqués et d’identifier de possibles cibles thérapeutiques innovantes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)