Perméabilité de la barrière hémato-encéphalique - Définition

Introduction

Pendant la mise au point de nouveaux médicaments, une grandeur pharmacologique est très importante : c'est dans quelle mesure une substance est capable de traverser la barrière hémato-encéphalique (en anglais brain uptake). Ceci est important tant pour les médicaments psychotropes, qui doivent exercer leur action dans le système nerveux central, que pour les médicaments destinés aux organes périphériques, et qui ne doivent surtout pas y pénétrer. Pour la recherche du débit et du mécanisme de pénétration dans la barrière hémato-encéphalique d'une substance donnée, une série de méthodes différentes ont été mises au point dans le passé. Les procédés classiques travaillent sur des organismes modèles in vivo. Comme la barrière hémato-encéphalique est construite pratiquement de la même manière chez tous les mammifères, les résultats obtenus in vivo se transposent avec une bonne précision à l'homme. Des méthodes plus modernes utilisent des cultures de cellules (in vitro), et tout dernièrement, on a commencé à travailler avec des simulations sur ordinateur (in silico).

Bases physiques

Un modèle simplifié, basé sur un seul capillaire a été mis au point par Renkin (1959) et Crone (1965) pour mesurer la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. Malgré les simplifications, ce modèle est la meilleure approximation des conditions réelles. Le produit perméabilité-surface (anglais : permeability surface area product) PS est une mesure de la perméabilité globale de l'échantillon de capillaire. Ce produit, aussi désigné comme « constante de Crone-Renkin », est le produit du coefficient de perméabilité d'une substance donnée et de la surface disponible pour le transfert. L'unité de mesure est ml•min^-1•g^-1 (g pour la masse de tissu mouillé), et correspond au débit sanguin Q. La fraction unidirectionnelle extraite E est la fraction d'une substance qui passe dans le cerveau en un seul passage. Elle est donnée par :

Quand le débit Q est plus petit que le produit perméabilité-surface PS, le transfert de matière est limité par l'apport sanguin. Inversement, pour Q plus grand que PS, le transfert de matière est limité par la perméabilité.

Par principe, la valeur de E est toujours inférieure à 1 pour toutes les substances, car l'influx ne peut pas être supérieur à l'apport sanguin. Pour des valeurs inférieures à 0,2, on dit d'habitude que c'est la perméabilité qui est le facteur limitant pour le transport au cerveau. Dans le domaine 0,2 à 0,8, on dit que la perméabilité est modérée.

Procédés in vitro

Incubateur pour culture de cellules.
Dans les cellules endothéliales en culture on peut faire une quantité de recherches quantitatives sur le comportement des substances à la barrière hémato-encéphalique.

Le procédé in vitro le plus simple est l’utilisation de vaisseaux isolés, encore vivants. On peut y faire des recherches sur les mécanismes de transport au niveau cellulaire. Et l'on peut parfois utiliser pour cela des capillaires humains issus d'autopsies. Les capillaires sont encore actifs sur le plan métabolique après le prélèvement, même si la provision d'ATP dans les cellules est largement entamée. Dans ce processus, cependant, les deux faces, luminale et abluminale, des cellules endothéliales sont exposées à la substance étudiée. Il n'est donc pas possible de faire une différence entre les deux faces en ce qui concerne leur interaction avec la substance. Au moyen de la microscopie à fluorescence confocale, on peut analyser la distribution spatiale sur les capillaires incubés. Par exemple, on peut étudier l'absorption d'anticorps monoclonaux sur le récepteur de la transferrine. La méthode peut être raffinée au point de permettre des dosages semi-quantitatifs sur l'efflux de substances du côté luminal des endothéliums.

Avec des lignées de cellules endothéliales immortalisées, on peut obtenir des résultats quantitatifs sur la perméabilité à une substance. Il y a maintenant une grande variété de lignées. Celles-ci sont utilisées aussi bien pour la recherche fondamentale que pour la mise au point de médicaments. Les cellules endothéliales sont, comme dans le capillaire, entretenues en couches simples (monolayer). La qualité de ces couches se juge par exemple par la résistance électrique de la couche épithéliale (trans endothelial electrical resistance = TEER), qui doit se montrer aussi haute que possible. Dans l'organisme vivant, cette valeur est supérieure à 2 000 Ω⋅cm², et dépend de façon primordiale de la qualité des jonctions serrées. In vitro, on n'atteint que des valeurs inférieures d'un ordre de grandeur au mieux à cette valeur. Ces valeurs s'améliorent substantiellement si l'on utilise des cultures mixtes d'astrocytes et de cellules endothéliales. Les astrocytes influencent positivement l'expression des gènes responsables de la formation des jonctions serrées. De cette manière, on peut atteindre des valeurs jusqu’à 800 Ω⋅cm². Des valeurs également grandes peuvent aussi être atteintes sans astrocytes, mais en ajoutant du cortisol à la culture.