viii-2 : électrophysiologie visuelle chez des animaux - Lodel

Œil et Physiologie de la Vision - VIII-2
VIII-2 : ÉLECTROPHYSIOLOGIE VISUELLE CHEZ DES
ANIMAUX SELECTIONNES COMME MODELES DE
RETINOPATHIES HUMAINES
Allison L. Dorfman
Suna Jung
Anna Polosa
Julie Racine
Pia Wintermark
Pierre Lachapelle
Pour citer ce document
Allison L. Dorfman, Suna Jung, Anna Polosa, Julie Racine, Pia Wintermark et Pierre
Lachapelle, «VIII-2 : ÉLECTROPHYSIOLOGIE VISUELLE CHEZ DES ANIMAUX
SELECTIONNES COMME MODELES DE RETINOPATHIES HUMAINES», Oeil et physiologie
de la vision [En ligne], VIII-La vision et son exploration chez l'animal, mis à jour le
04/04/2014, URL :
http://lodel.irevues.inist.fr/oeiletphysiologiedelavision/index.php?id=244,
doi:10.4267/oeiletphysiologiedelavision.244
Plan
Introduction
Critères et modes de choix d’un animal modèle
Essais thérapeutiques associés
Sélection des modèles
Pour la rétinopathie induite du prématuré
Pour la rétinopathie pigmentaire et la DMLA
Mécanismes physiopathologiques : critères pour le choix du modèle
Le rat nouveau-né : modèle pour le stress oxydatif
Le cochon d’Inde : modèle pour la rétine humaine à cônes
Le cochon d’Inde albinos : modèle pour la CSNB de type I
Techniques d’explorations par électrophysiologie
L’ERG flash
Préparation de l’animal
Stimulations
Recueil du signal
L’ERG ON-OFF
Stimulations
Recueil du signal
Analyse ERG flash & ERG ON-OFF
ERG flash
ERG ON-OFF
L’ERG multifocal
Préparation de l’animal
Stimulations
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Œil et Physiologie de la Vision - VIII-2
Recueil et traitement du signal
Réponses issues du système des cônes ou du système des bâtonnets
Potentiels évoqués visuels par flash (PEV flash) et recueil couplé ERG flash-PEV flash binoculaires
Méthode
Réponses ERG flash PEV flash binoculaires
Rétinopathie du prématuré
Rappel sur la vascularisation de la rétine humaine
Développement normal
Développement chez le prématuré
Le rat : modèle de ROP
Protocole d’induction de la rétinopathie par oxygène
Résultats à J+30
Variations histologiques de la rétine à J+30
Variations fonctionnelles de la rétine à J+30
Variations immuno-histo-chimiques
Synthèse
Rétinopathie induite par la lumière
Induction de la rétinopathie à la lumière
Exposition de l’animal à la lumière
Résultats chez le rat albinos
Mécanisme de la rétinopathie induite à la lumière
Déficience de la rhodopsine
Dégénérescence des bâtonnets suivie de celle des cônes
Déficience de type rod-cone comme chez l’humain
Animal modèle : cochon d’Inde albinos mutant
Comportement à la naissance : normal
ERGs à la naissance : anormaux
Evolution de l’ERG flash avec l’âge
Caractéristiques histologiques et histochimiques de la rétine
Points forts de ce modèle CSNB/Rod-cone dystrophy
Conclusion
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Œil et Physiologie de la Vision - VIII-2
Texte intégral
Chaque co-auteur a également contribué à ce chapitre
Introduction
Les animaux modèles sont communément utilisés pour mieux comprendre la
pathogenèse de divers types de rétinopathies humaines, d’autant plus que les maladies
rétiniennes sont parmi les principales causes de cécité (Fletcher et al., 2011). Les
recherches menées dans notre laboratoire sont depuis longtemps axées sur la
caractérisation des processus physiopathologiques impliqués dans diverses maladies
rétiniennes et sur les mécanismes moléculaires complexes à l’origine de celles-ci.
Critères et modes de choix d’un animal modèle
Les études commencent souvent par une sélection attentive d’un animal modèle. Pour
être approprié, il faut en premier lieu, examiner le niveau de maturité de la rétine à la
naissance puis, entre autres, la taille de la portée, le coût et la durée de la gestation. Une
fois le modèle établi, il faut analyser de façon détaillée la vascularisation rétinienne par
l’utilisation des rétines étalées flat mounts, la cytoarchitecture rétinienne à l’aide de
coupes ultra minces de rétine, de cryosection et de techniques
d'immunohistochimie, l’expression des protéines rétiniennes par l'utilisation de
techniques d’immunobuvardage, puis, évaluer la fonction rétinienne par ERG flash et ERG
multifocal et les capacités de transmission du signal rétinien le long des voies visuelles
par les potentiels évoqués visuels. L’ensemble de ces paramètres permet d’entrevoir la
séquence des évènements qui sont à l’origine de la rétinopathie donnée.
Essais thérapeutiques associés
Des essais thérapeutiques peuvent aussi être menés en parallèle à l’aide de nouvelles
substances administrées par voie intravitréenne, sous-cutanée, intrapéritonéale ou
topique. Leurs effets sont testés sur les paramètres mentionnés ci-dessus et participent à
la mise au point de traitement pour ces maladies rétiniennes.
Sélection des modèles
Au cours de la dernière décennie, notre laboratoire a mis l'accent sur deux modèles de
rongeurs différents pris en période néonatale et soumis, en période post natale, à un
stress oxydatif (Lachapelle et al., 1999), (Dembinska et al., 2001), (Dembinska et al.,
2002), (Dorfman et al., 2006), (Joly et al., 2006a), (Joly et al., 2006b), (Joly et al.,
2007), (Dorfman et al., 2008), (Dorfman et al., 2011).
Pour la rétinopathie induite du prématuré
La rétinopathie induite par l'oxygène (RIO) chez un rat nouveau-né est utilisée comme
modèle humain de la rétinopathie du prématuré (RDP). Elle permet de mieux comprendre
ce qui se passe chez les nourrissons nés prématurément et exposés à des niveaux élevés
d'oxygène pour compenser leur fonction pulmonaire immature.
Pour la rétinopathie pigmentaire et la DMLA
La rétinopathie induite par la lumière (RIL) ressemble à bien des égards aux
rétinopathies humaines, y compris la rétinite pigmentaire (RP) et la dégénérescence
maculaire liée à l'âge (DMLA).
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Mécanismes physiopathologiques : critères pour le choix
du modèle
La rétinopathie induite par l’oxygène est souvent considérée comme une maladie
vasoproliférative avec déficiences structurelles et fonctionnelles qui se produisent
principalement dans la rétine interne (Reynaud & Dorey, 1994), (Penn et al., 1994),
(Madan & Penn, 2003), (Hardy et al., 2005), (Hardy et al., 2005).
La rétinopathie induite par la lumière se caractérise, quant à elle, par une
dégénérescence de la rétine externe, principalement au niveau de la couche des
photorécepteurs, en rapport avec une rhodopsine déficiente. Il en résulte des dommages
structurels et fonctionnels majeurs (Noell et al., 1966), (Penn & Thum, 1987), (Penn et
al., 1989), (Li et al., 2001), (Li et al., 2003).
Le rat nouveau-né : modèle pour le stress oxydatif
Le rat est une espèce nidicole dont la rétine est immature à la naissance à terme. C’est
donc un bon modèle pour le suivi de la maturation rétinienne depuis le début de
l'exposition à des stress oxydatifs exogènes soit par des niveaux élevés d'oxygène
(comme modèle de la rétinopathie du prématuré induite par l’oxygène) soit par des
niveaux intenses de lumière pour induire une rétinopathie à la lumière, modèle de
rétinopathie pigmentaire ou DMLA. Il est ainsi possible de suivre l’évolution de ces rétines
sous ces stress oxydatifs et d’en caractériser les différents processus
physiopathologiques qui conduisent à l’involution de la rétine externe ou interne.
Le cochon d’Inde : modèle pour la rétine humaine à cônes
Contrairement au rat nidicole, le cochon d’Inde est une espèce précociale dont la rétine
est mature à terme. C’est un bon modèle pour l'étude de l'ERG humain. En utilisant le
cochon d’Inde albinos Hartley, nous avons non seulement montré que, à la naissance, sa
rétine a une structure et un fonctionnement rétinien semblables à ceux du cochon d’Inde
adulte avec une maturation rétinienne similaire à celle de l’humain (Racine et al., 2008),
mais aussi que son ERG photopique a les mêmes caractéristiques que l’ERG photopique
humain (Rosolen et al., 2004), (Racine et al., 2005).
D'autres modèles ont été découverts alors qu’ils se sont produits de façon spontanée.
Le cochon d’Inde albinos : modèle pour la CSNB de type I
En 2003, au cours de tests électrophysiologiques pratiqués en routine sur le cochon
d’Inde, nous avons découvert dans une population de cobayes Hartley albinos, des
animaux qui présentaient, à l’état naturel, un trouble rétinien similaire à la cécité
nocturne (Racine et al., 2003).
C’est par un accouplement consanguin accidentel entre un mâle et une femelle issus
d’une même portée que le premier cochon d’Inde mutant a été conçu. De cette union,
sont nés 4 bébés dont un seul présentait des électrorétinogrammes anormaux. Grâce à
un accouplement sélectif, nous avons pu reproduire ce phénotype encore 80 fois et ce,
sur plus de 14 générations. Sur 81 cochons d’Inde affectés, 35 étaient des mâles, 43 des
femelles et 3 autres ont été euthanasiés avant l’identification de leur sexe.
En examinant le pédigré sur 14 générations, il apparaît que cette anomalie est transmise
sur un mode autosomique récessif avec des caractéristiques qui ressemblent étroitement
aux formes humaines d’héméralopie congénitale essentielle stationnaire (CSNB).
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Techniques d’explorations par électrophysiologie
Nous présentons ici quelques techniques électrophysiologiques actuellement utilisées
dans notre laboratoire qui nous permettent d’évaluer la fonction rétinienne et le devenir
du signal rétinien le long des voies visuelles. Elles sont importantes pour caractériser ces
signaux. Elles sont applicables aux rats, modèles de la rétinopathie du prématuré (induits
par l’oxygène) ou modèles de rétinopathie pigmentaire et DMLA (induits par la lumière)
ainsi qu’au cochon d’Inde, modèle spontané d’héméralopie congénitale essentielle.
Toutes les expérimentations animales réalisées dans notre laboratoire sont approuvées par l'Institut de
recherche de l'Hôpital de l'Université McGill de Montréal pour enfants et conformes aux recommandations du
conseil canadien de protection des animaux. Elles sont menées en conformité avec les recommandations de
l’ARVO pour l'utilisation des animaux en recherche visuelle et ophtalmologique.
L’ERG flash
L’électrorétinogramme flash (ERG flash) est une réponse globale des cellules rétiniennes
à une stimulation lumineuse brève. Les signaux recueillis peuvent l’être de manière non
invasive ; c’est donc une technique précieuse non seulement chez l'homme mais aussi
chez les animaux. Elle permet de caractériser le fonctionnement physiologique de la
rétine normale et pathologique (Hebert & Lachapelle, 2003).
Préparation de l’animal
Les enregistrements des ERG flash standards plein champ sont réalisés chez le rat et le
cochon d’Inde anesthésiés -sous un éclairage de faible lumière rouge- par une injection
intramusculaire de kétamine (85 mg/kg) et de xylazine (5 mg/kg) à la suite d'une
période de 12 heures d'adaptation à l'obscurité. Leurs pupilles sont ensuite dilatées avec
1 à 2 gouttes de Mydriacyl 1% ; l'animal est alors placé sur le côté, dans une chambre
d'enregistrement de notre conception, qui inclut à la fois le stimulateur flash et la lumière
du fond adaptant (figure VIII-2-1).
Stimulations
Pour la courbe luminance-réponse
Les courbes de luminance-réponse scotopiques sont évoquées par des flashs de lumière
achromatique couvrant une gamme de 6 unités logarithmique par pas de 0,3 unité
logarithmique, allant de -6,3 à 0,6 log cd.s.m-2.
La réponse (c'est-à-dire l’ERG flash) est obtenue après stimulation (en moyenne) de trois
à cinq flashs, délivrés à un intervalle de 9.60 secondes.
L'utilisation de flashs d’intensité croissante dans une ambiance scotopique va générer
une onde-b d’amplitude progressivement croissante. Le « rod Vmax » est l’amplitude
maximale de la réponse du système des bâtonnets que l'on obtient en absence de toute
contribution des cônes ; elle se produit pour une intensité inférieure ou égale à 2,4 log
cd.sec.m-2 (Naka & Rushton, 1966).
En augmentant encore l'intensité du flash au-delà de ce point, on observe une nouvelle
aumgnentation d'amplitude de l'onde-b : à la réponse du système des bâtonnets,
s’ajoute celle du système des cônes. Chez les rongeurs, l'onde-a n’apparaît qu’à la suite
d’une stimulation flash suffisamment intense pour que les deux systèmes (des bâtonnets
et des cônes) répondent conjointement donnant une réponse dite mixte (ou mixed-
response), généralement pour une intensité de 2,4 log cd.sec.m-2.
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