Imaging Cerebral Oxygenation Alterations in an Alzheimer Mouse Model

Cette thèse a pour objectif d'explorer l'oxygénation cérébrale en exploitant un système de microscopie à deux photons combiné à un colorant phosphorescent sensible à la pression d'oxygène, le PO2. La combinaison du colorant phosphorescent au système à deux photons permet une mesure de l'oxygène avec une excellente résolution spatiale et temporelle, facilitant la recherche de sur l'oxygénation des tissus, en particulier dans les situations pathologiques. À cette fin, la microscopie laser à deux photons a d'abord été associée au colorant phosphorescent, tandis que d'autres techniques d'imagerie, y compris l'imagerie optique de signaux intrinsèques (ISOI), l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par cohérence optique ont pu fournir des informations complémentaires dans les études qui ont été faites. Nos travaux ont visé l'étude de modèles murins de la maladie d'Azheimer (AD) pour explorer les altérations de l'oxygénation cérébrale dans ces modèles. Les résultats accumulés ont fait l'objet de publications qui ont été soumises à trois revues avec comité de lecture. Dans le premier travail, nous avons cherché à examiner 1) si l'oxygénation du cerveau est compromise par l'apparition de la maladie d'Alzheimer et 2) comment l'exercice physique volontaire module l'influence de la maladie d'Alzheimer sur l'oxygénation du cerveau. Bien que les contributions vasculaires à la démence et à la maladie d'Alzheimer soient de plus en plus reconnues, la perturbation potentielle de l'oxygénation du cerveau associée à la maladie et le fait que les stratégies de prévention visant à maintenir l'oxygénation des tissus soient bénéfiques ont des causes qui restent largement inconnues. Nos résultats montrent que la pression partielle d'oxygène du tissu cérébral (PO2) a diminué avec l'apparition de la maladie d'Alzheimer. Cette réduction de la PO2 était associée à la présence de petites zones spatiales presque hypoxiques, à une fraction accrue d'extraction d'oxygène et à une réduction du débit sanguin, observations qui ont toutes été annulées par l'exercice. L'Alzheimer et l'âge ont également accru l'hétérogénéité spatiale de l'oxygénation du tissu cérébral, qui fut par ailleurs normalisée par l'exercice. Une coloration ex vivo du tissu cérébral a également montré moins de dépôts d'amyloïde-β (Aβ) dans le groupe d'exercice. Enfin, nous avons observé des corrélations entre la distance de course volontaire et l'oxygénation des tissus cérébraux / le flux sanguin, suggérant une relation dose-réponse de l'exercice sur le cerveau. Le deuxième article avait pour objectif de caractériser, dans une seconde cohorte de souris, les modifications de l'hémodynamique capillaire avec l'Alzheimer et le rôle modulateur de l'exercice, étant donné le rôle fondamental des capillaires dans le transport de l'oxygène vers les tissus et les bénéfices proposés de l'exercices pour la maladie d'Alzheimer. Nous avons constaté des altérations hémodynamiques et une densité vasculaire plus faible chez la souris Alzheimer, inversées par l'exercice. Nous avons en outre observé que les propriétés des capillaires étaient dépendantes de l'ordre des branches et que la stimulation évoquait des changements atténués par l'Alzheimer mais augmentés par l'exercice. Notre étude fournit de nouvelles informations sur les perturbations de la microcirculation cérébrale avec la maladie et sur le rôle modulateur de l'exercice volontaire sur ces altérations. Le dernier article avait pour objectif d'explorer les modifications de l'oxygénation des tissus évoquées par un stimulus dans le même modèle animal, et d'explorer plus avant les facteurs modulateurs, notamment l'exercice et l'hypertension, responsables de ces modifications. La microscopie à deux photons in vivo a été utilisée pour étudier les modifications locales de l'oxygénation du tissu cérébral avec la maladie et sa modulation par l'exercice et l'hypertension chez la souris transgénique suivant une stimulation des moustaches. Nous avons observé une décroissance plus rapide de la PO2 tissulaire entourant les artérioles et une plus grande hétérogénéité de la PO2 dans le groupe de pathologies doubles (AD et hypertension). Nos résultats ont également montré une valeur de base inférieure de la PO2 dans le groupe AD, exacerbée par l'hypertension artérielle alors qu'elle était inversée par l'exercice. Globalement, ces études suggèrent que l'oxygénation cérébrale compromise est un indicateur de l'apparition de l'Alzheimer, avec l'apparition de mécanismes délétères potentiels associés à l'hypoxie. L'exercice volontaire a amélioré le processus d'oxygénation neurovasculaire, offrant potentiellement un moyen de retarder ces changements dans la maladie, alors que des maladies vasculaires telles que l'hypertension pourraient exacerber la perturbation de l'oxygénation.

Abstract

This thesis aims to explore the cerebral oxygenation by eploiting two photon microscopywith a phosphorescence PO2 sensitive dye. Combining the phosphorescence dye to the two-photon system enables better spatial and temporal resolution compared to other oxygen measurement methods (e.g., mass spectroscopy and polarography), facilitating the investigation of oxygenation in tissues especially in pathological situations. Toward this end, two-photon laser microscopy was combined with the phosphorescence dye first, while other imaging techniques, including intrinsic signal optical imaging (ISOI), magnetic resonance imaging (MRI), and optical coherence tomography (OCT) were also used to provide complementary information (e.g., changes of oxygenated hemoglobin, blood perfusion, and blood flow). All imaging methods were used to investigate a mouse model of Azheimer's disease (AD) to explore the oxygenation alterations in the brain. Results from these studies have been submitted to three peer-reviewed journals. In the first endeavor, we aimed to examine 1) whether brain oxygenation is compromised by the onset of AD and 2) how voluntary exercise modulates the influence of AD on brain oxygenation. While vascular contributions to dementia and AD are increasingly recognized, the potential brain oxygenation disruption associated with AD and whether preventive strategies to maintain tissue oxygenation are beneficial remain largely unknown. Our results show that cerebral tissue oxygen partial pressure (PO2) decreased with the onset of AD. Reduced PO2 was associated with the presence of small near-hypoxic areas, an increased oxygen extraction fraction, and reduced blood flow. The observations were all reverted by exercise. AD and age also increased the spatial heterogeneity of brain tissue oxygenation, which was homogenized by exercise. Immunohistological staining also showed fewer amyloid-β (Aβ) deposits in the exercise group. Finally, we observed correlations between voluntary running distance and cerebral tissue oxygenation/blood flow, suggesting a dose-response relationship of exercise on the brain. The second article aimed to characterize the changes in capillary hemodynamics with AD and the modulating role of exercise, given the fundamental role of capillaries in the oxygen transport to tissue and the propoosed benefits of exercise to AD. We found hemodynamic alterations and lower vascular density with AD, reversed by exercise. We further observed that capillary properties were branch order dependent and that stimulation evoked changes were attenuated with AD but increased by exercise. Our study provides novel insights into cerebral microcirculatory disturbances with AD and the modulating role of voluntary exercise on these alterations. The last paper aimed to explore the stimulus-evoked tissue oxygenation changes in the model of AD and further explore modulating factors, including exercise and hypertension, for these changes. In vivo two-photon phosphorescence lifetime microscopy was used to investigate local changes of brain tissue oxygenation with AD and its modulation by exercise and hypertension in the transgenic AD mice under whisker stimulation. We observed faster decay of tissue PO2 surrounding arterioles and more PO2 heterogeneity in the group of dual pathology (both AD and hypertension). Our results also showed lower baseline tissue PO2 value in the AD group, exacerbated by hypertension but reversed by exercise. Overall, this these studies suggest that compromised brain oxygenation is an indicator of the onset of AD, with the emergence of potential deleterious mechanisms associated with hypoxia. Voluntary exercise enhanced the neurovascular oxygenation process, potentially offering a means to delay these changes in AD, whereas vascular disease such as hypertension could exacerbate the oxygenation disruption in AD.