Outcomes of a ketogenic diet on stress resilience and microglia in adult male mice

Autor:	Gonzalez Ibanez, Fernando
Jazyk:	francouzština
Rok vydání:	2024
Předmět:	Régimes cétogènes. Microglie. Souris (Animal de laboratoire) Stress.
Druh dokumentu:	Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis:	Les microglies sont les cellules immunitaires résidentes du cerveau. Les microglies sont principalement connues pour leur capacité à éliminer des débris toxiques, des cellules dysfonctionnelles ou dégénérées, ainsi que des pathogènes, et à médier des évènements inflammatoires. Cependant, les fonctions des microglies sont plus diverses que considérées auparavant. Les microglies participent à la modulation neuronale et synaptique, l'organisation vasculaire et la modulation des autres cellules gliales comme les astrocytes et les oligodendrocytes. Les fonctions microgliales sont nécessaires pour un fonctionnement sain du cerveau, le comportement et les fonctions cognitives tout au long de la vie. Les microglies sont sensibles aux changements dans leur environnement et présentent une vaste gamme de réponses aux changements environnementaux. L'exposition au stress psychologique chronique affecte la structure et la fonction du cerveau et mène à des conséquences sur le comportement et la cognition. Les microglies répondent au stress chronique et leurs réponses peuvent devenir dysfonctionnelles. Les facteurs environnementaux peuvent également avoir des effets synergiques avec le stress chronique. L'apport nutritionnel est un facteur de vie modifiable important pour le fonctionnement du cerveau. Certaines diètes sont des facteurs de risque pour développer certaines maladies, mais elles peuvent aussi protéger contre divers risques ainsi que permettre d'acquérir une résilience aux facteurs de risque. La diète cétogène est utilisée comme un régime qui offre des améliorations notamment pour les troubles d'humeur et possède des effets anti-inflammatoires. Cependant, les effets de cette diète et le stress sur le cerveau et les microglies restent peu étudiés. Néanmoins, il est essentiel d'étudier les effets de la diète cétogène sur la résilience au stress et les microglies. Les microglies sont situées dans le parenchyme cérébral et leurs caractéristiques dépendent de leur position dans le cerveau. Ces variations sont accentuées par leur réponse aux facteurs environnementaux ou par des changements dans leur contexte immédiat. La visualisation de la microglie permet leur identification et l'analyse de leur densité, distribution et morphologie. Cette approche a une grande utilité pour étudier les microglies dans des contextes de santé et de pathologie. Les microglies sont des macrophages spécialisés dérivés du sac vitellin qui migrent jusqu'au cerveau dans les premiers jours de gestation où elles restent isolées et deviennent une population autorenouvelable. Les macrophages périphériques proviennent de la moelle osseuse. Dans des contextes spécifiques, les macrophages périphériques peuvent infiltrer le cerveau et co-exister avec la microglie. Le développement de techniques qui permettent de différentier entre la microglie et les macrophages périphériques infiltrant est nécessaire. J'ai développé un protocole pour distinguer entre les microglies et les macrophages infiltrants en fonction de leur expression du marqueur de microglie et macrophages IBA1 et du marqueur de microglies TMEM119. Ce protocole comprend des outils d'analyses pour étudier la densité, la distribution et la morphologie des microglies en utilisant des logiciels d'utilisation libre. Mon protocole inclut également des outils pour interpréter les résultats des analyses présentées et des solutions aux problèmes plus communs. Ce protocole permet d'étudier les contributions de ces deux types cellulaires dans différents contextes sains et pathologiques. L'exposition au stress psychologique augmente le risque d'incidence de plusieurs maladies, incluant les maladies psychiatriques. La résilience et susceptibilité au stress chronique peuvent être modulées par plusieurs facteurs environnementaux, dont des habitudes de vie considérées modifiables. La microglie répond au stress chronique et aux changements de diète. Ainsi, pour la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié les effets de la diète cétogène (KD) et de la résilience au stress chronique sur la microglie. En collaboration avec mes collègues, je présente de nouvelles découvertes sur la biologie du stress, la diète cétogène et ses effets sur la microglie. J'ai examiné des souris mâles adultes supplémentées avec soit une diète contrôle (CD) ou une KD qui ont également été sujettes soit à un protocole de stress psychologique, un protocole de défaite sociale répétitif (RSD), ou demeurées non exposées au stress (contrôles; CTRL). Lors d'un test d'interaction sociale, les souris stressées ont été classifiées comme étant susceptibles (SUS) ou résistantes (RES) au stress psychologique. Ce protocole permet d'étudier les changements spécifiques des souris résistantes ou susceptibles au stress et permet la comparaison avec les souris contrôles. Parmi les souris supplémentées avec une KD, nous avons détecté une tendance plus élevée à être classifiées comme étant des souris RES après le RSD. J'ai analysé la morphologie et l'ultrastructure des microglies dans l'hippocampe ventral, particulièrement le CA1, une région du cerveau connue pour montrer des altérations structurelles suivant la réponse au stress psychologique. Mon étude a identifié de nombreux changements microgliaux liés à la KD et aux phénotypes comportementaux SUS et RES. L'analyse ultrastructurelle en microscopie électronique a montré une réduction des marqueurs de stress cellulaires chez les microglies des souris sur une KD. De plus, mon analyse de microscopie électronique a montré une réduction des contacts entre les microglies et les éléments synaptiques dans les souris SUS en comparaison des souris RES et CTRLs. Finalement, mon analyse de lipidomique dans l'hippocampe a identifié un profil lipidique distinct chez les souris SUS en comparaison des souris CTRLs. Ces différences, combinées avec les réponses microgliales envers la diète et le stress, suggèrent que des changements métaboliques peuvent mener à des phénotypes associés à la susceptibilité au stress. Nos résultats révèlent de nouveaux mécanismes par lesquels la KD pourrait améliorer la résistance au stress psychologique. Somme toute, mon travail comprend le développement de protocoles pour étudier la microglie en utilisant des techniques de microscopie avancées et une caractérisation détaillée de la morphologie et de l'ultrastructure microgliales. Ces méthodes ont été utilisées dans un projet qui étudie les effets synergiques de la diète et du stress sur le comportement et la microglie. Mes résultats suggèrent que la diète cétogène améliore la résistance au stress psychologique. Mes résultats offrent l'opportunité pour des études de suivi dans plusieurs domaines de recherche comme la psychiatrie, la nutrition et la neuroimmunologie. Microglia are the resident immune cells of the brain. Microglia are mainly known for their roles in clearing toxic debris, removing dysfunctional or degenerating cells and pathogens and for mediating inflammation. However, microglia have other functions including modulating other glial cells (oligodendrocytes, astrocytes), neuronal and synaptic dynamics as well as vascular remodeling. Microglial functions are important for proper brain function, behavior and cognition across the lifespan. Microglia are sensitive to changes in their local environment and present a vast array of responses to an equally diverse set of environmental factors. Chronic psychological stress exposure is an environmental factor known to affect brain structure and function, which results in effects on behavior and cognition. Microglia are able to respond to chronic stress, and their adaptive response to chronic stress can sometimes become maladaptive. Environmental factors interact with each other and alter the physiological response of the brain to them. Diet, a modifiable environmental factor, is also relevant for brain function. Some diets have been known to increase the risk of disease but also confer protection and increase resilience to certain risk factors. The ketogenic diet has been used as a clinical dietary intervention with positive effects on mood improvement and anti-inflammatory properties. Nevertheless, the interactions of stress and diet in the brain, including effects on microglia, remain understudied. Therefore, it is important to study the outcomes of a ketogenic diet on stress resilience and microglial properties. Microglia are distributed across the brain and their function and characteristics vary across the different functional brain domains. This variation is further increased by responses to environmental factors or changes in their immediate environment. Imaging techniques that allow for the identification of microglia, and the analysis of their morphology, density and distribution, remain an important tool to study microglia across different contexts. Microglia are specialized macrophages that originate from the yolk-sac, migrate to the brain during development and become a self-sufficient cell population of the brain. Peripheral macrophages are bone marrow derived. In few contexts, bone marrow-derived macrophages can infiltrate the brain and co-exist alongside microglia. There is a need to develop tools to study the different roles of microglia and bone marrow-derived macrophages. I present a protocol I developed to differentiate between microglia and infiltrating bone marrow-derived macrophages using a double immunostaining for the microglia/macrophage marker ionized calcium-binding adapter molecule 1 (IBA1) and microglial marker transmembrane protein 119 (TMEM119). This protocol also comprises a battery of analyses to assess microglial density, distribution and morphology using open source analyzing tools. It lastly provides tools for result interpretation and troubleshooting of this protocol. My protocol enables the study of microglial features that are relevant in neuroscience research. Psychological stress is major risk for several diseases including psychiatric conditions. Resilience and susceptibility to stress can be modulated by modifiable life-style habits, like diet. Microglia are known to respond to psychological stress and changes in diet. Therefore, in the second part of the thesis, I aimed to study the outcomes of ketogenic diet on stress resilience and microglial properties. In collaboration with my teammates, I present novel findings on the biology of stress resistance, diet and their effects on microglia. I worked with adult male mice following a ketogenic diet (KD) or a control diet (CD) paired with a paradigm of repeated social defeat to study the mechanisms underlying the interindividual differences in the outcomes of psychological stress through the comparison of resistant versus susceptible phenotypes. I observed behavioral changes with a KD. A higher proportion of the KD mice were classified as resistant compared to CD mice following the stress paradigm. Confocal microscopy image analysis of microglia in stress-responsive hippocampus showed morphological adaptations to the diet and stress. Microglia of the non-stressed KD group presented morphological adaptations previously linked to homeostatic microglial states. I further observed distinct morphological changes in microglia of susceptible and resilient animals suggesting specific adaptations to stress. Ultrastructural analysis of hippocampal microglia using scanning electron microscopy also revealed effects of the stress and diet. Microglia of susceptible mice made less contacts with synaptic elements. I observed a reduction of tertiary lysosomes, resulting from phagolysosomal activity, in non-stressed KD mice. I also measured reduced microglial cellular stress markers at the ultrastructural level with the KD treatment. Finally, lipidomic analysis revealed that lipids are differentially regulated by a KD in the hippocampi of susceptible animals. These findings show that diet can boost stress resistance through stress-related lipid changes in the brain and that microglia respond to stress and diet, potentially underlying the beneficial effects of KD. Altogether, my work includes the development of protocols for the study of microglia using advanced imaging techniques and in-depth characterization of microglia morphology and ultrastructure. These methods are employed in a project that studied the interplay of diet and stress and their outcomes on behavior and microglia. My findings showed that KD increases resistance to psychological stress. My results provide the opportunity for followup research in various fields such as psychiatry, nutrition and neuroimmunology.
Databáze:	Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz:	https://hdl.handle.net/20.500.11794/151705 Zobrazit plný text záznamu