Vignette (Photo © Bruno J. Gonzales).

La consommation d’alcool au cours de la grossesse constitue une cause majeure de trouble du neurodéveloppement/comportement et de handicap secondaire. Les dernières données épidémiologiques mondiales indiquent que, malgré une prévention primaire active dans certains pays, la part des femmes consommant de l’alcool pendant leur grossesse et la prévalence des troubles causés par l’alcoolisation fœtale (TCAF) sont en augmentation [1, 2]. Il est possible pour un clinicien d’établir un diagnostic néonatal du syndrome d’alcoolisation fœtale (SAF), l’atteinte la plus sévère des TCAF, devant l’observation d’une dysmorphie faciale caractéristique, associée à un petit périmètre crânien et un faible poids de naissance, voire des malformations diversement associées atteignant le cœur, le système uro-digestif, l’os ou le système nerveux central. Une grande majorité des enfants va cependant échapper à un diagnostic précoce en raison de l’absence d’anomalies morphologiques évidentes [3, 4]. Néanmoins, ces enfants ne sont pas dépourvus d’atteintes neurologiques dont les conséquences fonctionnelles neurodéveloppementales et comportementales se révéleront progressivement avec l’âge. Ainsi, nombre de ces enfants sont identifiés tardivement au cours de leur scolarité par les équipes éducatives sur la constatation de troubles de l’attention associés à une hyperactivité majeure, des troubles des apprentissages, voire des comportements violents [4]. Ces enfants, souvent en situation d’échec scolaire, vont également présenter des difficultés d’intégration sociale qui retentiront durablement sur leur vie d’adulte [5]. Le diagnostic précoce des enfants TCAF constitue donc un défi pour les cliniciens afin de permettre une prise en charge rapide à une période où la plasticité cérébrale est maximum, avant l’âge de 5 ans. Plusieurs études menées notamment dans le cadre des troubles du spectre de l’autisme ont en effet montré qu’une prise en charge éducative précoce et intensive est associée à un meilleur pronostic neurodéveloppemental et comportemental, notamment dans les domaines du langage et du comportement [6, 7].

En cas d’alcoolisation fœtale, les biomarqueurs existants (Tableau I) visent à rechercher une exposition à l’alcool et à répondre aux questions suivantes : la mère a-t-elle consommé de l’alcool durant la grossesse, ou, l’enfant a-t-il été exposé in utero à l’alcool ? Ainsi, le dépistage d’une consommation d’alcool se fera chez la femme, au mieux lors de la consultation préconceptionnelle par l’équipe de santé (médecin généraliste, sage-femme, etc.), grâce à l’utilisation de questionnaires ou au dosage chez la femme et/ou l’enfant des métabolites de l’éthanol ou de molécules dérégulées par la consommation d’alcool (Tableau I) [8, 9]. Néanmoins, tous les enfants exposés in utero à l’alcool ne développeront pas nécessairement des troubles alors qu’une exposition même modérée ou ponctuelle peut entraîner une déviation de la trajectoire neurodéveloppementale normale de l’enfant. On aborde ainsi toute la complexité de la toxicité de l’alcool pour laquelle il n’existe pas de dose seuil établie et dont les effets vont s’exprimer différemment en fonction du stade de développement du fœtus, du degré de maturation cérébrale et des polymorphismes génétiques. Cette notion de fenêtre de vulnérabilité [10, 11] va d’ailleurs au-delà de la période fœtale avec des modifications épigénétiques pouvant impacter à long terme l’activité cérébrale et le comportement de l’individu [12, 13]. Ainsi, bien que nécessaires, les biomarqueurs d’exposition ne permettent pas d’établir un diagnostic à court terme chez la plupart des enfants TCAF.

Le placenta humain est un organe autonome et transitoire dont les multiples fonctions endocrines et immunomodulatrices permettent le développement du fœtus. Il constitue une interface entre le fœtus et l’endomètre décidualisé qui assure à la fois un rôle de barrière et d’échanges essentiels à la croissance fœtale [14]. La villosité choriale flottante forme l’unité structurale et fonctionnelle du placenta humain (Figure 1A). Elle se compose d’un axe mésenchymateux incluant des capillaires fœtaux et des macrophages appelés cellules de Hofbauer [14]. Elle est bordée d’une assise de cytotrophoblastes villeux qui en fusionnant, forme une seconde couche multinucléée et polarisée, le syncytiotrophoblaste. Les circulations maternelle et fœtale sont séparées par ces deux assises cellulaires constituant la villosité flottante. Le syncytiotrophoblaste possède une membrane apicale bordée de nombreuses microvillosités qui se projettent dans la chambre intervilleuse. Il est en contact direct avec le sang maternel et représente donc la zone privilégiée des échanges foeto-maternels. Il assure des fonctions métaboliques, endocrines et de tolérance immunitaire [14]. Ainsi, des hormones peptidiques telles que l’hormone de croissance placentaire (PGH) ou l’hormone lactogène placentaire (hPL) peuvent être sécrétées et vont contribuer à la croissance fœtale [15]. Des facteurs pro-angiogéniques tels que le VEGF_A (vascular endothelial growth factor A) sont également synthétisés par le placenta, en particulier, le PlGF (placental growth factor), un membre de la famille du VEGF_A, est très fortement exprimé par différents types cellulaires, tels que les trophoblastes villeux, les trophoblastes extravilleux, le syncytiotrophoblaste et les cellules endothéliales fœtales, suggérant l’existence d’une régulation autocrine de l’angiogenèse placentaire ; le PlGF est de plus secrété dans la circulation par cet organe (Figure 1B) [16, 17]. Alors que les études de transcriptomique ou de protéomique indiquent que le PlGF est peu exprimé dans le système nerveux central (Figure 2A, B), son unique récepteur, le VEGFR1 (ou Flt-1 pour Fms-like tyrosine kinase 1) est, quant à lui, présent au niveau cérébral [18]. Il existe également sous une forme circulante (le sFlt-1) (Figure 1B) [19]. Sur la base de ces éléments, la contribution de facteurs pro-angiogéniques d’origine placentaire dans le contrôle de l’angiogenèse cérébrale de l’enfant est devenue une hypothèse plausible.

Figure 1 Synthèse graphique des effets de l’alcool sur les tissus cortico-vasculaires liés à une dysfonction de l’axe placenta/cerveau. A. Chez l’humain et le rongeur (rat, souris), le placenta est une source importante de PlGF (placental growth factor) et l’exposition in utero à l’alcool induit une réduction de son expression tant au niveau des transcrits [30] que de la protéine [29]. B. Le PlGF et son récepteur soluble sFlt-1 sont détectés au niveau du sang de cordon. Chez la souris, du PlGF recombinant humain administré au niveau placentaire est rapidement véhiculé dans le cerveau fœtal [29]  ; chez l’humain, des taux circulants de PlGF faibles au niveau du sang de cordon sont associés à un retard de croissance du fœtus [45]. C. L’effet de l’alcool sur l’expression du PlGF est associé à des anomalies de l’angiogenèse placentaire. Les photographies illustrent des villosités placentaires à 35 semaines gestationnelles chez un individu sain et un cas de personne ayant consommé de l’alcool durant la grossesse. On observe une réduction de la lumière des vaisseaux (couleur brune). D, E. Chez l’homme, comme chez la souris, une exposition in utero à l’alcool induit une désorganisation des microvaisseaux corticaux radiaux du fœtus et altère l’expression du récepteur du PlGF [38]. La flèche pleine ou discontinue montre, respectivement, des vaisseaux radiaux ou désorganisés. F. Chez l’humain, les anomalies de l’angiogenèse placentaire, suite à une exposition in utero à l’alcool, sont corrélées à des anomalies de l’angiogenèse cérébrale [38]. G. Chez la souris, la répression de l’expression placentaire de PlGF par des ARN interférents mime les effets de l’alcool sur l’angiogenèse cérébrale alors que sa surexpression corrige les effets de l’alcool sur les anomalies de la vascularisation [38]. CD31 : PECAM1 (platelet endothelial cell adhesion molecule).

Figure 1 Synthèse graphique des effets de l’alcool sur les tissus cortico-vasculaires liés à une dysfonction de l’axe placenta/cerveau. A. Chez l’humain et le rongeur (rat, souris), le placenta est une source importante de PlGF (placental growth factor) et l’exposition in utero à l’alcool induit une réduction de son expression tant au niveau des transcrits [30] que de la protéine [29]. B. Le PlGF et son récepteur soluble sFlt-1 sont détectés au niveau du sang de cordon. Chez la souris, du PlGF recombinant humain administré au niveau placentaire est rapidement véhiculé dans le cerveau fœtal [29]  ; chez l’humain, des taux circulants de PlGF faibles au niveau du sang de cordon sont associés à un retard de croissance du fœtus [45]. C. L’effet de l’alcool sur l’expression du PlGF est associé à des anomalies de l’angiogenèse placentaire. Les photographies illustrent des villosités placentaires à 35 semaines gestationnelles chez un individu sain et un cas de personne ayant consommé de l’alcool durant la grossesse. On observe une réduction de la lumière des vaisseaux (couleur brune). D, E. Chez l’homme, comme chez la souris, une exposition in utero à l’alcool induit une désorganisation des microvaisseaux corticaux radiaux du fœtus et altère l’expression du récepteur du PlGF [38]. La flèche pleine ou discontinue montre, respectivement, des vaisseaux radiaux ou désorganisés. F. Chez l’humain, les anomalies de l’angiogenèse placentaire, suite à une exposition in utero à l’alcool, sont corrélées à des anomalies de l’angiogenèse cérébrale [38]. G. Chez la souris, la répression de l’expression placentaire de PlGF par des ARN interférents mime les effets de l’alcool sur l’angiogenèse cérébrale alors que sa surexpression corrige les effets de l’alcool sur les anomalies de la vascularisation [38]. CD31 : PECAM1 (platelet endothelial cell adhesion molecule).

Figure 2 Profils d’expression transcriptomique et protéomique chez l’humain du gène pgf (placental growth factor) et de la protéine PlGF. A. Illustration du profil d’expression transcriptomique du gène pgf après analyse de la base de données BrainSpan, Atlas of the Developing Human Brain dans le cerveau fœtal. Le profil visualisé s’étend de la 10e à la 39e semaine gestationnelle (SG), toutes structures cérébrales confondues. Les gènes codant le VEGFA (vascular endothelial growth factor A) et le VEGFB sont indiqués à titre de comparaison (images issues de http://www.brainspan.org/). B. Expression comparée de la protéine PlGF dans différents organes après interrogation de la base de données GeneCards, Human Gene Database. La protéine PlGF est massivement exprimée par le placenta (https://www.genecards.org/).

Figure 2 Profils d’expression transcriptomique et protéomique chez l’humain du gène pgf (placental growth factor) et de la protéine PlGF. A. Illustration du profil d’expression transcriptomique du gène pgf après analyse de la base de données BrainSpan, Atlas of the Developing Human Brain dans le cerveau fœtal. Le profil visualisé s’étend de la 10e à la 39e semaine gestationnelle (SG), toutes structures cérébrales confondues. Les gènes codant le VEGFA (vascular endothelial growth factor A) et le VEGFB sont indiqués à titre de comparaison (images issues de http://www.brainspan.org/). B. Expression comparée de la protéine PlGF dans différents organes après interrogation de la base de données GeneCards, Human Gene Database. La protéine PlGF est massivement exprimée par le placenta (https://www.genecards.org/).

Chez l’individu adulte, plusieurs études ont établi des liens entre l’exposition à l’alcool et des anomalies de l’angiogenèse. Chez l’humain, l’alcoolisme perturbe le processus de cicatrisation en altérant les réponses angiogéniques et inflammatoires [20] et chez le primate non humain, la consommation d’éthanol réduit la capacité des précurseurs endothéliaux à générer de nouveaux capillaires [21]. Chez le rongeur, des études menées in vivo et in vitro ont révélé que l’éthanol s’opposait aux effets pro-angiogéniques du VEGF_A et perturbait, notamment, l’expression de VEGFR2/Flk-1 [22–24].

Il est connu de longue date que la consommation d’alcool au cours de la grossesse altère le développement et le fonctionnement placentaires [25, 26] : il a été en effet mis en évidence une diminution du poids du placenta [27], une perturbation des sécrétions hormonales [28] ainsi qu’un puissant effet vasocontricteur [29] en conditions d’alcoolisation. Toutefois, alors que plusieurs de ces processus sont à l’origine d’une atteinte vasculaire, ce n’est que récemment que l’impact de l’alcool sur l’angiogenèse du placenta humain a été précisé d’un point de vue moléculaire et cellulaire [30]. L’étude comparée de 42 placentas exposés à l’alcool versus 41 placentas témoins, sur une période allant de 21 à 42 semaines gestationnelles, indique en effet que la 30^e semaine de gestation constitue une période charnière. Alors qu’avant cet âge gestationnel, l’alcool ne modifie ni la densité des villosités ni la morphologie vasculaire, à partir de la 30^e semaine et jusqu’à terme, les placentas exposés à l’alcool présentent une réduction importante de la surface luminale vasculaire qui s’amplifie avec l’âge gestationnel (Figure 1C) [30]. Cette anomalie développementale est associée à une diminution de l’expression de protéines impliquées dans les jonctions serrées, telles que ZO-1 (zonula occludens-1), et de celle de membres de la famille du VEGF, que sont le PlGF et le VEGF_A. Ces données obtenues chez l’humain chez lequel l’alcoolisation est majoritairement associée à une poly-intoxication (tabac, cannabis, etc.), ont été confirmées chez le rongeur en utilisant différents modèles de monointoxication à l’éthanol et différentes approches, qu’elles soient de nature transcriptomique [31], protéomique [32], histologique [33] ou mécanistique [30, 34], renforçant ainsi l’hypothèse d’un lien direct entre alcoolisation in utero, dysfonction placentaire et troubles de l’angiogenèse.

Au cours du développement, le système nerveux central acquiert sa vascularisation par angiogenèse, un processus physiologique défini comme la formation de nouveaux vaisseaux sanguins à partir de vaisseaux préexistants [35]. Les mécanismes moléculaires de l’angiogenèse sont complexes. Ils mettent en jeu plusieurs familles de protéines, comme les systèmes VEGF/VEGFR, DLL (delta-like ligand)/Notch, FGF (fibroblast growth factor)/FGFR, angiopoïétines/Tie ou encore PDGF (platelet-derived growth factor)/PDGFR [36]. Ils impliquent également des protéases de la matrice extracellulaire, telles que les MMP (métalloprotéases matricielles) [37] ou encore des protéines d’adhérence, comme les sélectines ou les intégrines [38]. Toutefois, bien que de très nombreuses études se soient intéressées aux effets de l’alcoolisation in utero sur les processus de neurogenèse, de gliogenèse, de différenciation ou de survie cellulaire [39], ce n’est que récemment que certaines équipes ont exploré la contribution possible d’une composante endothéliale dans les atteintes cérébrales décrites chez les enfants exposés in utero à l’alcool [30, 40, 41]. Ainsi, en 2012, une première étude révélait chez l’humain et la souris qu’une exposition prénatale à l’alcool induisait, au niveau cérébral, une désorganisation importante des microvaisseaux corticaux, se traduisant, en particulier, par la perte de leur orientation radiale (Figure 1D, E) [40]. Cette anomalie de l’angiogenèse cérébrale était associée à une diminution importante de l’expression du récepteur Flt-1. La dérégulation de l’expression placentaire du PlGF, d’une part, et les anomalies corticales de l’angiogenèse cérébrale et du Flt-1 observées dans le cerveau fœtal, d’autre part, laissaient ainsi suspecter l’existence d’un axe fonctionnel « placenta-cerveau » impliqué dans le contrôle de l’angiogenèse cérébrale et pouvant être dérégulé chez les enfants exposés in utero à l’alcool.

Bien qu’il soit évident qu’une dysfonction placentaire puisse retentir sur le développement fœtal compte tenu du rôle d’échange que joue cet organe, la démonstration d’une contribution placentaire dans le développement cérébral de l’enfant à naître était moins bien établie. Dans un contexte d’alcoolisation fœtale, la méthylation de l’ADN et les conséquences sur l’expression génique placentaire peuvent se traduire par des atteintes du développement neurologique, comportemental et/ou staturo-pondéral de l’enfant [42, 43]. Les travaux du groupe de Weinberg ont, de plus, montré l’existence, au cours d’une exposition in utero à l’alcool, d’une altération des taux de glucocorticoïdes placentaires, altération corrélée aux taux de glucocorticoïdes mesurés au niveau cérébral [44]. Concernant l’angiogenèse, les anomalies vasculaires observées à la suite d’une alcoolisation in utero aux niveaux du placenta et du cortex cérébral, pourraient être le fruit de processus concomitants mais indépendants. Toutefois, les constatations que 1) chez la souris, du PlGF circulant est retrouvé dans le sang céphalique fœtal [30], 2) chez l’humain, des taux réduits de PlGF circulant dans le sang de cordon sont associés à des petits poids de naissance [45], et que 3) le placenta est une source majeure de PlGF au cours de la grossesse [46], ont renforcé l’hypothèse d’une contribution placentaire dans le contrôle de l’angiogenèse cérébrale fœtale. Le premier argument en faveur d’un axe placenta/cerveau impliqué dans le contrôle de l’angiogenèse a été apportée chez l’humain par la démonstration d’une corrélation marquée entre les anomalies vasculaires placentaires et la désorganisation des microvaisseaux corticaux de fœtus exposés in utero à l’alcool (Figure 1F) [30]. En d’autres termes, plus la vascularisation placentaire est affectée par l’alcoolisation, plus la désorganisation des vaisseaux corticaux est importante. Chez le rongeur, l’existence d’un axe fonctionnel a été démontrée par des approches moléculaires et mécanistiques ciblant le PlGF placentaire [30]. Ainsi, la répression de l’expression placentaire du PlGF par une stratégie d’ARN interférents couplée à l’électroporation placentaire in utero, entraîne une désorganisation importante des vaisseaux intra-corticaux fœtaux (Figure 1G). Il apparaît donc qu’une dysfonction placentaire, ciblant spécifiquement le PlGF, est capable de mimer les anomalies corticales de l’angiogenèse cérébrale qui sont induites par une alcoolisation in utero. Réciproquement, des expériences dites de rescue ont mis en évidence que la surexpression au niveau placentaire du gène pgf (placental growth factor) par une stratégie Crispr/Cas9 SAM (synergic activation mediator), corrige au moins en partie les anomalies de l’angiogenèse corticale induites par l’alcool [30]. Enfin, en accord avec ces résultats, les travaux collaboratifs des groupes de Barbara Croy, au Canada, et de Peter Carmeliet, en Belgique, indiquent que l’invalidation non conditionnelle du gène pgf se traduit par une désorganisation des microvaisseaux corticaux [47] et de la rétine [48].

L’éthanol traverse aisément les barrières placentaire et cérébrale et, de fait, au cours de la grossesse, l’éthanol peut rapidement atteindre le cerveau du fœtus [49]. Il peut ainsi interagir directement avec de nombreux types cellulaires, voies de signalisation et autres récepteurs, tels que les récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate) du glutamate [50], ou du GABA (gamma-aminobutyric acid) [51]. Ces propriétés pharmacocinétiques de l’éthanol ont fortement contribué à ce que la très grande majorité des études portant sur la toxicité de l’alcool au niveau cérébral se soient focalisées sur les cellules nerveuses [39]. Toutefois, la caractérisation chez l’humain d’effets de l’alcool sur l’angiogenèse cérébrale [40] et la mise en évidence d’une dysfonction placenta/cerveau impliquée dans les troubles de l’angiogenèse cérébrale [30], a ouvert de nouvelles perspectives en terme de diagnostic et de prise en charge précoce des enfants TCAF. Plusieurs études récentes démontrent que certaines populations de cellules nerveuses, telles que les oligodendrocytes [52] et les interneurones GABAergiques corticaux [53], utilisent les microvaisseaux cérébraux comme guides pendant leur phase de migration. Il est donc plausible que le positionnement correct de ces populations de cellules nerveuses requiert au préalable un positionnement correct des microvaisseaux. Face à la limite diagnostique des biomarqueurs dits d’exposition à l’alcool, plusieurs groupes de recherche ont donc mis en place de nouvelles stratégies de recherche ciblant l’identification de biomarqueurs dits d’effet de l’alcool [9, 28, 30]. Cette nouvelle génération de biomarqueurs ne cible plus l’alcoolisation maternelle mais l’atteinte neurodéveloppementale, facteur de risque majeur de troubles du comportement chez l’enfant.

Le PlGF placentaire se positionne comme un premier membre possible de cette nouvelle génération de biomarqueurs, même s’il reste encore à caractériser les conséquences à long terme des anomalies de l’angiogenèse cérébrale sur les troubles du comportement associés à l’alcoolisation in utero.

Des avancées récentes ont été réalisées sur la caractérisation d’un axe fonctionnel placenta/cerveau impliqué dans le contrôle de l’angiogenèse cérébrale du fœtus. L’alcoolisation in utero induit un dysfonctionnement de cet axe et, en particulier, une diminution de l’expression de facteurs angiogéniques placentaires, tels que le PlGF. Cet effet placentaire de l’alcool est impliqué dans le développement d’anomalies vasculaires cérébrales de l’enfant à naître. Une angiogenèse normale étant un pré-requis à l’établissement d’une neurogenèse correcte, ces avancées ouvrent la voie à l’identification d’une nouvelle génération de biomarqueurs placentaires d’atteinte cérébrale, notamment pour le diagnostic précoce des troubles du neurodéveloppement/comportement causés par l’alcoolisation fœtale. Il est important de souligner que des dysfonctions placentaires peuvent être observées dans d’autres contextes au cours de la grossesse et que les poly-intoxications sont plus souvent la règle que l’exception. Il apparaît donc nécessaire de déterminer la spécificité de cette nouvelle génération de biomarqueurs d’alcoolisation afin d’évaluer si elle pourrait être transposable à d’autres facteurs de risque de troubles du neurodéveloppement, tels que la pré-éclampsie ou encore la prématurité où, de facto, l’influence placentaire est perdue.

Deux études aujourd’hui publiées [30, 40] ont donné lieu à des brevets (brevet université-CHU-inserm FR1555727/pct2016 ; brevet université-CHU-inserm fr1661813/pct2017) dont plusieurs auteurs sont co-inventeurs (AL, BJG, ML, PM, SB, SJ, SM).

Ce travail a reçu le soutien de l’ANR AlcoBrain, de la Fondation pour la Recherche en Alcoologie, de la Fondation de France, de la Fondation Paralysie Cérébrale, de Normandie Valorisation, du Conseil Régional de Normandie, du Ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, du programme européen FEDER. AlcoBrain est labélisé par le pôle de compétitivité Medicen-Paris Région.