Détection par MEMRI* de modifications du transport axonal liées à la maladie d Alzheimer

Transcription

1 Détection par MEMRI* de modifications du transport axonal liées à la maladie d Alzheimer A. Bertrand 1,2, U. Khan 2, D. M. Hoang 2, D. Novikov 2, P. Krishnamurthy 1, B.W. Little 2, H. B. Rajamohamedsait 1, E.M. Sigurdsson 1,3 and Y. Z. Wadghiri 2 Departments of 1 Physiology and Neuroscience, 2 Radiology and 3 Psychiatry, NYULMC * Manganese-Enhanced Magnetic Resonance Imaging

2 Ce poster vous présente les résultats d un travail de recherche réalisé dans le cadre d une thèse de sciences à l université de New York (NYU Langone) Notre objectif était de mettre en évidence des perturbations du transport axonal chez un modèle animal de la maladie d Alzheimer

3 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

4 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

5 La maladie d Alzheimer C est une maladie neurodégénérative incurable qui représente la première cause de démence du sujet âgé. Deux lésions histologiques caractéristiques: les plaques amyloïdes dépôts extracellulaires de protéine Aß, issue du clivage de la protéine APP les dégénérescences neurofibrillaires dépôts intraneuronaux de protéine tau phosphorylée (=tauopathie)

6 Maladie d Alzheimer et transport axonal On ne sait pas précisément comment les lésions de la maladie d Alzheimer sont à l origine des symptômes des patients. L une des hypothèses explicatives est que le L une des hypothèses explicatives est que le transport axonal est perturbé au cours de la maladie d Alzheimer Querfurth N Engl J Med 2010

7 Qu est-ce que le transport axonal? C est la capacité d un neurone à transporter des composants cytoplasmiques (vésicules, organelles, protéines) le long des axones In Nobutaka Physiol Rev 2008 Il s effectue grâce à un système de rails : les microtubules Il est essentiel à l activité synaptique Les protéines sont synthétisées dans le corps cellulaire Les synapses sont situées à l extrémité des axones La distance à parcourir peut atteindre plusieurs mètres!

8 Comment étudier in vivo le transport axonal? Par vidéomicroscopie Technique de référence Visualisation directe des mouvements des organelles le long des microtubules Limites : champ de vue très petit dendrites difficiles à examiner invasif QuickTime et un décompresseur sont requis pour visionner cette image. Sinadinos Neurobiol Dis 2009 Par IRM injectée au manganèse (MEMRI) Utilisation récente (2007) Estimation indirecte du transport de manganèse dans les axones Intérêts : large champ de vue 3D étude de tous les compartiments neuronaux (axones et dendrites) non invasif Pautler Magn Res Med 1998 Smith Neuroimage 2007

9 Le MEMRI, comment ça marche? Grâce à la combinaison de 2 propriétés physiques du manganèse : 1/ c est un analogue calcique qui progresse le long des neurones par transport actif Entre dans le neurone via les canaux calciques Chemine le long des microtubules dans les mitochondries et les vésicules de transport Traverse la synapse et gagne le neurone suivant

10 Le MEMRI, comment ça marche? Grâce à la combinaison de 2 propriétés physiques du manganèse : 2/ c est un ion paramagnétique qui apparaît hyperintense sur une séquence pondérée en T1 Séquence T1 avant instillation de manganèse (cerveau de souris, vue sagittale) Même séquence T1, 24h après instillation nasale de manganèse Epithélium olfactif Bulbe olfactif Tractus olfactif latéral Cortex piriforme Les zones hyperintenses (flèches rouges) signent la présence de manganèse dans les neurones du système ofactif

11 Le MEMRI, comment ça marche? Grâce à la combinaison de 2 propriétés physiques du manganèse : 2/ c est un ion paramagnétique qui apparaît hyperintense sur une séquence pondérée en T1 Séquence T1 avant instillation de manganèse (cerveau de souris, vue sagittale) Même séquence T1, 24h après instillation nasale de manganèse Epithélium olfactif Bulbe olfactif Tractus olfactif latéral Cortex piriforme Si l on répète l acquisition, on peut suivre l augmentation du signal dans le temps, qui reflète l arrivée de manganèse par transport neuronal Smith Neuroimage 2007

12 Le MEMRI permet donc de tester in vivo, sur des modèles animaux de la maladie d Alzheimer, l hypothèse d une perturbation du transport neuronal Une étude a ainsi montré une baisse du transport neuronal chez une lignée de souris transgéniques formant des plaques amyloïdes Smith Neuroimage 2007 Notre projet était d étudier le transport neuronal chez une lignée de souris transgéniques formant des dégénérescences neurofibrillaires (tauopathie) En savoir plus sur les modèles animaux de la maladie d Alzheimer?

13 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

14 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

15 Matériel et méthodes (1) Souris transgéniques exprimant une forme mutée de la protéine tau humaine Lewis Nature Genetics 2000 Tauopathie détectable dans les neurones à partir de 6 mois de vie Groupe d étude : 36 souris 19 souris transgéniques (Tg) 17 souris contrôles «wild-type» (WT) Sous-groupe «suivi» : deux à trois évaluations successives Sous-groupe sans suivi : une seule évaluation 3 mois 6 mois 9 mois 8 WT 9 Tg 4 WT 4Tg 8 WT 9 Tg 3 WT 4 Tg 5 WT 6 Tg En savoir plus sur ce modèle animal?

16 Matériel et méthodes (2) Instillation nasale unilatérale 1.5 microl de MnCl 2 en solution (2.5M) Instillation coté gauche 9 acquisitions IRM (1 pré- et 8 post instillation) H0 H1 H8 H4 H12 H24 H36 H48 D7 Aimant 7T, séquence 3D SPGR T1 (15 min) TR/TE=15/4 ms, résolution : (150µm) 3 Cerveau de souris en vue axiale 2 régions d intérêt dans le bulbe olfactif Couche glomérulaire Couche des cellules mitrales

17 Matériel et méthodes (3) Dans chaque région d intérêt, le signal (normalisé) est mesuré au cours du temps Evolution du signal en fonction du temps H1 H4 H8 H0 Le profil de courbe obtenu reflète les variations de la concentration locale en manganèse Cross Neuroimage 2008

18 Matériel et méthodes (4) Une modélisation par une équation de diffusion-advection permet d extrapoler le profil de courbe complet, puis de calculer les 3 paramètres suivants, caractérisant le transport axonal de Manganèse : Evolution du signal en fonction du temps Pic (Smax) Pente maximale (Vmax) Cross Neuroimage 2008 Temps de passage du pic (Tmax)

19 Matériel et méthodes (5) Les animaux sont sacrifiés après les acquisitions MEMRI Le degré de tauopathie dans le cerveau des animaux est quantifié par immunohistochimie, en utilisant deux anticorps différents: MC1 : marqueur de conformation anormale PHF1 : marqueur de phosphorylation Des colorations complémentaires sont réalisées : GFAP : marqueur des cellules gliales Crésyl Violet : coloration cellulaire non spécifique pour comptage neuronal

20 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au Manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

21 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au Manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

22 Résultats (1) : profils de courbe Couche glomérulaire du bulbe olfactif WT 6 mois (n=8) Tg 6 mois (n=9) A 6 mois (mêmes souris), les courbes des Tg sont inférieures à celles des WT Couche des cellules mitrales du bulbe olfactif WT 6 mois (n=8) Tg 6 mois (n=9) Tg : transgénique WT : wild-type

23 Résultats (2) : paramètres Smax Vmax L analyse des paramètres des courbes montre des modifications statistiquement significatives chez les souris Tg à 6 mois : Tmax Les graphiques ci-dessus correspondent aux mesures dans la couche glomérulaire. Des résultats similaires sont obtenus dans la couche des cellules mitrales.

24 Résultats (3) : corrélation MEMRI-histologie Parmi les paramètres des courbes, la valeur du pic (Smax) présente une corrélation statistiquement significative avec le degré de tauopathie dans les corps cellulaires des neurones A. La valeur de Smax est corrélée au degré de tauopathie somatique (anticorps PHF1) B. La valeur de Smax est corrélée au degré de tauopathie somatique (anticorps MC1)

25 Résultats (4) : corrélation MEMRI-histologie Cette corrélation est encore plus marquée si l on considère le degré de tauopathie dans les prolongements dendritiques des neurones (et non dans les corps cellulaires) A. La valeur de Smax est corrélée au degré de tauopathie dendritique (anticorps PHF1) B. La valeur de Smax est corrélée au degré de tauopathie dendritique (anticorps MC1)

26 Résultats (5) Il n a pas été noté de gliose ni de perte neuronale chez les souris transgéniques A. Le nombre de cellules gliales est stable B. Le nombre de neurones est stable

27 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

28 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

29 Discussion (1) Notre étude montre que l expression de protéine tau pathologique altère le transport axonal in vivo Ce phénomène avait pu être démontré in vitro (modèles cellulaires) mais jamais in vivo (modèles animaux) LaPointe J Neurosci Res 2009 Ce résultat renforce l hypothèse selon laquelle l altération du transport axonal est un mécanisme clé de la maladie d Alzheimer Querfurth N Engl J Med 2010

30 Discussion (2) La valeur du pic (Smax) est un paramètre fortement corrélé au degré de tauopathie dans les neurones, et en particulier dans les prolongements dendritiques Smax Ce paramètre est donc un biomarqueur de la tauopathie Il peut, par exemple, être utilisé lors des essais thérapeutiques chez l animal, pour évaluer l effet d un traitement sur le transport axonal

31 Discussion (3) Il a été montré que le signal MEMRI est dépendant du transport axonal Smith Neuroimage 2007 D autres phénomènes, non liés au transport axonal, auraient pu également modifier le signal MEMRI, mais nous avons montré qu ils étaient absents dans notre groupe d étude : Pas de prolifération gliale Pas de perte neuronale

32 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions

33 Introduction : tout ce que vous vouliez savoir sur la maladie d Alzheimer, le transport axonal et l IRM injectée au manganèse (MEMRI) Notre étude Matériel et méthodes Résultats Discussion Conclusions Ici, je laisserai la parole à mon externe

34 Whaou, c est chouette cette technique MEMRI! Quand est-ce qu on l utilisera chez l homme pour étudier le transport axonal? Malheureusement, ce n est pas si simple, en raison de la toxicité neurologique du manganèse (considérée comme négligeable chez l animal, mais le risque est difficilement justifiable chez l homme). On pourrait utiliser une forme chélatée, beaucoup moins toxique (MnDPDP ou Teslascan ), dont le principe est de libérer lentement du manganèse libre. Mais cela pose deux problèmes: la difficulté à détecter de très faibles doses de manganèse, et le fait qu on ne puisse plus faire d analyse de type «bolus»,comme nous l avons fait ici. C est donc une méthode dont les applications sont avant tout pré-cliniques (chez l animal), du moins dans l immédiat.

35 Ah bon? Alors c est quoi, l intérêt d une technique IRM qu on ne peut réaliser que chez l animal? C est très important pour deux raisons : - La première, c est de comprendre les mécanismes de la maladie d Alzheimer. Le MEMRI, c est à ce jour la seule technique qui permet d étudier le transport neuronal in vivo à l échelle de tout un faisceau de fibres. C est donc le seul moyen de valider in vivo ce qui a été montré à l échelle cellulaire. Et ça, c est très important, parce que in vivo, il peut exister beaucoup de mécanismes compensateurs qui contredisent les résultats des études cellulaires. - La deuxième, c est de bien sélectionner les traitements candidats lors des études pré-cliniques. A ce jour, il y a tout un tas de traitements contre la maladie d Alzheimer qui marchent chez la souris (ils diminuent le nombre de plaques amyloïdes), mais qui n ont pas d effets sur les symptômes cliniques des patients. Il faut donc qu on sélectionne mieux les traitements candidats, par exemple en montrant qu un traitement restaure un transport neuronal normal chez la souris.

36 Est-ce que tu penses que, si l on restaure un transport neuronal normal, on aura guéri la maladie d Alzheimer? La maladie d Alzheimer, dans sa forme sporadique qui est de loin la plus fréquente, semble multifactorielle. Outre l atteinte du transport axonal, il y a beaucoup d autres pistes pour expliquer les mécanismes de la maladie : la dysfonction synaptique, la dysfonction mitochondriale, l insulino-résistance, l atteinte vasculaire Il y a beaucoup de travail pour les chercheurs! Tiens, si tu veux en savoir plus, tu peux lire cette excellente revue :

37 OK, je lirai ça plus tard Euh, c est pas l heure d aller boire un café, là? Oui, c est toujours l heure de boire un café! Et si tu as d autres questions : anne.bertrand01@gmail.com Ou sur twitter Ce poster est (presque) terminé. Merci de votre intérêt pour la recherche en imagerie!

38 Remerciements Wadghiri Lab Youssef Z Wadghiri Umer Khan Dunc M Hoang Amr Morsi Asad Baig Ben W Little Lindsay K Hill Sigurdsson Lab Einar M Sigurdsson Pavan Krishnamurthy Hameetha Banu Allal Boutajangout Turnbull Lab Daniel H Turnbull Kamila Szulc Ben Bartelle Cesar Berrios-Otero Makis Parasoglu Helpern Lab Dmitry Novikov Giselle Suero-Abreu Orlando Aristizabal Joe Rodriguez Anne Friedland Marc Dhenain MIRCen, URA 2210 Financement - Société Française de Radiologie - Société Française de Neuroradiologie - Ministère des Affaires Etrangères (bourse EGIDE) - Fondation Philippe - NIH AG AG The Alzheimer's Association - The American Heatlh Assistance Foundation A

39 Modèles animaux de la maladie d Alzheimer (1) L identification chez l homme de mutations des gènes des protéines APP et tau a permis de créer deux grands types de souris transgéniques : Modèles «Aß» Modèles «tau» Possèdent une mutation du gène de la protéine APP, à l origine de formes familiales de maladie d Alzheimer chez l homme Plaques amyloides Pas de dégénérescence neurofibrillaire Possèdent une mutation du gène de la protéine tau, à l origine de formes familiales de démence fronto-temporale chez l homme Dégénérescences neurofibrillaires (=tauopathie) Pas de plaque amyloide

40 Modèles animaux de la maladie d Alzheimer (2) Les souris transgéniques sont donc des modèles imparfaits de la maladie - ne reproduisent qu une seule des deux lésions de la maladie - espèce très éloignée de l homme : les symptômes cliniques ne sont pas comparables aux symptômes de la maladie d Alzheimer mais ce sont aussi des modèles de référence : - largement utilisés dans la littérature - permettent d étudier séparément les effets de la protéine Aß et de la protéine tau sur le système nerveux central Retour au poster