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Méthodes d’exploration des maladies neurodégénératives
aspect fondamental et concepts techniques
Capacités de Gérontologie FranciliennesModule Physiologie et Biologie du Vieillissement
18 janvier 2011
KINUGAWA-BOURRON Kiyoka
Service des Explorations FonctionnellesInstitut de la LongévitéHôpital Charles Foix
Ivry-sur-Seine
Plan
1. Pourquoi développer des méthodes d’explorations?
2. Explorations cellulaire et moléculaire
3. Exploration neurophysiologique
4. Exploration morphologique et fonctionnelle par l’imagerie
POURQUOI DÉVELOPPER LES MÉTHODES D’EXPLORATIONS
Les différentes maladies neurodégénératives
– Maladie d’Alzheimer – Parkinson et autres démences avec corps de
Lewy– PSP, dégénérescence cortico-basale et autres
tauopathies– Démences lobaires fronto-temporales… et SLA– Répétition trinucléotides: Huntington, SCA,
Friedreich, DRPLA
Maladies neurodégénératives: processus dynamique
• Lésions cellulaires progressives• Modification dynamique du processus
neurodégénératif par des cellules non neuronales: astrocytes, microglies, microvaisseaux…
• Évolution progressive et longue sur plusieurs mois/années
CONTINUUM?Asymptomatique présymptomatique Maladie
Tb cognitif
mémoire comportement
Alzheimer DFTc
langage
APPDS
Sd extrapyramidal
Parkinson
« Parkinson + »-DCB-PSP-MSA-DCL
À partir de la clinique, diagnostic en théorie….
Tb visuo-constructif
ACP
À partir de la clinique, diagnostic en pratique….
mémoire
AlzheimercomportementDFTlangage
APP, DS
Tb cognitif Sd extrapyramidal
DCLDémence park
Parkinson
Sd park +DCBPSPMSAFTDP
Sd park +
ACPVisuo-constructif
Diagnostic « probable » des maladies neurodégénératives
Signes cliniques Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
SensibilitéClinique vs neuropath
SpécificitéClinique vs neuropath
Maladie d’Alzheimer 90-95% 50-60%(comorbidités)
Diagnostic définitif des maladies neurodégénératives en post mortem…
Signes cliniques Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
Diagnostic définitif neuropathologique
Intérêt des biomarqueurs
antemortempostmortem
Pourquoi développer des méthodes d’explorations?
Meilleure Connaissance de la physiopathologie
absence de ttt curatif
Développer ttt futur:-Neuroprotection-Curatif
Améliorer le diagnostic:- Marqueurs cliniques-marqueurs biologiques-Marqueurs imagerie
Maladies neurodégénératives
complexes, hétérogènes:
diagnostic difficile
-Mauvaise corrélation clinique-neuropathologie -Mauvaise corrélation clinique-génétique
Méthodes d’explorations
Plusieurs approches…
Dépôts AbetaDNF (tau)
• Cellulaire/moléculaire
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique• Fonctionnelle/métabolique
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique• Fonctionnelle/métabolique• Morphologique
AU NIVEAU MOLÉCULAIRE/CELLULAIRE
Maladies neurodégénératives
« protéinopathie »Accumulation protéique
de protéine mal conforméeDépôts, inclusions
Maladies neurodégénératives = protéinopathies?Devant une démence en neuropathologie….
Alzheimer
FTDP-17(MAPT)
Maladie à corps de Pick
PSPDCB
Tauopathie
α-synucléinopathie-DCL
-Park+démence
« Sans signe histologique distinctif »
DLDH
FUS+-NIFID
-Corps basophiles-DLFT+SLA
TDP43+-DLFT+SLA spo/fam-DLFT sporadique-DLFT avec PGRN
-IBMPFD (Paget, myopathie)
DLFT-UUbiquitine +
Grains argyrophiles
EXEMPLE MALADIE D’ALZHEIMER:DE LA NEUROPATHOLOGIE AUX BIOMARQUEURS
NeuropathologieAlzheimer
Peptide Aβ
Accumulation extra-¢
plaques séniles Aβ fibrillaires(avec microglies activées)
dépôts diffus oligomères Aβ solubles
Tau
accumulation intra-neuronale de tau hyperphosphorylée
Tau-PHF = Dégénérescence neurofibrillaire
DNF accumulation tau dans les
dendrites = « neuropil threads » ou fibres
tortueuses
DNF: 6 stades de Braak (Braak, Neurobio Aging 95)
I et II: pas de tb cognitif
III et IV: tb cognitif,Pas d’atrophie cérébrale
V et VI: démence AlzheimerCorrélatio
n clinique
Dépôt Abeta: stades de Thal
1) néocortex
2) Cortex entorhinalCA1,insula+/- amygdale, gyrus cingulaire
3) Nx caudé, putamen, claustrum, nx basal, Thalamus, hypothalamus,Subst blanche
4) Nx olivaire inf, Formation réticulée,Substance noire, CA4, colliculus sup et infNx rouge
5) cervelet,Nx pontin,Locus coeruleusNx réticulotegmentalNx dorso-tegmentalNx raphé
(Thal, Neurology 02)
Pas de corrélation clinique avec AbetaPourquoi recherche prédominante sur Aβ?
APP
C-ter
N-ter
CTF beta
C99
Abeta oligomeres
sAPP beta
Gamma secretase(PS1, PS2,
Pen2, nicastrin,
APH1)
AICD β
Beta-sécrétase:Voie amyloïdogénique
Beta secretase
(BACE1)
Abeta
AbetaMonomères
39-43 aaAβ 42 et Aβ 40
Réticulum endoplasmiqueAppareil de GolgiVésicules sécrétoiresMembrane plasmiqueEndosomes
Mutations APP, PS dans MA familiale
• Mutations APP et PS dans MA familiale
• La protéine tau est retrouvée dans d’autres maladies neurodégénératives…
(DFT, PSP, DCB….)
• Souris triple Tg APP/PS1/tau: d’abord Aβ puis tau
D’où hypothèse de « cascade amyloïde »
Altération kinases, phosphatases: DNF
Effets délétères de Aβ sur les synapses
Dépôts diffus d’oligomères Aβ et plaques
Activation microgliale et astrocytaireInflammation, stress oxydatif
Dysfonction neuronale, Trouble de la transmission
démence
Mutations génétiques APP/Préséniline
Production continue Aβ
Accumulation Aβoligomérisation
Maladie d’Alzheimer familiale
Facteurs génétiques ApoEε4, environnementaux, FDRCV, âge
Défaut de clairance d’ Aβ
Maladie d’Alzheimer sporadique
Modifié D’après Blennow, Lancet 2006Herrup, J neurosci 2010
Production
Aβclairance
Production
Aβclairance
Hypothèse du vieillissement dans la MA
Herrup, J neurosci 2010
Mais modèle parallèle…
AccumulationAβ
Tau hyperPDNF
Perte synaptiquePerte neuronale
Tb cognitif
Biomarqueurs Alzheimer
• Dans le LCR: Dosage Aβ42, tau total et tau-P• Par méthode ELISA
Depôts amyloïdes néocorticauxAβ42
Degenerescence neurofibrillaire néocorticaleTau
+
Test ELISAEnzyme Linked ImmunoSorbent Assay
Ce que signifie ces dosages…
Aβ
Aβ
Aβ
DNFMort neurone
Aβ42
Tau hyperP
Tau total
LCRParenchyme cérébral
Etudes sur biomarqueurs LCR dans MA
Lancet Neuro 08, Sonnen
Mais ponction lombaire pour obtenir le LCR…
Biomarqueurs sanguins?
• Corrélation inverse entre Aβ LCR et PET 11C PiB , mais pas de corrélation entre sang et PET 11C PiB …
(Ann Neuro 06, Fagan)
• 18 peptides parmi 120 candidats dans le plasma (AD vs control, et MCI évoluant vers AD)(Nat Med 07, Ray) , à valider…..
Biomarqueurs dans MA
• Biomarqueur LCR: approche quantitative indirecte des dépôts Aβ et Tau
• Approche + directe?: visualiser les protéines?
Visualiser Aβ par scintigraphie cérébrale:PET avec ligand 11C PiB
• 11C-labelled Pittsburgh compound B (2-[4Ľ-(methylamino- phenyl]-6-hydrobenzothiazole; 11C-PiB) se lie à Aβ
• Corrélation avec neuropathologie (Brain 08 Ikonomovic)
• Corrélation inverse avec volumétrie IRM, Aβ42 LCR
PET 11C PiB
Etudes sur PET 11C PiB dans MALancet Neuro 08, Sonnen
Mais isotope C : 20 minutes de durée de vie, d’où seulement structure de recherche avec cyclotron….D’autres traceurs en cours de recherche: -18F-AH110690 (Vandenberghe et al., 2008),-18F-BAY94-9172 (Rowe et al., 2008),-18F-AV-45 (Klunk, 2008; Nordberg, 2008; Rowe et al., 2008)Et traceur IRM…. À venir
EXEMPLE DE DLFT: DE LA GÉNÉTIQUE AU BIOMARQUEUR
DLFT• Maladie neurodégénérative AD, rare
• Mutations progranuline (2006) et MAPT (1996, tau): 30% des DFT familiales
• Progranuline: peptide sécrété, facteur neurotrophique
• Toutes les mutations GRN entrainent haploinsuffisance (allèle non muté produit une protéine normale mais en quantité insuffisante)
• D’où idée de dosage plasmatique de GRN
Biomarqueur dans la DLFT
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Sélection des patients avec indication à analyse génétique
MODÈLES ANIMAUXEXEMPLE DE LA MALADIE D’ALZHEIMER
Modèle idéal….
• Refléter l’ensembles des phénotypes d’une pathologie:
- Moléculaires (Abeta, tau)- Cellulaires (perte neuronale, réaction gliale) - Physiologiques (dysfonction synaptique)- Comportementaux (troubles cognitifs)
• Pour comprendre la physiopathologie, tester traitement…
Analogues purs de la MA
• Quelques caractéristiques de la MA retrouvés chez le chat, chien, ours, lémurien, certains primates (ex:babouin)
• Mais coût économique++, il faut attendre 10 à 30 ans avant la survenue de la maladie….
Animaux génétiquement modifiés
• Invalider le gène pour comprendre la fonction d’une protéine
• Mutations génétiques
• Combinaison des pathologies Abeta et tau
Invalidation d’un gène
• MAPT KO (tau): phénotype pauvre; variation sur diamètre axonal et différenciation neuronale. (Harada, Nature 94 / Tucker, Nature Neurosci 01)
• APP KO: tb maturation cérébrale, compensée par APLP1/2; double KO APP/APLP2 létal (Heber, J Neurosci 00)
• PS1 KO: tb squelettique et neurologique létal (Shen, Cell 97)
• PS1 KO conditionnel (neurone): diminution Abeta, LTP hippocampique corrigé
Mutations génétiques humaines
• Chez l’homme des mutations dans certaines formes héréditaires des démences:
- APP: Alzheimer- PS1 et PS2 : Alzheimer- MAPT (tau:DFLT)
Les modèles animauxAPP/Ld
Mais pas de perte neuronale ni DNF….
Seules les souris porteuses des 3 mutations: APPswe + la PS1(M146V) + tau (P301L) arborent les plaques amyloïdes , les dégénérescences fibrillaires et le déficit synaptique
Oddo et al., 2003, Neuron 39, 409-421
EXPLORATION ELECTROPHYSIOLOGIQUE
pourquoi l’électrophysiologie?
• Électrophysiologie: étude des phénomènes électrochimiques qui se produisent dans les cellules.
• Neurones= cellules excitables (capacité de dépolarisation quand leur potentiel de membrane dépolarisé au-delà d’une valeur seuil: potentiel d’action)
• Neurotransmission via les synapses• Très bonne résolution temporelle• EEG: méthode non invasive
• Et exemple Alzheimer: Toxicité synaptique de l’Aβ et perte synaptique précoce dans MA
Électrophysiologie/neurone
• Entité anatomique/télécommunication:
- dendrites=antennes réceptrices
- Corps cellulaire= source d’énergie
- Axones et terminaisons axonales = antennes émettrices
• Entité fonctionnelle:
- Capte l’information- Traduit l’info en
Potentiels d’Action- Conduit les PA,
transmission de l’info (exocytose des neurotransmetteurs)
Plusieurs niveaux d’étude électrophysiologique
Exemple de la LTP dans l’hippocampe
• Plasticité synaptique:C’est un processus de renforcement synaptique;Lorsque des neurones hippocampiques reçoivent plusieurs influx nerveux sur une courte période, ils renforcent la connexion synaptique qui a reçu ces influx (augmentation d'amplitude de la réponse post-synaptique). Cette augmentation de l'efficacité de cette synapse peut durer des heures, des jours, voire des semaines.
• On utilise l'expression potentialisation à long terme LTP pour décrire ces modifications moléculaires probablement à la base de bien des apprentissages à long terme.
glutamate
NMDA-R
AMPA-R
Mg2+
Na+
Epine dendritique
Transmission des informations au niveau synaptique
Transmission d’un PA unique
glutamate
NMDA-R
AMPA-R
Mg2+
Na+
Epine dendritique
Transmission des informations au niveau synaptique:
Stimulation à haute fréquence
LTP
Activation soutenue des AMPA-RDépolarisation dendriteRetrait du Mg2+ de NMDA-REntrée massive Ca2+
Augmentation amplitude réponse post synapse
Ca2+
Mémantine: agoniste non compétitif de NMDA-R
Aβ soluble ou plaques amyloïdes?
• Lesné, Nature 2006: Aβ*56= docécamère de Aβ1-42Souris Tg 2576 (APP)
Lesné, Neuroscience 2008: Souris Tg 2576 avec plaques et peu Aβ*56 présente une amélioration du tb mémoire
>14 moisTb mémoire
Plaques amyloïdes
<6 moisMémoire normale
Pas de perte neuronale
6-14 moisTb mémoire
Pas de perte neuronale
Aβ*56 soluble extracellulaireInjection Aβ*56 chez le rat sain
induit tb mémoire
Hypothèse du tb cognitif par oligomères Aβ solubles
Nat Med 06
Plusieurs niveaux d’étude électrophysiologique
Explorations cérébrales in vivo
EEG
• Recueil de l’activité bioélectrique cérébrale au moyen d’électrodes placés sur le scalp
• Activité bioélectrique cérébrale = différence de potentiel électrique entre 2 électrodes
• Résolution temporelle EEG>Imagerie fonctionnelle
Signal EEG= potentiel synaptique dendritique
• Signal EEG = champsélectriques correspondantau dipôle électrique générépar la dépolarisation dessynapses dendritiques descellules pyramidales corticales• Signal EEG = somme despotentiels synaptiquesdendritiques synchronisés(les cellules pyramidales sont
parallèles)
EEG standard: analyse visuelle
EEG standard: analyse visuelle
EEG: analyse quantitative
• EEG quantitatif : l'activité électrique du cerveau, le signal, est converti sous forme numérique et est analysée à l'aide d'outils mathématiques complexes et statistique par rapport à des normes ou des moyennes. Les résultats de ces analyses peuvent ensuite être présentées sous forme graphique, ce qui affiche la topographie de l'activité électrique du cerveau « cartographie ».
localisation des sources d’activités cérébrales
?
EEG Cartographie Localisation
Cartographie de potentiel
• Distribution topographique des potentiels – Localisation grossières– Variations des
distributions• Selection de l’instant
d’analyse• Projection : passage de
l’espace au plan• Intensité codée en couleur
-500.0 ms 499.02
-500-499-498-497-496-495-494-493-492-491-490-489-488-487-486-485-484-483-482-481-480-479-478-477-476-475-474-473-472-471-470-469-468-467-466-465-464-463-462-461-460-459-458-457-456-455-454-453-452-451-450-449-448-447-446-445-444-443-442-441-440-439-438-437-436-435-434-433-432-431-430-429-428-427-426-425-424-423-422-421-420-419-418-417-416-415-414-413-412-411-410-409-408-407-406-405-404-403-402-401-400-399-398-397-396-395-394-393-392-391-390-389-388-387-386-385-384-383-382-381-380-379-378-377-376-375-374-373-372-371-370-369-368-367-366-365-364-363-362-361-360-359-358-357-356-355-354-353-352-351-350-349-348-347-346-345-344-343-342-341-340-339-338-337-336-335-334-333-332-331-330-329-328-327-326-325-324-323-322-321-320-319-318-317-316-315-314-313-312-311-310-309-308-307-306-305-304-303-302-301 ms
EEG & Alzheimer
• Anomalies précoces: Baisse cohérence à travers différentes régions, Diminution cohérence alpha et beta bandes
• Anomalies tardives: Ralentissement rythmes, augmentation activités theta et deltas, diminution des activités alpha, et beta
• Corrélation avec sévérité maladie
Pics théta (4-7Hz)superposés à IRM
(ANYAS 07, Pricheps)
- Étude longitudinale de sujets âgés avec plainte mnésique isolée, suivi 5-7 ans
- Augmentation anomalies dans hippocampes, gyrus parahippocampique, amygdales, cortex pariéto-temporalChez les “Converters” vs “Decliners”.
IMAGERIE
Biomarqueurs d'imagerie dans les démences:
• volumétrie cérébral• imagerie de diffusion• Spectroscopie• tractographie• imagerie des plaques séniles en IRM à très haut champ
et les marqueurs des plaques séniles en TEP (PIB).
Atrophie temporale internemaladie d’Alzheimer
Atrophie fronto-temporale DFT
PSP et IRM (Verin M et al Rev Neurol 2005)
• atrophie mésencéphalique (perte convexité)
• Élargissement V4
absente modérée sévère
Spectro-IRM
• Mesure du métabolisme cérébral grâce aux concentrations des métabolites
• Principaux métabolites: - N-acetyl aspartate (NAA): marqueur neuronal- Choline (Cho): marqueur du turnover membranaire ,
du processus inflammatoire et de la densité cellulaire- Créatinine (Cr): constant et permet de quantifier les
métabolismes entre eux par le rapport- Mioinositol (Mi)
Spectro-IRM• Cho, Cr et Mi: prolifération gliale• NAA/Cr: réduction si destruction neuronale• Cho/Cr et Mi/Cr: augmentation si processus inflammatoire
Spectro-IRM et prédiction de la démence?
• MCI : diminution du NAA (stable chez la personne âgée)
• MCI évolutif (chao 2005) :- diminution du volume de l’hippocampe- diminution du NAA dans le LTM supérieure au MCI stable• Diminution du NAA corrélé à la performance mnésique• association entre le temps et le développement de la
démence dans les 4 ans (der Hatjer Neurology 2006)
• Physiopathologie :perte neuronale ou altération fonctionnelle transitoire
Analyse métabolique/fonctionnellePrincipes des scintigraphies
cérébrales• Traceurs radioactifs qui émettent des rayons
gammas captés par des caméras• SPECT (TEMP: tomographie par émission
monophotonique): 1 photon, moins précis spatialement
• PET (tomographie par émission de positron): paire de photon
Analyse métabolique/fonctionnelle
• La tomographie à émission de simples photons (TEMP) et la tomographie à émission positrons (TEP) sont utilisées dans les formes cliniquement atypiques.
• SPECT/TEMP: débit sanguin• PET: oxygénation/glucose
SPECT et maladie d’Alzheimer
SPECT et dégénérescence cortico-basale: hypoperfusion pariétale controlatérale
PET avec 18FDG
• SPECT avec traceur le transporteur de dopamine• L'étude du transporteur de la dopamine (DATscan®)
est utilisée pour distinguer la démence à corps de Lewy de la maladie d'Alzheimer (AMM).
control DCL Alzheimer
NC
putamen
DATscan®: Diagnostic différentiel DCL vs MA
conclusion
Ces différentes méthodes d’explorations ont pour objectifs:
• Le diagnostic précoce• Le diagnostic différentiel (spécificité des signes+++)• Le suivi évolutif/pronostic• Le suivi de l’efficacité des thérapies• La compréhension physiopathologique, pour
traitement futur
Service des explorations fonctionnellesInstitut de la Longévité
Hôpital Charles Foix
Pr Jean Mariani Dr Vi-Huong Nguyen-
Michel Sophie Schumm
Herrup, J neurosci 2010
Méthodes d’exploration des maladies neurodégénératives
aspect fondamental et concepts techniques
Capacités de Gérontologie FranciliennesModule Physiologie et Biologie du Vieillissement
18 janvier 2011
KINUGAWA-BOURRON Kiyoka
Service des Explorations FonctionnellesInstitut de la LongévitéHôpital Charles Foix
Ivry-sur-Seine
Plan
1. Pourquoi développer des méthodes d’explorations?
2. Explorations cellulaire et moléculaire
3. Exploration neurophysiologique
4. Exploration morphologique et fonctionnelle par l’imagerie
POURQUOI DÉVELOPPER LES MÉTHODES D’EXPLORATIONS
Les différentes maladies neurodégénératives
– Maladie d’Alzheimer – Parkinson et autres démences avec corps de
Lewy– PSP, dégénérescence cortico-basale et autres
tauopathies– Démences lobaires fronto-temporales… et SLA– Répétition trinucléotides: Huntington, SCA,
Friedreich, DRPLA
Maladies neurodégénératives: processus dynamique
• Lésions cellulaires progressives• Modification dynamique du processus
neurodégénératif par des cellules non neuronales: astrocytes, microglies, microvaisseaux…
• Évolution progressive et longue sur plusieurs mois/années
CONTINUUM?Asymptomatique présymptomatique Maladie
Tb cognitif
mémoire comportement
Alzheimer DFTc
langage
APPDS
Sd extrapyramidal
Parkinson
« Parkinson + »-DCB-PSP-MSA-DCL
À partir de la clinique, diagnostic en théorie….
Tb visuo-constructif
ACP
À partir de la clinique, diagnostic en pratique….
mémoire
AlzheimercomportementDFTlangage
APP, DS
Tb cognitif Sd extrapyramidal
DCLDémence park
Parkinson
Sd park +DCBPSPMSAFTDP
Sd park +
ACPVisuo-constructif
Diagnostic « probable » des maladies neurodégénératives
Signes cliniques Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
SensibilitéClinique vs neuropath
SpécificitéClinique vs neuropath
Maladie d’Alzheimer 90-95% 50-60%(comorbidités)
Diagnostic définitif des maladies neurodégénératives en post mortem…
Signes cliniques Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
Diagnostic définitif neuropathologique
Intérêt des biomarqueurs
antemortempostmortem
Pourquoi développer des méthodes d’explorations?
Meilleure Connaissance de la physiopathologie
absence de ttt curatif
Développer ttt futur:-Neuroprotection-Curatif
Améliorer le diagnostic:- Marqueurs cliniques-marqueurs biologiques-Marqueurs imagerie
Maladies neurodégénératives
complexes, hétérogènes:
diagnostic difficile
-Mauvaise corrélation clinique-neuropathologie -Mauvaise corrélation clinique-génétique
Méthodes d’explorations
Plusieurs approches…
Dépôts AbetaDNF (tau)
• Cellulaire/moléculaire
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique• Fonctionnelle/métabolique
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire• Neurophysiologique• Fonctionnelle/métabolique• Morphologique
AU NIVEAU MOLÉCULAIRE/CELLULAIRE
Maladies neurodégénératives
« protéinopathie »Accumulation protéique
de protéine mal conforméeDépôts, inclusions
Maladies neurodégénératives = protéinopathies?Devant une démence en neuropathologie….
Alzheimer
FTDP-17(MAPT)
Maladie à corps de Pick
PSPDCB
Tauopathie
α-synucléinopathie-DCL
-Park+démence
« Sans signe histologique distinctif »
DLDH
FUS+-NIFID
-Corps basophiles-DLFT+SLA
TDP43+-DLFT+SLA spo/fam-DLFT sporadique-DLFT avec PGRN
-IBMPFD (Paget, myopathie)
DLFT-UUbiquitine +
Grains argyrophiles
17
EXEMPLE MALADIE D’ALZHEIMER:DE LA NEUROPATHOLOGIE AUX BIOMARQUEURS
19
NeuropathologieAlzheimer
Peptide Aβ
Accumulation extra-¢
plaques séniles Aβ fibrillaires(avec microglies activées)
dépôts diffus oligomères Aβ solubles
Tau
accumulation intra-neuronale de tau hyperphosphorylée
Tau-PHF = Dégénérescence neurofibrillaire
DNF accumulation tau dans les
dendrites = « neuropil threads » ou fibres
tortueuses
20
DNF: 6 stades de Braak (Braak, Neurobio Aging 95)
I et II: pas de tb cognitif
III et IV: tb cognitif,Pas d’atrophie cérébrale
V et VI: démence AlzheimerCorrélatio
n clinique
21
Dépôt Abeta: stades de Thal
1) néocortex
2) Cortex entorhinalCA1,insula+/- amygdale, gyrus cingulaire
3) Nx caudé, putamen, claustrum, nx basal, Thalamus, hypothalamus,Subst blanche
4) Nx olivaire inf, Formation réticulée,Substance noire, CA4, colliculus sup et infNx rouge
5) cervelet,Nx pontin,Locus coeruleusNx réticulotegmentalNx dorso-tegmentalNx raphé
(Thal, Neurology 02)
Pas de corrélation clinique avec AbetaPourquoi recherche prédominante sur Aβ?
22
APP
C-ter
N-ter
CTF beta
C99
Abeta oligomeres
sAPP beta
Gamma secretase(PS1, PS2,
Pen2, nicastrin,
APH1)
AICD β
Beta-sécrétase:Voie amyloïdogénique
Beta secretase
(BACE1)
Abeta
AbetaMonomères
39-43 aaAβ 42 et Aβ 40
Réticulum endoplasmiqueAppareil de GolgiVésicules sécrétoiresMembrane plasmiqueEndosomes
Mutations APP, PS dans MA familiale
AICD= APP intracellular domain, CTF=carboxy terminal fragment
23
• Mutations APP et PS dans MA familiale
• La protéine tau est retrouvée dans d’autres maladies neurodégénératives…
(DFT, PSP, DCB….)
• Souris triple Tg APP/PS1/tau: d’abord Aβ puis tau
D’où hypothèse de « cascade amyloïde »
24
Altération kinases, phosphatases: DNF
Effets délétères de Aβ sur les synapses
Dépôts diffus d’oligomères Aβ et plaques
Activation microgliale et astrocytaireInflammation, stress oxydatif
Dysfonction neuronale, Trouble de la transmission
démence
Mutations génétiques APP/Préséniline
Production continue Aβ
Accumulation Aβoligomérisation
Maladie d’Alzheimer familiale
Facteurs génétiques ApoEε4, environnementaux, FDRCV, âge
Défaut de clairance d’ Aβ
Maladie d’Alzheimer sporadique
Modifié D’après Blennow, Lancet 2006Herrup, J neurosci 2010
Production
Aβclairance
Production
Aβclairance
Hypothèse du vieillissement dans la MA
Herrup, J neurosci 2010
Mais modèle parallèle…
AccumulationAβ
Tau hyperPDNF
Perte synaptiquePerte neuronale
Tb cognitif
Biomarqueurs Alzheimer
• Dans le LCR: Dosage Aβ42, tau total et tau-P• Par méthode ELISA
Depôts amyloïdes néocorticauxAβ42
Degenerescence neurofibrillaire néocorticaleTau
+
Test ELISAEnzyme Linked ImmunoSorbent Assay
Ce que signifie ces dosages…
Aβ
Aβ
Aβ
DNFMort neurone
Aβ42
Tau hyperP
Tau total
LCRParenchyme cérébral
Etudes sur biomarqueurs LCR dans MA
Lancet Neuro 08, Sonnen
Mais ponction lombaire pour obtenir le LCR…
Biomarqueurs sanguins?
• Corrélation inverse entre Aβ LCR et PET 11C PiB , mais pas de corrélation entre sang et PET 11C PiB …
(Ann Neuro 06, Fagan)
• 18 peptides parmi 120 candidats dans le plasma (AD vs control, et MCI évoluant vers AD)(Nat Med 07, Ray) , à valider…..
Biomarqueurs dans MA
• Biomarqueur LCR: approche quantitative indirecte des dépôts Aβ et Tau
• Approche + directe?: visualiser les protéines?
Visualiser Aβ par scintigraphie cérébrale:PET avec ligand 11C PiB
• 11C-labelled Pittsburgh compound B (2-[4Ľ-(methylamino- phenyl]-6-hydrobenzothiazole; 11C-PiB) se lie à Aβ
• Corrélation avec neuropathologie (Brain 08 Ikonomovic)
• Corrélation inverse avec volumétrie IRM, Aβ42 LCR
PET 11C PiB
Etudes sur PET 11C PiB dans MALancet Neuro 08, Sonnen
Mais isotope C : 20 minutes de durée de vie, d’où seulement structure de recherche avec cyclotron….D’autres traceurs en cours de recherche: -18F-AH110690 (Vandenberghe et al., 2008),-18F-BAY94-9172 (Rowe et al., 2008),-18F-AV-45 (Klunk, 2008; Nordberg, 2008; Rowe et al., 2008)Et traceur IRM…. À venir
EXEMPLE DE DLFT: DE LA GÉNÉTIQUE AU BIOMARQUEUR
DLFT• Maladie neurodégénérative AD, rare
• Mutations progranuline (2006) et MAPT (1996, tau): 30% des DFT familiales
• Progranuline: peptide sécrété, facteur neurotrophique
• Toutes les mutations GRN entrainent haploinsuffisance (allèle non muté produit une protéine normale mais en quantité insuffisante)
• D’où idée de dosage plasmatique de GRN
Biomarqueur dans la DLFT
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Sélection des patients avec indication à analyse génétique
MODÈLES ANIMAUXEXEMPLE DE LA MALADIE D’ALZHEIMER
Modèle idéal….
• Refléter l’ensembles des phénotypes d’une pathologie:
- Moléculaires (Abeta, tau)- Cellulaires (perte neuronale, réaction gliale) - Physiologiques (dysfonction synaptique)- Comportementaux (troubles cognitifs)
• Pour comprendre la physiopathologie, tester traitement…
Analogues purs de la MA
• Quelques caractéristiques de la MA retrouvés chez le chat, chien, ours, lémurien, certains primates (ex:babouin)
• Mais coût économique++, il faut attendre 10 à 30 ans avant la survenue de la maladie….
Animaux génétiquement modifiés
• Invalider le gène pour comprendre la fonction d’une protéine
• Mutations génétiques
• Combinaison des pathologies Abeta et tau
Invalidation d’un gène
• MAPT KO (tau): phénotype pauvre; variation sur diamètre axonal et différenciation neuronale. (Harada, Nature 94 / Tucker, Nature Neurosci 01)
• APP KO: tb maturation cérébrale, compensée par APLP1/2; double KO APP/APLP2 létal (Heber, J Neurosci 00)
• PS1 KO: tb squelettique et neurologique létal (Shen, Cell 97)
• PS1 KO conditionnel (neurone): diminution Abeta, LTP hippocampique corrigé
Mutations génétiques humaines
• Chez l’homme des mutations dans certaines formes héréditaires des démences:
- APP: Alzheimer- PS1 et PS2 : Alzheimer- MAPT (tau:DFLT)
Les modèles animauxAPP/Ld
Mais pas de perte neuronale ni DNF….
Seules les souris porteuses des 3 mutations: APPswe + la PS1(M146V) + tau (P301L) arborent les plaques amyloïdes , les dégénérescences fibrillaires et le déficit synaptique
Oddo et al., 2003, Neuron 39, 409-421
EXPLORATION ELECTROPHYSIOLOGIQUE
pourquoi l’électrophysiologie?
• Électrophysiologie: étude des phénomènes électrochimiques qui se produisent dans les cellules.
• Neurones= cellules excitables (capacité de dépolarisation quand leur potentiel de membrane dépolarisé au-delà d’une valeur seuil: potentiel d’action)
• Neurotransmission via les synapses• Très bonne résolution temporelle• EEG: méthode non invasive
• Et exemple Alzheimer: Toxicité synaptique de l’Aβ et perte synaptique précoce dans MA
Électrophysiologie/neurone
• Entité anatomique/télécommunication:
- dendrites=antennes réceptrices
- Corps cellulaire= source d’énergie
- Axones et terminaisons axonales = antennes émettrices
• Entité fonctionnelle:
- Capte l’information- Traduit l’info en
Potentiels d’Action- Conduit les PA,
transmission de l’info (exocytose des neurotransmetteurs)
Plusieurs niveaux d’étude électrophysiologique
Exemple de la LTP dans l’hippocampe
• Plasticité synaptique:C’est un processus de renforcement synaptique;Lorsque des neurones hippocampiques reçoivent plusieurs influx nerveux sur une courte période, ils renforcent la connexion synaptique qui a reçu ces influx (augmentation d'amplitude de la réponse post-synaptique). Cette augmentation de l'efficacité de cette synapse peut durer des heures, des jours, voire des semaines.
• On utilise l'expression potentialisation à long terme LTP pour décrire ces modifications moléculaires probablement à la base de bien des apprentissages à long terme.
glutamate
NMDA-R
AMPA-R
Mg2+
Na+
Epine dendritique
Transmission des informations au niveau synaptique
Transmission d’un PA unique
Pour étudier la transmission synaptique excitatrice, nous avons préparé à partir de chaque sous groupe de souris des tranches d’hippocampe, une région très touchée dans les MA afin de réaliser des enregistrements extracellulaires, cad l’enregistrement de la réponse d’une population neuronale à la suite d’une stimulation. Plus particulièrement nous avons travaillé au niveau en stimulant les collatérales de schaffer et en enregistrant les potentiels de champ post synaptiques excitateurs au niveau des cellules pyramidales CA1. La transmission synaptique excitatrice normale se traduit au niveau des synapses par la libération de glutamate et l’activation de certains récepteurs et principalement les récepteurs AMPA. Nous avons donc mesuré la réponse synaptique médiée par ces récepteurs en utilisant des inhibiteurs.
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glutamate
NMDA-R
AMPA-R
Mg2+
Na+
Epine dendritique
Transmission des informations au niveau synaptique:
Stimulation à haute fréquence
LTP
Activation soutenue des AMPA-RDépolarisation dendriteRetrait du Mg2+ de NMDA-REntrée massive Ca2+
Augmentation amplitude réponse post synapse
Ca2+
Mémantine: agoniste non compétitif de NMDA-R
Pour étudier la transmission synaptique excitatrice, nous avons préparé à partir de chaque sous groupe de souris des tranches d’hippocampe, une région très touchée dans les MA afin de réaliser des enregistrements extracellulaires, cad l’enregistrement de la réponse d’une population neuronale à la suite d’une stimulation. Plus particulièrement nous avons travaillé au niveau en stimulant les collatérales de schaffer et en enregistrant les potentiels de champ post synaptiques excitateurs au niveau des cellules pyramidales CA1. La transmission synaptique excitatrice normale se traduit au niveau des synapses par la libération de glutamate et l’activation de certains récepteurs et principalement les récepteurs AMPA. Nous avons donc mesuré la réponse synaptique médiée par ces récepteurs en utilisant des inhibiteurs.
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Aβ soluble ou plaques amyloïdes?
• Lesné, Nature 2006: Aβ*56= docécamère de Aβ1-42Souris Tg 2576 (APP)
Lesné, Neuroscience 2008: Souris Tg 2576 avec plaques et peu Aβ*56 présente une amélioration du tb mémoire
>14 moisTb mémoire
Plaques amyloïdes
<6 moisMémoire normale
Pas de perte neuronale
6-14 moisTb mémoire
Pas de perte neuronale
Aβ*56 soluble extracellulaireInjection Aβ*56 chez le rat sain
induit tb mémoire
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Hypothèse du tb cognitif par oligomères Aβ solubles
Nat Med 06
Plusieurs niveaux d’étude électrophysiologique
Explorations cérébrales in vivo
EEG
• Recueil de l’activité bioélectrique cérébrale au moyen d’électrodes placés sur le scalp
• Activité bioélectrique cérébrale = différence de potentiel électrique entre 2 électrodes
• Résolution temporelle EEG>Imagerie fonctionnelle
Signal EEG= potentiel synaptique dendritique
• Signal EEG = champsélectriques correspondantau dipôle électrique générépar la dépolarisation dessynapses dendritiques descellules pyramidales corticales• Signal EEG = somme despotentiels synaptiquesdendritiques synchronisés(les cellules pyramidales sont
parallèles)
EEG standard: analyse visuelle
EEG standard: analyse visuelle
EEG: analyse quantitative
• EEG quantitatif : l'activité électrique du cerveau, le signal, est converti sous forme numérique et est analysée à l'aide d'outils mathématiques complexes et statistique par rapport à des normes ou des moyennes. Les résultats de ces analyses peuvent ensuite être présentées sous forme graphique, ce qui affiche la topographie de l'activité électrique du cerveau « cartographie ».
66
localisation des sources d’activités cérébrales
?
EEG Cartographie Localisation
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Cartographie de potentiel
• Distribution topographique des potentiels – Localisation grossières– Variations des
distributions• Selection de l’instant
d’analyse• Projection : passage de
l’espace au plan• Intensité codée en couleur
-500.0 ms 499.02
-500-499-498-497-496-495-494-493-492-491-490-489-488-487-486-485-484-483-482-481-480-479-478-477-476-475-474-473-472-471-470-469-468-467-466-465-464-463-462-461-460-459-458-457-456-455-454-453-452-451-450-449-448-447-446-445-444-443-442-441-440-439-438-437-436-435-434-433-432-431-430-429-428-427-426-425-424-423-422-421-420-419-418-417-416-415-414-413-412-411-410-409-408-407-406-405-404-403-402-401-400-399-398-397-396-395-394-393-392-391-390-389-388-387-386-385-384-383-382-381-380-379-378-377-376-375-374-373-372-371-370-369-368-367-366-365-364-363-362-361-360-359-358-357-356-355-354-353-352-351-350-349-348-347-346-345-344-343-342-341-340-339-338-337-336-335-334-333-332-331-330-329-328-327-326-325-324-323-322-321-320-319-318-317-316-315-314-313-312-311-310-309-308-307-306-305-304-303-302-301 ms
EEG & Alzheimer
• Anomalies précoces: Baisse cohérence à travers différentes régions, Diminution cohérence alpha et beta bandes
• Anomalies tardives: Ralentissement rythmes, augmentation activités theta et deltas, diminution des activités alpha, et beta
• Corrélation avec sévérité maladie
Pics théta (4-7Hz)superposés à IRM
(ANYAS 07, Pricheps)
- Étude longitudinale de sujets âgés avec plainte mnésique isolée, suivi 5-7 ans
- Augmentation anomalies dans hippocampes, gyrus parahippocampique, amygdales, cortex pariéto-temporalChez les “Converters” vs “Decliners”.
IMAGERIE
Biomarqueurs d'imagerie dans les démences:
• volumétrie cérébral• imagerie de diffusion• Spectroscopie• tractographie• imagerie des plaques séniles en IRM à très haut champ
et les marqueurs des plaques séniles en TEP (PIB).
Atrophie temporale internemaladie d’Alzheimer
Atrophie fronto-temporale DFT
PSP et IRM (Verin M et al Rev Neurol 2005)
• atrophie mésencéphalique (perte convexité)
• Élargissement V4
absente modérée sévère
Spectro-IRM
• Mesure du métabolisme cérébral grâce aux concentrations des métabolites
• Principaux métabolites: - N-acetyl aspartate (NAA): marqueur neuronal- Choline (Cho): marqueur du turnover membranaire ,
du processus inflammatoire et de la densité cellulaire- Créatinine (Cr): constant et permet de quantifier les
métabolismes entre eux par le rapport- Mioinositol (Mi)
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Spectro-IRM• Cho, Cr et Mi: prolifération gliale• NAA/Cr: réduction si destruction neuronale• Cho/Cr et Mi/Cr: augmentation si processus inflammatoire
Spectro-IRM et prédiction de la démence?
• MCI : diminution du NAA (stable chez la personne âgée)
• MCI évolutif (chao 2005) :- diminution du volume de l’hippocampe- diminution du NAA dans le LTM supérieure au MCI stable• Diminution du NAA corrélé à la performance mnésique• association entre le temps et le développement de la
démence dans les 4 ans (der Hatjer Neurology 2006)
• Physiopathologie :perte neuronale ou altération fonctionnelle transitoire
Analyse métabolique/fonctionnellePrincipes des scintigraphies
cérébrales• Traceurs radioactifs qui émettent des rayons
gammas captés par des caméras• SPECT (TEMP: tomographie par émission
monophotonique): 1 photon, moins précis spatialement
• PET (tomographie par émission de positron): paire de photon
Analyse métabolique/fonctionnelle
• La tomographie à émission de simples photons (TEMP) et la tomographie à émission positrons (TEP) sont utilisées dans les formes cliniquement atypiques.
• SPECT/TEMP: débit sanguin• PET: oxygénation/glucose
SPECT et maladie d’Alzheimer
SPECT et dégénérescence cortico-basale: hypoperfusion pariétale controlatérale
PET avec 18FDG
• SPECT avec traceur le transporteur de dopamine• L'étude du transporteur de la dopamine (DATscan®)
est utilisée pour distinguer la démence à corps de Lewy de la maladie d'Alzheimer (AMM).
control DCL Alzheimer
NC
putamen
DATscan®: Diagnostic différentiel DCL vs MA
conclusion
Ces différentes méthodes d’explorations ont pour objectifs:
• Le diagnostic précoce• Le diagnostic différentiel (spécificité des signes+++)• Le suivi évolutif/pronostic• Le suivi de l’efficacité des thérapies• La compréhension physiopathologique, pour
traitement futur
Service des explorations fonctionnellesInstitut de la Longévité
Hôpital Charles Foix
Pr Jean Mariani Dr Vi-Huong Nguyen-
Michel Sophie Schumm
Herrup, J neurosci 2010