Evaluation of an In Situ Polymerizing Hydrogel Scaffold as a Brain Delivery System for Parkinson’s Disease therapeutics

par Francesco Gubinelli

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Emmanuel Brouillet.

Le président du jury était Michaël Schumacher.

Le jury était composé de Emmanuel Brouillet, Afsaneh GAILLAR, Eilis Dowd, Stéphane Palfi, David Blum.

Les rapporteurs étaient Afsaneh GAILLAR, Eilis Dowd.

  • Titre traduit

    évaluation d'un échafaudage d'hydrogel polymérisant in situ en tant que système d'administration cérébrale pour les traitements de la maladie de Parkinson


  • Résumé

    La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus répandue. Elle touche 0,3% de la population en général, avec un taux croissant de 1 à 2% chez les personnes de plus de 65 ans. À l’heure actuelle, le seul traitement pharmacologique disponible (L-Dopa) consiste à réduire la sévérité des symptômes moteurs. Plusieurs approches expérimentales sont actuellement à l‘étude pour tenter de ralentir la progression de la maladie, ou réduire à long terme la sévérité des symptômes, mais avec un succès limité.La transplantation cellulaire a déjà montré des effets encourageant dans les modèles animaux et en clinique, mais elle présente également plusieurs limites, notamment la faible survie des cellules greffées, une forte réponse immunitaire conduisant au rejet de la greffe.Les biomatériaux sont des matériaux utilisés et adaptés à des applications médicales. Ils sont conçus pour interagir avec différents systèmes biologiques. Parmi ceux-ci, les hydrogels à base de collagène ont attiré l'attention ces dernières années dans le domaine de la médecine régénérative et de la greffe cellulaire, largement utilisés pour la greffe de peau et la cicatrisation des plaies, la régénération de la moelle épinière, la réparation des os et des tendons. À ce jour, cette approche prometteuse n'a encore été étudiée que très rarement in vivo pour les maladies neurodégénératives telles que la MP. Dans ce travail, nous avons développé un modèle pertinent de la MP pour les rongeurs, capable de montrer une dégénérescence progressive des neurones DA dans la SNpc. En utilisant un vecteur viral adéno-associé (AAV), nous avons surexprimé le domaine C-terminal de la forme LRRK2 mutée (G2019S) avec ou sans α-synucléine mutée (α-synA53T) dans la SNpc. Nos résultats ont montré que, alors que LRRK2G2019S seule ne produisait aucune toxicité, l’α-syn co-exprimé avec LRRK2G2019S produisait une plus grande perte de neurones DA dans la SNpc par rapport à l’α-synA53T seule. La toxicité de l'a-syn est probablement facilitée par l'activité kinase du LRRK2 mutant par le biais d'un mécanisme « cell-autonomous ». Une fois que le modèle neurodégénératif de la maladie de Parkinson a été développé et prêt à tester le potentiel du bio-polymère de collagène en tant que système d'administration, nous avons procédé à la caractérisation de l'échafaud en hydrogel. En utilisant l'imagerie par résonance magnétique (IRM) à champ élevé (11,7 T) et l'analyse histologique, nous avons caractérisé notre hydrogel à base de collagène après polymérisation in vitro et, in vivo, après injection intracérébrale chez le rat. Nos résultats indiquent que les hydrogels à base de collagène peuvent être injectés dans le cerveau sans effets délétères majeurs et que l'IRM est un outil de choix pour le suivi direct et non invasif de la polymérisation et de la greffe d'hydrogel de collagène. L'hydrogel de collagène a montré une réponse immunitaire transitoire et limitée essentiellement localisée autour du site d'injection.Ces résultats suggèrent que notre hydrogel à base de collagène qui polymérise in situ pourrait être utilisé en toute sécurité comme système d'administration intracérébrale de cellules et / ou de molécules trophiques et/ou neuroprotectrices pour la MP.


  • Résumé

    Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease, affecting 0.3% of general population, with an increasing rate of 1 to 2% in persons over 65. At the moment the only available pharmacological treatment (L-Dopa) focuses on mitigating symptoms; nowadays treatments to slow down the disease’s progression, or suppress symptoms on the long term remain to be validated.Cellular transplantation had showed encouraging results, but it has some limitation, including the poor survival of the grafted cells, strong immune response and rejection of the graft. Biomaterials are materials used and adapted for medical applications and are designed to interact with different biological systems. Among them, collagen-based hydrogels recently gained attention in the field of regenerative medicine and cellular transplantation, being widely used for skin graft and wound healing, spinal cord regeneration, bones and tendon repair. To date, such promising approach has not been often investigated in vivo for neurodegenerative diseases as PD.In this work we developed a rodent relevant model of PD that is able to show a progressive neurodegeneration of DA neurons in the SNpc. Using adeno-associated viral vector (AAV), we overexpressed the C-terminal domain of mutated LRRK2 form (LRRK2G2019S) with or without mutant α-synuclein (α-synA53T) in the SNpc. Our results showed that, while LRRK2G2019S alone did not produce any toxicity, α-synA53T co-expressed with LRRK2 G2019S produced a greater loss of dopaminergic cells in the SNpc. α-synA53T toxicity is likely to be facilitated by the kinase activity of mutant LRRK2 through a cell autonomous mechanism.Once the neurodegenerative rat model of PD was developed and ready for testing the potential of the collagen scaffold as a delivery system, we proceeded with characterization of the hydrogel scaffold. Using high field (11.7T) magnetic resonance imaging (MRI), and histological analysis we characterized our collagen-based hydrogel after in vitro and, in vivo polymerization after intracerebral injection in rats.Our results indicate that collagen-based hydrogels can be safely injected into the brain without any major adverse effect and that MRI is a tool of choice for a direct and non-invasive in vivo follow-up of collagen hydrogel polymerization and grafting in the brain. The collagen scaffold showed a transitory and limited immune response localized around the site of injection.This results suggest that our in-situ polymerizing collagen-based hydrogel could be safely employed as a delivery system for cells and/or molecules during neuronal transplantation.



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