Etude des mécanismes neuro-inflammatoires impliqués dans la clairance amyloïde induite par perméabilisation de la barrière hémato-encéphalique par ultrasons chez les rongeurs modèles d'Alzheimer

par Venetia Cardona

Projet de thèse en Physiologie, physiopathologie

Sous la direction de Michel Bottlaender et de Benoît Larrat.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....) , en partenariat avec Imagerie moleculaire in vivo (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Aujourd'hui, la principale limite à l'efficacité des traitements contre les maladies du système nerveux central réside dans l'incapacité des molécules thérapeutiques à traverser la barrière hémato-encéphalique (BHE) et à atteindre le parenchyme cérébral. Depuis 2010, NeuroSpin a réalisé plusieurs études reconnues sur l'utilisation des ultrasons transcrâniens pour la perméabilisation transitoire de la BHE sans dommage tissulaire(1,2) L'agrégation de protéines anormales au sein du parenchyme cérébral est à l'origine d'une mort progressive des neurones, et est impliquée dans un grand nombre de maladies neurodégénératives. La maladie d'Alzheimer (MA) est notamment une maladie neurodégénérative incurable se caractérisant par des dépôts amyloïdes. En 2015, Leinenga et Götz(3) détournent ainsi cette perméabilisation de la BHE par ultrasons, non pas pour faire parvenir davantage de molécules thérapeutiques au sein du parenchyme cérébral mais plutôt dans le but de soustraire des molécules néfastes pour le système nerveux. Il est alors apparu que l'application d'ultrasons transcrâniens chez la souris modèle de la MA était à l'origine d'une clairance amyloïde, associée de plus à l'amélioration des performances cognitives. Ce «nettoyage» serait lié à une activation microgliale. En 2016, par une approche protéomique, Kovacs(4) a pu démontrer, après un traitement ultrasons de souris saines, la sécrétion précoce de cytokines pro-inflammatoires, potentiellement par la microglie activée qui pourrait être ensuite responsable d'une sécrétion un peu plus tardive de cytokines anti-inflammatoires. Ces cytokines pro-inflammatoires pourraient être à l'origine des effets thérapeutiques ultrasons induits observés chez les modèles rongeurs de la MA. Ces résultats mis en perspectives avec l'étude sur patients Alzheimer d'Hamelin(5) permettent de formuler une hypothèse de recherche selon laquelle il existerait un phénomène inflammatoire bénéfique, non caractérisé encore, déclenché par l'ouverture de la BHE. L'objet de cette étude préclinique, sur une période de thèse de trois ans, sera ainsi de comprendre le mécanisme neuro-inflammatoire thérapeutique impliqué dans le nettoyage des plaques amyloïdes et l'amélioration des symptômes cognitifs des rongeurs modèles de la maladie d'Alzheimer lorsqu'ils sont traités par des perméabilisations transitoires de la BHE par ultrasons. La caractérisation des phénomènes inflammatoires induits par les sessions répétées d'ultrasons transcrâniens sera réalisée sur deux modèles de la maladie d'Alzheimer: un modèle de souris C57Bl6 possédant les mutations APP/PS1∆9 et un modèle de rat F344 possédant également les mutations APP/PS1∆9. L'imagerie et la quantification de cibles moléculaires impliquées dans la neuro-inflammation sont d'un intérêt considérable pour aider la compréhension mécanistique de l'impact des ultrasons sur le cerveau d'une manière générale, grâce notamment au suivi d'un ligand radioactif par l'imagerie TEP (Tomographie par Emission de Positons) de la protéine translocatrice TSPO. En effet, la TSPO est à l'heure actuelle considérée comme un marqueur de la neuro-inflammation : l'activation des microglies et astrocytes (cellules nerveuses de l'inflammation) s'accompagne en particulier d'une surexpression de la TSPO située dans les mitochondries de ces cellules gliales(6,7) L'effet neuro-inflammatoire thérapeutique des ultrasons n'a à ce jour pas encore été étudié sur des modèles de la MA par des techniques d'imagerie réalisables in vivo au cours d'études longitudinales. Ce travail de recherche constituera une étape significative dans l'élaboration ultérieure d'une thérapie anti-amyloïde innovante et non invasive directement applicable sur des patients humains Alzheimer. Pour la première fois, l'interaction des cellules gliales et des ultrasons sera ainsi étudiée par imagerie TEP (au Service Hospitalier Frédéric Joliot), sur des animaux non transgéniques et sur les animaux transgéniques APP/PS1 modèles de la MA traités périodiquement par ultrasons. Ces données seront corrélées à l'immunohistologie afin de mettre en évidence les protagonistes neuro-inflammatoires impliqués dans la clairance thérapeutique des plaques amyloïdes grâce à des marquages spécifiques. Les données TEP obtenues in vivo avec la quantification ex vivo de la charge amyloïde (marquage immunohistologique, Western Blot, …) et les données en IRM très haute résolution (à Neurospin) permettront de comprendre les mécanismes biologiques et de valider les hypothèses émises sur l'efficacité des ultrasons dans le cadre de MA. Enfin, des tests de comportements seront réalisés chez les animaux transgéniques traités par ultrasons (Open Field, Novel Object Recognition, Y, Barnes et Elevated Plus mazes) afin d'explorer et de caractériser des changements de comportement et des atteintes cognitives comme l'anxiété et l'altération de la mémoire principalement, deux symptômes que l'on retrouve chez les patients atteints de la MA. Ceci permettra également de confirmer que l'effet «anti-amyloïde» de la perméabilisation de la BHE par ultrasons s'accompagne bien des restaurations cognitives attendues et pourra peut-être permettre à terme la caractérisation d'un phénotype inflammatoire particulier ultrasons-induit directement associable avec la guérison des atteintes cognitives. Cette collaboration entre Neurospin et le SHFJ sera pour moi une double opportunité d'acquérir une expertise des technologies de pointe uniques à ces centres dans l'innovation thérapeutique et diagnostique. Mon travail au sein de ces équipes pourra je l'espère s'étoffer de la richesse intellectuelle et technologique des acteurs universitaires et industriels implantés ou qui s'implanteront dans le cluster Paris-Saclay. (1)Marty et al. J Cereb Blood Flow Metab, 2012; (2)Magnin et al. J Ther ultrasound, 2015; (3)Leinenga, Götz. Sci Transl Med, 2015; (4)Kovacs et al. PNAS, 2016; (5)Hamelin et al.Brain, 2016; (6)Crawshaw. J Neurol, 2017 ; (7)Chaney et al. J Neurochem, 2017

  • Titre traduit

    Study of neuroinflammatory mecanisms involved in the clearance of amyloid-β induced by disrupting the blood-brain barrier with ultrasound on rodent models of Alzheimer's disease


  • Résumé

    This preclinical study will aim to analyze the hypothesis of the existence of a therapeutic neuroinflammatory mechanism on amyloid clearance and the improvement of cognitive deficits observed in rodent models of Alzheimer's disease (AD) when they are treated by transient permeabilization of the blood-brain barrier (BBB) by ultrasound. The characterization of the inflammatory response induced by repeated sessions of transcranial ultrasound will be performed on two models of AD: APP/PS1 mice and TgF344 rats. With these models, the interaction of glial cells and ultrasound will be studied by PET imaging (Frédéric Joliot Hospital Service), on non-transgenic and transgenic animals APP / PS1 models of AD periodically treated with ultrasound. These data will be correlated with immunohistology in order to highlight the neuro-inflammatory protagonists involved in the therapeutic clearance of amyloid plaques through specific labeling. Molecular biology techniques and very high resolution MRI data (Neurospin) will allow a quantification of the cerebral amyloid load of these treated or untreated models. The correlation of all these data will ultimately allow us to understand the biological mechanisms and to validate the hypothesis of the efficiency of ultrasound in AD. Finally, behavioral tests will be performed to confirm the therapeutic implication of ultrasound in the restoration of cognitive performance, and their link with the type of inflammatory response triggered. While many molecules turn out to be therapeutic failures in the treatment of AD patients, understanding these ultrasonic-induced therapeutic neuro-inflammatory mechanisms is a real hope for the development of new non-invasive ultrasound therapeutic strategies.