Exploration des maladies neurodegeneratives

Méthodes d’exploration des
maladies neurodégénératives
aspect fondamental et concepts techniques
Capacités de Gérontologie Franciliennes
Module Physiologie et Biologie du Vieillissement
18 janvier 2011
KINUGAWA-BOURRON Kiyoka
Service des Explorations Fonctionnelles
Institut de la Longévité
Hôpital 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
Asymptomatique
CONTINUUM?
présymptomatique
Maladie
À partir de la clinique,
diagnostic en théorie….
Tb cognitif
Sd extrapyramidal
mémoire langage comportement
Alzheimer
APP
DS
DFTc
Tb visuo-constructif
ACP
Parkinson
« Parkinson + »
-DCB
-PSP
-MSA
-DCL
À partir de la clinique,
diagnostic en pratique….
Tb cognitif
Sd extrapyramidal
Sd park + Parkinson
mémoire
DCL
Sd park +
Démence park
Alzheimercomportement
DCB
PSP
langage DFT
MSA
APP, DS
FTDP
Visuo-constructif
ACP
Diagnostic « probable » des maladies
neurodégénératives
Signes cliniques
Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
Sensibilité
Spécificité
Clinique vs neuropath Clinique vs neuropath
Maladie d’Alzheimer
90-95%
50-60%
(comorbidités)
Diagnostic définitif des maladies
neurodégénératives en post mortem…
Signes cliniques
Imagerie, biologie
Intérêt des
biomarqueurs
Diagnostic « probable »
antemortem
postmortem
Diagnostic définitif neuropathologique
Pourquoi développer des
méthodes d’explorations?
Maladies
neurodégénératives
complexes,
hétérogènes:
diagnostic difficile
-Mauvaise
corrélation cliniqueneuropathologie
-Mauvaise
corrélation cliniquegénétique
Meilleure
Connaissance de
la physiopathologie
Améliorer le diagnostic:
- Marqueurs cliniques
-marqueurs biologiques
-Marqueurs imagerie
Développer ttt futur:
-Neuroprotection
-Curatif
absence de ttt curatif
Méthodes d’explorations
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire
DNF (tau)
Dépôts Abeta
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 conformée
Dépôts, inclusions
Maladies neurodégénératives = protéinopathies?
Devant une démence en neuropathologie….
Tauopathie
Maladie à corps de Pick
PSP
DCB
DLFT-U
Ubiquitine +
Grains argyrophiles
FUS+
-NIFID
-Corps basophiles
-DLFT+SLA
« Sans signe
histologique
distinctif »
DLDH
TDP43+
-DLFT+SLA spo/fam
-DLFT sporadique
-DLFT avec PGRN
-IBMPFD (Paget, myopathie)
Alzheimer
FTDP-17
(MAPT)
α-synucléinopathie
-DCL
-Park+démence
EXEMPLE MALADIE D’ALZHEIMER:
DE LA NEUROPATHOLOGIE AUX
BIOMARQUEURS
Neuropathologie
Alzheimer
Peptide Aβ
Tau
Accumulation extra-¢
 accumulation intra-neuronale
de tau hyperphosphorylée
Tau-PHF
= Dégénérescence neurofibrillaire
DNF
 accumulation tau dans les
dendrites
= « neuropil threads » ou fibres
tortueuses
 plaques séniles Aβ fibrillaires
(avec microglies activées)
 dépôts diffus oligomères Aβ
solubles
DNF: 6 stades de Braak
(Braak, Neurobio Aging 95)
I et II: pas de tb cognitif
a
l
é
r
r
o
C
n
it o
i
l
c
e
u
q
i
n
III et IV: tb cognitif,
Pas d’atrophie cérébrale
V et VI: démence Alzheimer
Dépôt Abeta: stades de Thal
1) néocortex
4) Nx olivaire inf,
Formation réticulée,
Substance noire,
CA4,
colliculus sup et inf
Nx rouge
Pas de corrélation clinique avec Abeta
Pourquoi recherche prédominante sur Aβ?
2) Cortex entorhinal
CA1,insula
+/- amygdale, gyrus cingulaire
3) Nx caudé, putamen,
claustrum, nx basal,
Thalamus, hypothalamus,
Subst blanche
5) cervelet,
Nx pontin,
Locus coeruleus
Nx réticulotegmental
Nx dorso-tegmental
Nx raphé
(Thal, Neurology 02)
N-ter
Mutations APP, PS dans MA familiale
sAPP
beta
APP
Abeta
oligomeres
Beta-sécrétase:
Voie amyloïdogénique
Abeta
Monomères
39-43 aa
Beta secretase
Aβ 42 et Aβ 40
(BACE1)
Abeta
AICD β
Gamma
secretase
(PS1, PS2,
Pen2,
nicastrin,
APH1)
C-ter
CTF beta
C99
Réticulum endoplasmique
Appareil de Golgi
Vésicules sécrétoires
Membrane plasmique
Endosomes
• 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 »
Maladie d’Alzheimer familiale
Maladie d’Alzheimer sporadique
Mutations génétiques APP/Préséniline
Facteurs génétiques ApoEε4,
environnementaux, FDRCV, âge
Production continue Aβ
Défaut de clairance d’ Aβ
ion
t
c
du
o
r
P Aβ
Accumulation Aβ
oligomérisation
ce
n
a
r
clai
Effets délétères de Aβ sur les synapses
ion
t
c
du
o
r
P
Aβ
Dépôts diffus d’oligomères Aβ et plaques
Activation microgliale et astrocytaire
Inflammation, stress oxydatif
Altération kinases, phosphatases: DNF
Dysfonction neuronale, Trouble de la transmission
Modifié
D’après Blennow, Lancet 2006
Herrup, J neurosci 2010
démence
ce
n
a
r
clai
Hypothèse du vieillissement dans la MA
Herrup, J neurosci 2010
Mais modèle parallèle…
Accumulation
Aβ
Tau hyperP
DNF
Perte synaptique
Perte neuronale
Tb cognitif
Biomarqueurs Alzheimer
• Dans le LCR: Dosage Aβ42, tau total et tau-P
• Par méthode ELISA
Depôts amyloïdes néocorticaux
Aβ42
neurofibrillaire néocorticale
+ Degenerescence
Tau
Test ELISA
Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay
Ce que signifie ces dosages…
Parenchyme cérébral
LCR
Aβ
Aβ
DNF
Mort neurone
Aβ
Aβ42
Tau hyperP
Tau total
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
11
C PiB
Etudes sur PET
11
C PiB dans MA
Lancet 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
Biomarqueur dans la DLFT
• 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: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Sélection des patients avec indication à analyse génétique
Brain 2009, Finch
MODÈLES ANIMAUX
EXEMPLE 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 animaux
APP/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.
Transmission des informations au niveau synaptique
Transmission
d’un PA unique
NMDA-R
Mg2+
glutamate
Na+
AMPA-R
Epine
dendritique
Transmission des informations au niveau synaptique:
Activation soutenue des AMPA-R
Dépolarisation dendrite
Retrait du Mg2+ de NMDA-R
Entrée massive Ca2+
Augmentation amplitude réponse post synapse
LTP
Stimulation à
haute fréquence
Mg2+
NMDA-R
Ca2+
glutamate
Na+
Epine
dendritique
AMPA-R
Mémantine: agoniste non compétitif de NMDA-R
Aβ soluble ou plaques amyloïdes?
• Lesné, Nature 2006: Aβ*56= docécamère de Aβ1-42
Souris Tg 2576 (APP)
<6 mois
Mémoire normale
Pas de perte neuronale
6-14 mois
Tb mémoire
Pas de perte neuronale
>14 mois
Tb mémoire
Plaques amyloïdes
Aβ*56 soluble extracellulaire
Injection Aβ*56 chez le rat sain
induit tb mémoire
 Lesné, Neuroscience 2008: Souris Tg 2576 avec plaques et
peu Aβ*56 présente une amélioration du 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
Signal EEG= potentiel synaptique
dendritique
• Signal EEG = champs
électriques correspondant
au dipôle électrique généré
par la dépolarisation des
synapses dendritiques des
cellules pyramidales corticales
• Signal EEG = somme des
potentiels synaptiques
dendritiques 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
-500.0 ms
• 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
-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
2
499.0
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-temporal
Chez 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 interne
maladie 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/fonctionnelle
Principes 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 FDG
18
DATscan®: Diagnostic différentiel DCL vs
MA
• 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
NC
putamen
Alzheimer
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 fonctionnelles
Institut de la Longévité
Hôpital Charles Foix
 Pr Jean Mariani
 Dr Vi-Huong NguyenMichel
 Sophie Schumm
Herrup, J neurosci 2010
Méthodes d’exploration des
maladies neurodégénératives
aspect fondamental et concepts techniques
Capacités de Gérontologie Franciliennes
Module Physiologie et Biologie du Vieillissement
18 janvier 2011
KINUGAWA-BOURRON Kiyoka
Service des Explorations Fonctionnelles
Institut de la Longévité
Hôpital 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
Asymptomatique
CONTINUUM?
présymptomatique
Maladie
À partir de la clinique,
diagnostic en théorie….
Tb cognitif
Sd extrapyramidal
mémoire langage comportement
Alzheimer
APP
DS
DFTc
Tb visuo-constructif
ACP
Parkinson
« Parkinson + »
-DCB
-PSP
-MSA
-DCL
À partir de la clinique,
diagnostic en pratique….
Tb cognitif
Sd extrapyramidal
Sd park + Parkinson
mémoire
DCL
Sd park +
Démence park
Alzheimercomportement
DCB
PSP
langage DFT
MSA
APP, DS
FTDP
Visuo-constructif
ACP
Diagnostic « probable » des maladies
neurodégénératives
Signes cliniques
Imagerie, biologie
Diagnostic « probable »
Sensibilité
Spécificité
Clinique vs neuropath Clinique vs neuropath
Maladie d’Alzheimer
90-95%
50-60%
(comorbidités)
Diagnostic définitif des maladies
neurodégénératives en post mortem…
Signes cliniques
Imagerie, biologie
Intérêt des
biomarqueurs
Diagnostic « probable »
antemortem
postmortem
Diagnostic définitif neuropathologique
Pourquoi développer des
méthodes d’explorations?
Maladies
neurodégénératives
complexes,
hétérogènes:
diagnostic difficile
-Mauvaise
corrélation cliniqueneuropathologie
-Mauvaise
corrélation cliniquegénétique
Meilleure
Connaissance de
la physiopathologie
Améliorer le diagnostic:
- Marqueurs cliniques
-marqueurs biologiques
-Marqueurs imagerie
Développer ttt futur:
-Neuroprotection
-Curatif
absence de ttt curatif
Méthodes d’explorations
Plusieurs approches…
• Cellulaire/moléculaire
DNF (tau)
Dépôts Abeta
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 conformée
Dépôts, inclusions
Maladies neurodégénératives = protéinopathies?
Devant une démence en neuropathologie….
Tauopathie
Maladie à corps de Pick
PSP
DCB
DLFT-U
Ubiquitine +
Grains argyrophiles
FUS+
-NIFID
-Corps basophiles
-DLFT+SLA
« Sans signe
histologique
distinctif »
DLDH
TDP43+
-DLFT+SLA spo/fam
-DLFT sporadique
-DLFT avec PGRN
-IBMPFD (Paget, myopathie)
Alzheimer
FTDP-17
(MAPT)
α-synucléinopathie
-DCL
-Park+démence
17
EXEMPLE MALADIE D’ALZHEIMER:
DE LA NEUROPATHOLOGIE AUX
BIOMARQUEURS
Neuropathologie
Alzheimer
Peptide Aβ
Tau
Accumulation extra-¢
 accumulation intra-neuronale
de tau hyperphosphorylée
Tau-PHF
= Dégénérescence neurofibrillaire
DNF
 accumulation tau dans les
dendrites
= « neuropil threads » ou fibres
tortueuses
 plaques séniles Aβ fibrillaires
(avec microglies activées)
 dépôts diffus oligomères Aβ
solubles
19
DNF: 6 stades de Braak
(Braak, Neurobio Aging 95)
I et II: pas de tb cognitif
n
it o
la
é
rr
o
C
e
u
iq
n
i
cl
III et IV: tb cognitif,
Pas d’atrophie cérébrale
V et VI: démence Alzheimer
20
Dépôt Abeta: stades de Thal
1) néocortex
4) Nx olivaire inf,
Formation réticulée,
Substance noire,
CA4,
colliculus sup et inf
Nx rouge
Pas de corrélation clinique avec Abeta
Pourquoi recherche prédominante sur Aβ?
2) Cortex entorhinal
CA1,insula
+/- amygdale, gyrus cingulaire
3) Nx caudé, putamen,
claustrum, nx basal,
Thalamus, hypothalamus,
Subst blanche
5) cervelet,
Nx pontin,
Locus coeruleus
Nx réticulotegmental
Nx dorso-tegmental
Nx raphé
(Thal, Neurology 02)
21
N-ter
Mutations APP, PS dans MA familiale
sAPP
beta
APP
Abeta
oligomeres
Beta-sécrétase:
Voie amyloïdogénique
Abeta
Monomères
39-43 aa
Beta secretase
Aβ 42 et Aβ 40
(BACE1)
Abeta
AICD β
Gamma
secretase
(PS1, PS2,
Pen2,
nicastrin,
APH1)
C-ter
CTF beta
C99
Réticulum endoplasmique
Appareil de Golgi
Vésicules sécrétoires
Membrane plasmique
Endosomes
AICD= APP intracellular domain, CTF=carboxy terminal fragment
22
• 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 »
23
Maladie d’Alzheimer familiale
Maladie d’Alzheimer sporadique
Mutations génétiques APP/Préséniline
Facteurs génétiques ApoEε4,
environnementaux, FDRCV, âge
Production continue Aβ
Défaut de clairance d’ Aβ
tion
duc
o
r
P Aβ
Accumulation Aβ
oligomérisation
ce
ran
clai
Effets délétères de Aβ sur les synapses
tion
duc
o
r
P
Aβ
ce
ran
clai
Dépôts diffus d’oligomères Aβ et plaques
Activation microgliale et astrocytaire
Inflammation, stress oxydatif
Altération kinases, phosphatases: DNF
Dysfonction neuronale, Trouble de la transmission
Modifié
D’après Blennow, Lancet 2006
Herrup, J neurosci 2010
démence
24
Hypothèse du vieillissement dans la MA
Herrup, J neurosci 2010
Mais modèle parallèle…
Accumulation
Aβ
Tau hyperP
DNF
Perte synaptique
Perte neuronale
Tb cognitif
Biomarqueurs Alzheimer
• Dans le LCR: Dosage Aβ42, tau total et tau-P
• Par méthode ELISA
Depôts amyloïdes néocorticaux
Aβ42
neurofibrillaire néocorticale
+ Degenerescence
Tau
Test ELISA
Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay
Ce que signifie ces dosages…
Parenchyme cérébral
LCR
Aβ
Aβ
DNF
Mort neurone
Aβ
Aβ42
Tau hyperP
Tau total
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
C PiB
11
Etudes sur PET
11
C PiB dans MA
Lancet 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
Biomarqueur dans la DLFT
• 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: PGRN plasmatique
Brain 2009, Finch
Biomarqueur: PGRN plasmatique
Sélection des patients avec indication à analyse génétique
Brain 2009, Finch
MODÈLES ANIMAUX
EXEMPLE 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 animaux
APP/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.
Transmission des informations au niveau synaptique
Transmission
d’un PA unique
NMDA-R
Mg2+
glutamate
Na+
Epine
dendritique
AMPA-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.
55
Transmission des informations au niveau synaptique:
Activation soutenue des AMPA-R
Dépolarisation dendrite
Retrait du Mg2+ de NMDA-R
Entrée massive Ca2+
Augmentation amplitude réponse post synapse
LTP
Stimulation à
haute fréquence
Mg2+
NMDA-R
Ca2+
glutamate
Na+
Epine
dendritique
AMPA-R
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.
56
Aβ soluble ou plaques amyloïdes?
• Lesné, Nature 2006: Aβ*56= docécamère de Aβ1-42
Souris Tg 2576 (APP)
<6 mois
Mémoire normale
Pas de perte neuronale
6-14 mois
Tb mémoire
Pas de perte neuronale
>14 mois
Tb mémoire
Plaques amyloïdes
Aβ*56 soluble extracellulaire
Injection Aβ*56 chez le rat sain
induit tb mémoire
 Lesné, Neuroscience 2008: Souris Tg 2576 avec plaques et
peu Aβ*56 présente une amélioration du tb mémoire
57
Hypothèse du tb cognitif par oligomères
Aβ solubles
Nat Med 06
58
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 = champs
électriques correspondant
au dipôle électrique généré
par la dépolarisation des
synapses dendritiques des
cellules pyramidales corticales
• Signal EEG = somme des
potentiels synaptiques
dendritiques 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
66
Cartographie de potentiel
-500.0 ms
• 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
-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
2
499.0
ms
67
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-temporal
Chez 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 interne
maladie 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)
76
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/fonctionnelle
Principes 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
DATscan®: Diagnostic différentiel DCL vs
MA
• 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
NC
putamen
Alzheimer
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 fonctionnelles
Institut de la Longévité
Hôpital Charles Foix
 Pr Jean Mariani
 Dr Vi-Huong NguyenMichel
 Sophie Schumm
Herrup, J neurosci 2010