méthodes d’exploration des maladies neurodégénératives · tb mémoire plaques amyloïdes

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.

55

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.

56

57

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

58

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

67

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)

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/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