Méthodes d’exploration des

maladies neurodégénérativesaspect fondamental et concepts techniques

Capacités de Gérontologie Franciliennes

Module Gérontologie fondamentale

19 janvier 2010

KINUGAWA-BOURRON Kiyoka

Service des Explorations Fonctionnelles

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

Tb cognitif Sd extrapyramidal

mémoire comportement

Alzheimer DFT

langage

APP

DS

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

Alzheimercomportement

DFTlangage

APP, DS

Tb cognitif Sd extrapyramidal

DCL

Démence park

Parkinson

Sd park +DCB

PSP

MSA

FTDP

Sd park +

ACP

Visuo-constructif

Diagnostic définitif des maladies neurodégénératives en post mortem…

Signes cliniques Imagerie, biologie

Diagnostic « probable »

Diagnostic définitif neuropathologique

Intérêt des biomarqueurs

antemortem

postmortem

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=atrophie par perte des neurones?

Atrophie cérébrale

=

perte de volume des neurones

et leurs extensions neuritiques

et/ou

mort neuronale

?

Maladies neurodégénératives:

Mort neuronale

Accumulation protéique

de protéine mal conformée

Dépôts, inclusions

Maladies neurodégénératives = protéinopathies?Devant une démence en neuropathologie….

Alzheimer

FTDP-17

(MAPT)

Maladie à corps de Pick

PSP

DCB

Tauopathie

α-synucléinopathie

-DCL

-Park+démence

« Sans signe histologique distinctif »

DLDH

FUS+

-NIFID

-Corps basophiles

-DFT+SLA

TDP43+

-DFT+SLA spo/fam

-DFT sporadique

-FTDP-17 avec PGRN

-IBMPFD (Paget, myopathie)

DFT

Ubiquitine +

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 Aβsolubles

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 Alzheimer

Dépôt Abeta: stades de Thal

1) néocortex

2) Cortex entorhinal

CA1,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 inf

Nx rouge

5) cervelet,

Nx pontin,

Locus coeruleus

Nx réticulotegmental

Nx dorso-tegmental

Nx raphé

(Thal, Neurology 02)

Pas de corrélation clinique avec Abeta

Pourquoi recherche prédominante sur Aβ?

APP

C-ter

N-ter

CTF beta

C99

Abeta

oligomeres

sAPP

beta

Gamma

secretase

(PS1, PS2,

Pen2,

nicastrin,

APH1)

AICD

Beta-sécrétase:

Voie amyloïdogénique

Beta secretase

(BACE1)

Abeta

Abeta

Monomères

39-43 aa

A 42 et A 40

Réticulum endoplasmique

Appareil de Golgi

Vésicules sécrétoires

Membrane plasmique

Endosomes

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

Activation microgliale et astrocytaire

inflammation

Dysfonction neuronale

Trouble de la transmission

démence

Mutations génétiques APP/Préséniline

Production continue Aβ

Accumulation Aβ

oligomérisation

Maladie d’Alzheimer familiale

Facteurs génétiques ApoEε4,

environnementaux, FDRCV, âge

Défaut de clairance d’ Aβ

Maladie d’Alzheimer sporadique

D’après Blennow, Lancet 2006

Mais modèle parallèle…

Accumulation

Aβ

Tau hyperP

DNF

Perte synaptique

Perte neuronale

Tb cognitif

Biomarqueurs Alzheimer

• Dans le LCR: Dosage Aβ40, Aβ42, tau total et tau-P

• Par méthode ELISA

Depôts amyloïdes néocorticauxA42

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

Micro-imagerie et visualiser Aβ par scintigraphie cérébralePET 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

EXEMPLE DE FTDP-17:DE LA GÉNÉTIQUE AU BIOMARQUEUR

Biomarqueur sanguin : exemple FTDP-17

• fronto-temporal dementia and parkinsonism linked with chromosome 17

• Maladie neurodégénérative AD, rare

• Mutations progranuline (2006) et MAPT (1996, tau): 30% des DFT familiales

Biomarqueur: PGRN plasmatiqueBrain 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: FTDP-17)

Les modèles animauxAPP/Ld

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

glutamate

NMDA-R

AMPA-R

Mg2+

Na+

Epine dendritique

Transmission des informations au niveau synaptique

CA1

Schaffer

StimulationEnregistrement extracellulaire

fEPSP

Aβ soluble ou plaques amyloïdes?

• Lesné, Nature 2006: Aβ*56= docécamère de Aβ1-42

Souris Tg 2576 (APP)

Lesné, Neuroscience 2008: Souris Tg 2576 avec plaques et peu Aβ*56 présente une amélioration du tb mémoire

>14 mois

Tb mémoire

Plaques amyloïdes

<6 mois

Mémoire normale

Pas de perte neuronale

6-14 mois

Tb mémoire

Pas de perte neuronale

Aβ*56 soluble extracellulaire

Injection 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 = 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 quantitatif• analyse de la cohérence entre les signaux

• La Cohérence entre 2 signaux indique la force de la corrélation temporelle entre ces 2 signaux.

• La référence peut être la moyenne de plusieurs électrodes

(ex: les 2 occipitales ou les 2 Électrodes fronto-polaires)

• On peut diviser l’activité sur une électrode en 2 parties:

- celle cohérente avec la référence choisie

- celle qui en est indépendante

• On peut extraire de chaque échantillon la part cohérente avec une référence c’est la décohérence très utile pour le rejet d’artéfacts oculaires ou pulsatiles

Activités Delta frontales surchargées par des artefacts oculaires

Activités Delta frontales après extraction des activités cohérentes avec les fronto-polaires

(méthode d’extraction des artefacts oculaires)Mise en évidence d’un dysfonctionnement frontal

Particularité de l’EEG• C’est l’image négative du traitement de l’information:

- Rythme alpha disparait à l’ouverture yeux, effort mental

• IRM fonctionnelle: à l’inverse image positive, avec apparition activité lors du traitement de l’information

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

Activités Alpha dépendantes et indépendantes des régions occipitales: normalement réactivité

identique

Activités Alpha dépendantes et indépendantes des régions occipitales: dissociation de réactivité

dans les MA

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

• 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-temporaleDFT

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)

• 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

• La tomographie à émission de simples photons (TEMP) et la tomographie à émission positrons (TEP) sont utilisées dans les formes cliniquement atypiques.

• SPECT: débit sanguin

• PET: oxygénation/glucose

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

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.

control DCL Alzheimer

NC

putamen

DATscan®: Diagnostic différentiel DCL vs MA

conclusion

Ces différents 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 Claude Sebban Dr Vi-Huong Nguyen-

Michel Sophie Schumm