Méthodes d’exploration des

maladies neurodégénératives aspect fondamental et concepts techniques

Kiyoka KINUGAWA-BOURRON Unité d’Explorations fonctionnelles du sujet âgé, Hôpital Charles Foix

Institut de la Longévité, Hôpital Charles Foix Ivry sur-Seine

Capacité de Gérontologie Francilienne

Module Physiologie et Biologie du Vieillissement

30 janvier 2012

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

APP

DS

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

Alzheimer comportement

DFT langage

APP, DS

Tb cognitif Sd extrapyramidal

DCL

Démence park

Parkinson

Sd park + DCB

PSP

MSA

FTDP

Sd park +

ACP

Visuo-constructif

Diagnostic « probable » des maladies neurodégénératives

Signes cliniques Imagerie, biologie

Diagnostic « probable »

Sensibilité Clinique vs neuropath

Spécificité Clinique 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

antemortem

postmortem

biomarqueurs

• Définition NIH: « caractéristique objectivement mesurée et évaluée comme un indicateur de processus biologiques normaux ou pathologiques, ou de réponses pharmacologiques à une intervention thérapeutique »

• Biomarqueurs « dosables » dans les prélèvements, mais aussi en imagerie.

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 Abeta DNF (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 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

-DLFT+SLA

TDP43+

-DLFT+SLA spo/fam

-DLFT sporadique

-DLFT avec PGRN

-IBMPFD (Paget, myopathie)

DLFT-U

Ubiquitine +

Grains argyrophiles

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 pas tout le phénotype complet

• 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

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,le déficit synaptique, et perte neuronale

Oddo et al., 2003, Neuron 39, 409-421

EXEMPLE MALADIE D’ALZHEIMER: DE LA NEUROPATHOLOGIE AUX BIOMARQUEURS

Neuropathologie Alzheimer

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

Test ELISA Enzyme Linked ImmunoSorbent Assay

Ce que signifie ces dosages…

Aβ

Aβ

Aβ

DNF Mort neurone

Aβ42

Tau hyperP

Tau total

LCR Parenchyme 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 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 FTDU-17: DE LA GÉNÉTIQUE AU BIOMARQUEUR

Biomarqueur dans la FTDU-17

• Fronto-temporal dementia ubiquitine +

• Maladie neurodégénérative autosomique dominante, rare

• Mutations progranuline (2006)

• Progranuline: peptide sécrété, facteur neurotrophique

• Toutes les mutations PGRN 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

Brain 2009, Finch

Sélection des patients avec indication à analyse génétique

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 et potentialisation à long terme LTP

- 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.

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-R

Dépolarisation dendrite

Retrait du Mg2+ de NMDA-R

Entrée massive Ca2+

Augmentation amplitude réponse post synapse

Ca2+

Exemple de la maladie d’Alzheimer: 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 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-temporal

Chez les “Converters” vs

“Decliners”.

IMAGERIE

Biomarqueurs d'imagerie dans les démences:

• volumétrie cérébral

• imagerie de diffusion

• Spectroscopie

• Tractographie

• Scintigraphie cérébrale

• 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 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 thérapeutique

• La compréhension physiopathologique, pour traitements futurs

Service des explorations fonctionnelles Hôpital Charles Foix

• Pr Jean Mariani

• Dr Vi-Huong Nguyen-Michel

• Sophie Schumm