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Chorée – JC Cassel La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux George Huntington, 1850-1916.

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1 Chorée – JC Cassel La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux George Huntington,

2 Chorée – JC Cassel Plan du cours INTRODUCTION Trois anecdotes Généralités Vidéo I. PHYSIOPATHOLOGIE Anatomopathologie Histologie grossière IRM Histopathologie Bases génétiques II. MODELISATION Modèles génétiques - KO - KI Modèles lésionnels - Modèles excitotoxiques - Modèle « énergétique » : 3-NP III. TRAITEMENTS DANS LES MODELES Protection / toxicité glutamate Supplémentation énergétique Facteurs neurotrophiques - CNTF - BDNF Transplantations - neurones fœtales - cellules souches

3 La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux INTRODUCTION – 3 ANECDOTES * * * * * * *

4 Chorée – JC Cassel Maladie sortie de lombre par la musique Folk (Woody Guthrie en est mort en 1967 après une très brillante et très influente carrière dans le folk ; son fils Arlo,figure influente du mouvement hippy, fait aussi carrière dans le folk ; il nest pas atteint par la maladie. 2 des 5 enfants de Woody, issus de deux mariages, le seront) Woody ( ) Arlo (1947-) Anecdote 1 : Woody Guthrie, le folk et la chorée Ici, vers 50, alors que sa santé se dégradait depuis 4 ans ; décrit comme imprévisible, erratique.

5 Chorée – JC Cassel Pat Hanly, , à 62 ans Anecdote 2 : Pat Hanly, peu avant quil ne dut cesser de peindre (problèmes moteurs) et 10 ans avant sa mort…

6 Chorée – JC Cassel Sarah Winckless, née 1973, porteuse du gène de la maladie de Huntington; 9 ème aux J.O. de Sydney en aviron (2000, 27 ans), deux de couple J.O. dAthènes (2004, 31 ans) en aviron, deux de couple, et cest… LE BRONZE ! Anecdote 3 :

7 Chorée – JC Cassel Anecdote 1-3 : que peut-on en retenir ? Que la chorée de Huntington : ne se déclare pas immédiatement chez le sujet atteint, (en fait, sa déclaration est « assez » tardive) nempêche pas une vie normale avant sa déclaration (athlète, artiste, chanteur folk très populaire…) a un support génétique, mais nest pas forcément transmise à la descendance (Woody vs. Arlo Guthrie; Woody a eu deux enfants atteints sur 5) a des conséquences sur les fonctions psychiques a des répercussions sur les fonctions motrices atteint (indifféremment?) les deux sexes

8 La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux I. PHYSIOPATHOLOGIE * * * * * * *

9 Chorée – JC Cassel I.1. Aspect général dun(e) Huntington Patiente de 29 ans, 5 ans dévolution; dystonie des doigts, marasme intellectuel et physique (décès un mois après la prise de vue) Patient de 49 ans, 8 ans dévolution, dément. Garde une certaine autonomie. Dystonie des bras. Peu de mouvements choréiques Patiente de 34 ans, mère de famille. Capable deffectuer ses tâches ménagères. 5 ans dévolution. Intelligence normale. Mvts choréiques amples.

10 Chorée – JC Cassel I.2. Définitions Athétose : Type de mouvement plutôt lent, sinueux, qui résulte de l'association de plusieurs mouvements alternatifs plus élémentaires et qualitativement diminués par rapport à la normale (mouvements grossiers, persistants, hypertoniques, diffus). Déformation tonique avec arrêt et maintien du mouvement dans une attitude dystonique. Bradykinésie : Trouble moteur résultant d'une rigidité musculaire qui se manifeste par des mouvements ralentis des doigts et la perte des mouvements fins comme ceux de l'écriture. Choréiforme : renvoie à des perturbations qui se situent au niveau des mouvements et qui se traduisent entre autres par de l'incoordination, des spasmes ou de la parésie (paralysie incomplète). Dyskinésie : Perturbation qui se situe au niveau des mouvements et qui se traduit entre autre par de l'incoordination, des spasmes ou de la parésie. Dystonie : Tonicité anormalement faible ou exagérée. Myoclonies : Contraction brève, involontaire et relativement stéréotypée qui affecte un segment de muscle Tics : Mouvement involontaire, stéréotypé, brusque, répétitif et sans but, affectant surtout le visage et dont l'inhibition volontaire n'est possible que pour une courte période.

11 Chorée – JC Cassel grec Khoreia (danse; Paracelsus, vers 1531, un alchimiste du XVI° siècle) 1692, Salem, MA : procès des sorcières par les colons. Elles sont brûlées car considérées comme possédées par le diable ! Décrite en 1872 par George Huntington (USA; publis norvégiennes 1860) En fait, Huntington la diagnostiqua pour la première fois à la pointe Est de Long Island. Il avait remarqué qu'elle « courait » dans les familles. Des travaux ultérieurs révélèrent que les cas de Long Island faisaient partie d'un arbre familial beaucoup plus vaste originaire de la Nouvelle-Angleterre. On avait détecté plus d'un millier de cas dans les douze générations de cette lignée. Tous descendaient de deux frères qui avaient émigré du Suffolk (Sud-est de lAngleterre) en 1630 (une partie au moins de ces cas étaient des « sorcières » de Salem). Maladie neurologique autosomique dominante (Chromosome 4 – 1983; gène – 1993) I.3. Chorée de Huntington : généralités (1)

12 Chorée – JC Cassel Touche les deux sexes Se manifeste en général entre 30 et 40 ans (10% = forme juvénile; 10% forme plus tardive, vers 60 ans), Sexe ratio = 1. env. 1 personne sur affectée (à peu près 6000 cas en France) env. 3 personnes sur sont porteuses du gène une fois déclarée, en général 3 phases Mouvements brusques, involontaires et saccadés qu'on appelle choréiques (danse) + troubles de léquilibre (chronologie: affectent dabord les yeux, puis la région orofaciale, puis la tête, puis le tronc, puis le bras et, finalement, survient la danse) Troubles du comportement (irritabilité) et de l'humeur, caractère dépressif (suicide), délire, hallucinations, Altération progressive des fonctions cognitives/intellectuelles, Perte d'autonomie débouchant sur une grabatisation. Fatale en 15 à 20 ans (en moyenne 17 ans) INCURABLE (à ce jour) I.3. Chorée de Huntington : généralités (2)

13 Chorée – JC Cassel La chorée définit un état de mouvements spontanés, excessifs, irrégulièrement cadencés, distribués au hasard et abruptes. Leur sévérité peut aller dune légère agitation à un flot continu de mouvements invalidants très violents, en passant par des exagérations intermittentes de gestes ou dexpressions. Il sagit donc dune maladie très handicapante sur les plans de la vie quotidienne, professionnelle et sociale. Sur le plan de la pathologie cognitive, on parle le plus souvent dune symptomatologie de type frontal (même si lésions frontales peu ou pas présentes) associant : difficulté à rappeler des souvenirs ralentissement des processus de traitement de linformation inflexibilité cognitive comportement persévératif difficultés attentionnelles difficultés à acquérir de nouvelles informations I.3. Chorée de Huntington : généralités (3)

14 Chorée – JC Cassel I.3. Chorée de Huntington : généralités (4) SEQUENCES VIDEO…

15 PUTAMEN PALLIDUM EXTERNE NOYAU SUBTHALAMIQUE SUBSTANCE NOIREPALLIDUM INTERNE THALAMUS CORTEX DA GABA GLUTAMATE + PARK AKINESIE HUNTINGTON CHOREE I.3. Chorée de Huntington : généralités (5): HUNTINGTON vs. PARKINSON

16 Chorée – JC Cassel I.4. Anatomopathologie : atrophie du noyau caudé et du putamen (1)

17 I.4. Anatomopathologie : atrophie du noyau caudé et du putamen (2)

18 Chorée – JC Cassel I.5. Post mortem : examen histologique assez grossier Sujet sain Sujet malade

19 Chorée – JC Cassel I.6. Cinq stades sur la base de critères histologiques Grade 0: pas datrophie évidente du néostriatum, pas de perte neuronale, pas daugmentation du nombre dastrocytes Grade 1: on constate une légère diminution du nombre de neurones au microscope et une augmentation de celui dastrocytes (sans atrophie néostriatale) Grade 2: même chose avec atrophie néostriatale légère Grade 3: atrophie striatale et applatissement du caudé médian et de la capsule interne Grade 4: atrophie sévère du néostriatum, caudé médian et capsule interne concaves NB: Stades 0-2, on trouve des cellules épineuses dans le striatum dont les dendrites présentent des modifications morphologiques telles que des recourbements sur elles- mêmes des extrémités et un accroissement du nombre dépines dendritiques. vs.

20 Chorée – JC Cassel I.7. Dégénérescence par apoptose : huntingtine In vitro: cellules transfectées de sorte quelles expriment une huntingtine comportant 138 séquences CAG (patient à démarrage juvénile); cette huntingtine a été couplée à la GFP (visualisation en fluo). On voit : gros trafic au niveau cytoplasmique, agrégations des protéines, concentration nucléaire et apoptose

21 Chorée – JC Cassel I.8. IRM (imagerie à résonance magnétique nucléaire): principe de lapproche (1) Méthode non invasive Reconstruction 3D dune partie du corps, dun organe ou dune partie dorgane Basée sur l'application de gradients de champ magnétique dans les trois directions de l'espace lors dune expérience de résonance magnétique (champ magnétique stable) Encodage spatial des noyaux (généralement dhydrogène, car corps = 63% H 2 O) Algorithmes 3D coupes dans tous les plans de lespace, soit 2D

22 Chorée – JC Cassel I.8. IRM : atrophie du noyau caudé et du putamen (2) Témoins, n = 22 HD, n = 44 Kassubek et al., J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 75, 213

23 Chorée – JC Cassel I.8. IRM: atrophie du noyau caudé et du putamen (3) HD vs témoins: Régions correspondant à une diminution du volume de matière grise A.Zones de diminution du signal corrrespondant à la matière grise par rapport aux témoins B.Zones datrophie par rapport aux témoins chez un individu particulier atteint de chorée C.… Kassubek et al., J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 75, 213

24 Chorée – JC Cassel Déficits moteurs légers Déficits moteurs graves Déficits cognitifs légers Déficits cognitifs graves I.8. IRM : atrophie du noyau caudé et du putamen (4) Analyse de covariance entre niveaux de déficit et signal tomographique (densité de matière grise) : échelle de gris vont de la co-variance la plus faible à la plus forte. Kassubek et al., J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 75, 213

25 Chorée – JC Cassel I.9. Histopathologie dans le caudé et le putamen: Gros interneurones (cholinergiques) Neurones épineux de petite taille Neurones lisses de taille moyenne (GABA, substance P et enképhaline) Astrocytes réactifs Afférences (dopamine, sérotonine, glutamate) Modification NON OUI NON

26 Chorée – JC Cassel Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale (dominante) (1) No. of CAG Repea ts Outcome <26Normal range; individual will not develop HD Individual will not develop HD, but the next generation is at risk Some, but not all, individuals will develop HD; next generation is also at risk >40Individual will develop HD Le gène responsa- ble de la maladie comporte une zone dans laquelle 3 bases sont répétées un cer- tain nombre de fois (cytosine, adenine, guanine), et de mani- ère excessive dans le cas de la chorée. Ce gène code pour la huntingtine, protéine (350 kDa) boostant le transport du BDNF à lintérieur des cellules nerveuses et interagissant avec dautres protéines (apoptose).

27 Chorée – JC Cassel I.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale (2) Valeur prédicitive du nombre de CAG / Symptomatologie motrice (onset) ? Dans la zone encadrée, pour un nombre de CAG compris entre 37 et 57, on trouve des déclarations de la maladie allant de 20 à un peu moins de 60 ans (par ex. 40 CAG, 37 à 70 ans). La symptomatologie motrice est-elle le meilleur indicateur de la déclaration de la chorée ?

28 Chorée – JC Cassel Valeur prédicitive du nombre de CAG / première manifestation psychiatrique sévère ? I.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale (3) La symptomatologie psychiatrique nest pas meilleur indicateur de la précocité de déclaration de la chorée par rapport au nombre de CAG? Au mieux ce type de corrélation montre-t-il quelle est une composante à part entière de la maladie. La pente plus faible pourrait sexpliquer par un biais dans létude (sujets ayant présenté des manifestations psychiatriques au moins un an avant les symptômes moteurs)

29 Chorée – JC Cassel I.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale quen est-il des homozygotes ? (4) Très rares : 1 étude portant sur 8 cas bien décrits (1 Ecos, 2 Aus, 3 Ital, 1 Cnd et 1 Fra) Comparaison / population dhétérozygotes appariée selon le nombre de CAG HomozygotesHétérozygotes Age 1ers sympt. mot.57 ans58 ans Age 1ers sympt. comp.56 ans58 ans Nombre de CAG4642 Durée avant alitement6 ans12 ans Durée avant sévère altération mentale 2 ans10 ans env. 2,5 ans > 10 ans

30 Chorée – JC Cassel En résumé : Maladie à support génétique (Chr 4, Gene IT15) Synthèse dune huntingtine comportant trop de triplets CAG Déclaration plus ou moins tardive (f n(CAG) ); en moyenne vers 35 ans Atteinte des noyaux caudé et putamen (atrophie striatale; subst. grise) Ne touche pas les neurones cholinergiques ni les afférences striatales La dégénérescence touche les neurones GABA, Subst. P et Enk Saccompagne dune prolifération astrocytaire Troubles moteurs à évolution progressive (dyskinésie, hyper puis hypo) Troubles cognitifs de type frontaux (mémoire anté- et rétrograde, ralentissement des fonctions mentales) Fatale en 15 à 20 ans

31 La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux II. MODELISATION - Modèles génétiques * * * * * * *

32 Chorée – JC Cassel II.1. Modélisation génétique : la souris KO ou KI Littéralement, on procède à une modification du génome dun animal entier (transgénique) en intervenant au stade le plus précoce de sa formation (œuf, cellule souche). KO, pour knock-out = on inactive un ou plusieurs gènes KI, pour knock-in = on introduit un ou plusieurs gènes Techniques multiples avec des rendements variables : - injection de matériel génétique dans lœuf puis croisement de chimères - transfection rétrovirale de lembryon et croisement de chimères - transfection de cellules souches embryonnaires ADN normal KO ( non transcrit) KI ( transcrit) Il nexiste pas, à létat naturel, déquivalent de la chorée chez lanimal. Note: Exon, région d1 gène codant pour une portion de protéine; 1 protéine = plusieurs exons dont 1 exon « Stop » Normal : Exon 1 - Exon2 - Exon 3 - Exon 4 Mutant: Exon 1 - Exon2 - Exon 4

33 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : la souris KO (nexprime pas la huntingtine) (1) 34% 64%2% 11% 9%80% Embryons normaux daspect Embryons atrophiés Narrivent pas à terme (non viables) Nasir et al., Cell 81, 811 NB. Aucun homozygote narrive à terme Prélèvement au hasard à différents stades de gestation

34 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : approche comportementale (2) N S W Phase 1 N S W Phase 2 J1 à J3: 4 à 6 essais / jour 16 essais en tout puis essai-test (60 sec) J4 et J5: 6 et 4 essais / jour 10 essais en tout puis essai-test (60 sec) Activité locomotrice en cage dactivité Piscine de Morris (mémoire spatiale)

35 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : approche comportementale (3) Nasir et al., Cell 81, 811 mutant Mutant (+/-) Fixité cognitive % temps Passages

36 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : approche morphologique (4) Nasir et al., Cell 81, 811 / volume du noyau subthalamique et nombre de neurones

37 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : approche morphologique (5) Noyau subthalamique Caudé-putamen +/+ +/- Atrophie Pas datrophie (due à une protéine tronquée de 20 kD) Nasir et al., Cell 81, 811 Pd. Cb. SbTh. N.

38 Chorée – JC Cassel II.2. Modélisation génétique : que nous apprennent les KO HD ? (6) que les KO HD -/- non seulement ne sont pas viables (il y a des homozygotes humains !), mais ils narrivent même pas au terme de la gestation que les KO HD +/- peuvent présenter des troubles moteurs (mais hyperactivité !) et cognitifs (flexibilité) que la délétion du gène nest pas un bon modèle (sur trois lignées de KO, seulement une a présenté un phénotype altéré, bien que dans les trois cas les KO HD -/- aient été non viables que ce nest pas la disparition simple dune fonction qui est responsable de la symptomatologie

39 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : la souris KI (exprime une huntingtine avec un nombre excessif de séquences CAG, soit 115 à 150 selon la lignée) (1) 17.7 g 21.3 g 10.1 g 19.6 g 12 semaines 7 semaines Témoin Mutant Pds cérébral < de 20% (395 vs 490 mg) Pas danomalie histologique majeure par ailleurs (cortex, hippocampe, cervelet…) Perte de poids chez patients HD (atrophie musculaire) MAIS IL Y A DAUTRES ANOMALIES ! Mangiarini et al., Cell 87, 493

40 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco. de la souris KI (2) Diminution rapide de la densité des récepteurs CB1dans le striatum et le cortex (or au niveau striatal ces récepteurs jouent un rôle dans la motricité) Weeks Naver et al., Neuroscience 122, 1049

41 Chorée – JC Cassel Principe: Incubation des coupes avec de la [ 3 H]choline – Superfusion – Collecte des fractions – Mesure de la radioactivité Oscilloscope Stimulateur Electrode de platine Coupe de tissu Chambre de superfusion Bain à 37°C Collecteur de fractions Pompe Carbogène II.3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco. de la souris KI (3) Superfusion de tranches de tissu (principe de la méthode) Vetter et al., J. Neurochem. 85, 1054

42 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco. de la souris KI (4) autoR musc. hétéroR D 2 Vetter et al., J. Neurochem. 85, 1054

43 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : phénotype comportemental de la souris KI (5) Evolution pondérale (ad lib) Natation vers une PF vis. (bassin 100 x 6 cm) Carter et al., J. Neurosci. 19, 3248

44 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : phénotype comportemental de la souris KI (6) Franchissement dune barreMaintien sur un cylindre tournant Carter et al., J. Neurosci. 19, 3248 Latence

45 Chorée – JC Cassel II.3. Modélisation génétique : phénotype comportemental de la souris KI (7) Témoin Mutant A semaines : espacement irrégulier, pas rapprochés. Locomotion DONC: Détérioration progressive et marquée des fonctions motrices (en cela le modèle semble satisfaisant) Fonctions cognitives? Il reste que les altérations neuropathologiques sont faibles (inclusions neuronales intranucléaires contenant la huntigtine; avant lapparition de celles-ci, pas de symtomatologie sévère déclarée) De telles inclusions sont également identifiées chez les patients HD On connaît des cas de HD diagnotisqués HD du point de vue des symptômes, mais sans atrophie striatale Carter et al., J. Neurosci. 19, 3248

46 Chorée – JC Cassel MODELES GENETIQUES : EN CONCLUSION La souris KO a un intérêt très limité (homologie et isomorphisme nuls) La souris KI répond davantage au principe dhomologie et disomorphisme, MAIS: dysfonctionnements, mais pas datrophie au niveau striatal (inclusions nucléaires Ctx et Str., mais aussi Cb et ME – pas chez HD) quoique altérations motrices, ni mouvements choréiques ni dystonie modèle à 44 CAG: aucun problème à quelque niveau que ce soit par ex., Goldberg et al., 1996 (94 à 150 CAG, oui !) utilisable chez la souris et seulement chez elle NUANCES: durée de vie insuffisante à lexpression de tout le phénotype régulation développementale souris Homme travail à approfondir / phénotypage comportemental et neuroanat.

47 Chorée – JC Cassel MODELES GENETIQUES : EN CONCLUSION (2) Il existe une lignée pour laquelle les caractéristiques phénotypiques semblent plus proches de la symptomatologie humaine (150 CAG) WT: Astrocytes réactifs as- sociés aux vaisseaux sanguins 2 mutants: Astrocytes réactifs présents dans le neuropile GFAP Lin et al., Hum. Mol. Gen. 10, 137 A louverture de la cageAu test de suspensionCylindre / 5 tpm > 40 semaines semaines Immobilité après ouverture (30 sec) Apparition des 1ers symptômes Susp. Queue 150/150 Susp. Queue 150/+ Empreinte (overlap) Cage (ouvert.) Masse - morphologie sem, mâles 150 CAG 80 CAG 28 sem 35 sem

48 Chorée – JC Cassel TOUTEFOIS : A lheure actuelle, ces modèles génétiques ne sont utilisables que chez les rongeurs, et même exclusivement chez la souris, Ils nous renseignent bien sur certains aspects de la maladie de Huntington et permettent – comme nous le verrons dans la dernière partie – de tester lefficacité de moyens thérapeutiques potentiels, Répercussions cognitives assez peu étudiées dans lensemble.

49 Chorée – JC Cassel La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux II. MODELISATION -Modèles lésionnels * * * * * * *

50 Chorée – JC Cassel II.4. Les pionniers : excitotoxines dans le striatum 1976 : McGeer et McGeer dun côté, de lautre Coyle et Schwartz (Nature 263) injection intrastriatale dibotenate, de glutamate ou de kainate induit des lésions qui évoquent celles propres à la HD principe: excitotoxicité. Ces acides = agonistes des récepteurs glutamater- qiques (glutamate = principal AA excitateur dans la neurotransmission) R Glu Na + Cl - Ca ++ (canaux volt) (canaux NMDA) Ca ++ Glutamate Quinolinate Kaïnate Iboténate activation [Ca ++ ] i Phospholipases Protéases Kinases Radicaux libres Mitochondries - Nécrose (et apoptose)

51 Chorée – JC Cassel II.5. Instillation unilatérale de quinolinate ( )

52 Chorée – JC Cassel En cas dinstillation bilatérale de quinolinate ou dun autre AAE INCONVENIENTS les aspects histologiques de la HD non reproduits parfaitement : atteinte des neurones de projection et interneurones (afférences préservées); pas datteinte de transmiss. GLU chez HD. déficits moteurs (mais non choréiformes) et cognitifs observés. moteurs : type hyperactivité nocturne cognitifs : type syndrome frontal (mém. anté- et rétrograde) Inject°s intraStr. incontournables : impossible de travailler sur la vulnérabilité préférentielle des neurones Str. Pas de progression dans les déficits pas deffets moteurs spontanés qui soient définitifs ou évolutifs chez le primate AVANTAGES utilisables dans nimporte quelle espèce, y compris le primate diminution de récepteurs Glu dans Str de HD = très tôt (les neurones avec R Glu sont atteints précocément)

53 Chorée – JC Cassel II.6. Altération du métabolisme énergétique : un modèle très actuel (1) In vitro, laltération du métabolisme énergétique excitotoxicité (sans modifier les concentrations extracellulaires de glutamate !) Par ex. privation dO 2 ou de Gl., ou application de toxines mitochondriales, activent indirectement les récepteurs NMDA à des concentrations physio de glutamate et provoquent une excitotoxicité (toujours prévenue par MK 801) Cercle vicieux: Atteinte dun seuil = toxicité Injections de toxines mitochondriales dans le Str: destruction des neurones GABA, pas des neurones Chol et des autres interneurones. Altération E m ? Activation NMDA Mitochondrie - [Ca ++ ] i (NB1. Excotoxicité NMDA potentialisée par des inhibiteurs mitochondriaux NB2. Les inhibiteurs mitochondriaux induisent une augmentation de la concentration de lactate dans le Str.)

54 Chorée – JC Cassel II.6. Quen est-il du métabolisme énergétique chez les HD ? (2) In vivo: réduction sévère du métabolisme du glucose dans caudé-putamen de HD (PET scan), même à un stade précoce de la maladie (pas datrophie décelable: 6 patients sur 15 à risque =, métabolisme normal partout ailleurs; Kulhl et al., 1982) RMN: concentrations accrues de lactate dans le Str. de HD Lamplitude de cet accroissement est corrélée au nombre de CAG Concentrations aussi accrues chez patients asymptomatiques HD associée à une altération mitochondriale (métabolisme énergétique) se traduisant in fine par une surproduction de lactate Post mortem: Altérations au niveau des complexes II, III et IV de la chaîne respiratoire des mitochondries Jamais daltération en I rapportée.

55 Chorée – JC Cassel II.6. Chaîne respiratoire des mitochondries (3) Localisée sur la membrane interne de la mitochondrie: production de liaisons riches en énergie par des réactions enzymatiques Cette chaîne comprend 4 complexes qui opèrent de concert (I-IV) Chaque complexe a un rôle particulier (dont le résultat est le passage de protons dans lespace intramitochondrial) Membrane externe Membrane interne HD % %

56 Chorée – JC Cassel II.6. De lanecdote au modèle… un coup de bol, peut-être ! (4) Indigofera spicata (USA, W) Astragalus genus Intoxication (bétail) Affaiblissement, incoordination des pattes postérieures évoluant vers la paralysie, perte de poids Acide 3-nitropropionique (3-NP) ou 3-nitropropionate

57 Chorée – JC Cassel II.6. De lanecdote au modèle… lhistoire ne sarrête pas là ! (5) Canne à sucre Arthrinium Q. énormes de 3-NP Env. 900 intoxications en Chine (10 à 10 h) entre symptomes gastriques, puis état comateux (plusieurs jours, parfois) 10% de mortalité une majorité avec séquelles parmi les 90 % de survivants: dystonies différées, spasmes, torsions, grimaces, convulsions. Chez la plupart, les troubles neurologiques moteurs sont définitifs. Administrée à des animaux, 3-NP induit des lésions cérébrales, préférentiellement des ganglions de la base.

58 Chorée – JC Cassel Membrane externe Membrane interne 3-NP II.6. Cible mitochondriale du 3-NP (6) Effets dune traitement aigu vs. effets dun traitement (semi-)chronique

59 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP et activité de la succinate déhydrogénase (7) 3-NP, 25 mg/kg, i.p. 3-NP, dose-réponse (inj. i.p.) 3-NP en minipompe, 12 mg/kg/jour pendant une semaine Inhibition de SDH dans tout le cerveau; lésions dans Ctx et Str. NB. Chez HD, laltération de lactivité des complexes II-III est denv. 40%. Brouillet et al., J. Neurochem. 70, 794

60 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP et mode dadministration / Rat (8) Une seule injection = toxicité Str. (si dose suffisante), mais énorme variabilité inter-individuelle + Récup. Injections subchroniques (1/jour pdt 3-10 jours, et plus) : toxicité massive au niveau striatal Infusions chroniques sous-cutanées (10-12 mg/kg/jour pendant 1 mois : toxicité plus limité et 30-40% des rats traités développent des anomalies motrices prononcées de type « Huntington-like » RMN : H 2 O Lactate 40mg/kg, i.p., 3j GFAP

61 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP et aspect des cellules épineuses moyennes / Rat (9) Normal HD Rat 3-PN CTRL 3-NP

62 II.6. Intérêt du modèle / Rat en termes histopathologiques (10) KA = kaïnate, IA = ibotenate, QA = quinolinate, NMDA = N-methyl-D- aspartate, 3-NP = 3-nitropropionate, MA = acide malonique

63 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP (semi)chronique et effets comportementaux (Borlongan et al., 1995) (11) Injection tous les 4 jours pendant 28 jours (10 mg/kg/jr), puis test 24 h après la dernière injection Evitement passif (plateforme et sol grillagé; latence de descente, choc, puis latence, choc, et ainsi de suite jusquà rester 3 minutes consécutives sur la PF) 2 pop: young (14 sem) et old (28 sem) 1.Rétention à 1 jour 2.Rétention à 7 jours (nuit) 3.Rétention à 8 jours (jour) Durée max de lessai = 3 min

64 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP (semi)chronique et effets comportementaux (Borlongan et al., 1995) (12) Test dactivité locomotrice (nocturne) 14 semaines28 semaines

65 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP chronique et effets comportementaux (Guyot et al., 1997) (13) Instillation chronique de 3-NP (minipompe osmotique; 10 mg/j pendant 1 mois) puis test: Déplacement sur planche (120x7 cm): vitesse longit. et lat., vit. Pointe, longueur du pas. Striatum dorsolatéral Déplacement sur planche Régression linéaire

66 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP: limites du modèle chez le rongeur (14) Le répertoire comportemental du Rat, même locomoteur, na pas grand-chose en commun avec celui du primate humain (par ex., pas de dyskinésie chez le Rat) Lorganisation des ganglions de la base chez le Rat nest pas franchement comparable à celle caractéristique de lHomme (ou du primate non humain) On ne peut aborder la question de latrophie progressive par des techniques dimagerie in vivo, comme cest le cas chez le singe (plus vraiment vrai) Le réalisme du modèle primate non humain apparaît meilleur sur le plan de lexpérimentation thérapeutique en termes de prédictivité, ce pour quoi la similitude des registres comportementaux est un atout intestable. GP CPu vs.

67 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP chez le primate non humain (ici des babouins) (15) NB. Apomorphine exacerbe ou provoque la symptomatologie Protocole expérimental (ago DA) Ant. Post. Principe: tranche de banane dans une boîte transparente ouverte dun seul côté seulement. Parfois le côté est en face ( _ ), parfois le singe doit faire un détour ( _ : coordination motrice fine). La réalisation du détour nécessite un système frontostriatal intact. On mesure différentes variables: succès, réponses correctes (< 1 min), heurts de la barrière et problèmes moteurs (cherche à passer du bon côté, mais sans succès) Test 1 (ORDT: object retrieval detour task ) Str. ventral intact

68 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP chez le primate non humain (16) Résonance magnétique calbindine NADPH Neurones épineux de projection de moyenne taille (GABA) Interneurones (somatostatine et neuropeptide Y) CTRL3-NP Les singes traités au 3-NP présentent des performances diminuées en termes de capacité à saisir la tranche de banane (A), de réaliser le mouvement correctement dans un délai inférieur à une minute (B: lenteur) et de faire le mouvement en lorientant correctement (C: planification = fonctions corticostriatales). Test 1 (ORDT)

69 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP chez le primate non humain (17) Test 2 : Injection dapomorphine 0.5 mg/kg Film de 40 min Dépouillement / 5 min Dyskinesie orofaciale (0,1) Dyskinesie extremités (0,1) Dystonie (0,1) Mvmts. Choréiformes (0,1) 8 intervalles de 5 min, soit un score maximal de 32 points Test 1 (ORDT) Côté ouvert en face G ou D

70 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP ou excitotoxines chez le primate ? (18) Comparaisons des effets comportementaux et morphologiques dun traitement au 3-NP et dune injection intrastriatale dacide quinolinique (Capucin, Cebus apella). Quin3-NP Résonance magnétique (3 mois après)

71 Chorée – JC Cassel Immuno. Anti NeuN (marqueur des noyaux neuronaux) II.6. 3-NP ou excitotoxines chez le primate ? (19) Quin. 3-NP ODRT Env. 300 cm 3 Env. 50 cm 3

72 Chorée – JC Cassel II.6. 3-NP ou excitotoxines chez le primate ? (20) Niveaux dactivité (indice de déplacement; arbitraire) Indice de dyskinésie (3 mois après)

73 Chorée – JC Cassel A propos du modèle 3-NP, en 2002: « Les scientifiques réfléchissent en termes de modèles, et les phénomènes auxquels ils sintéressent sont expliqués par des modèles. Cest pourquoi les modèles apparaissent comme des outils puissants dinvestigation, mais ils ne sont pas connaissance en soi. (…) Sagit-il dun modèle permettant létude des mécanismes de cytotoxicité, de la phénoménologie clinique ou des corrélats en matière de pathologie clinique? Il convient de rester vigilant et de prendre garde à ne pas glisser dun modèle basé sur une similitude des phénoménologies cliniques à des conclusions quant à une similitude des mécanismes sous-jacents. » Erwin Montgomery & Ali R. Rezai Cleveland, Ohio, USA

74 Chorée – JC Cassel A QUOI SERVENT-ILS ALORS ? Comprendre la nature du lien entre les différents phénomènes neuropathologiques qui caractérisent une maladie neurodégénérative (coïncidence ou cause à effet) Comprendre la nature des liens entre un (ou plusieurs des) aspect(s) neuropathologiques et un symptôme ou un groupe de symptômes Tester des traitements potentiellement thérapeutiques ou préventifs M ABC… M A B C ou M A B S1S1 S2S2 M A B S1S1

75 Chorée – JC Cassel La chorée de Huntington (danse de Saint-Guy) - Modèles animaux III. TRAITEMENT(S) DANS LES MODELES & [MODELES DANS LES TRAITEMENTS] * * * * * * *

76 Chorée – JC Cassel Les pistes « préventives » ou « thérapeutiques » Réduction de la toxicité glutamatergique (récepteurs NMDA) -antagonistes NMDA Supplémentation énergétique -exemple de la créatine (rat, souris) -essai clinique Supplémentation en facteurs neurotrophiques -CNTF -BDNF Substitution cellulaire - greffes de neurones fœtaux - greffes de cellules souches - essais cliniques (2 exemples, dont 1 français)

77 Chorée – JC Cassel III.1. Réduction de la toxicité glutamatergique (souris transgéniques) (1) RMN Histologie WT Pds cerv: 437 mg R6/2 Pds cerv: 344 mg (-21%) R6/2 + Q10 & Rem Pds cerv: 417 mg Observation: lesions corticales diminuent létendue dune atteinte striatale (hyp. GLU) Souris transgénique R6/2 (150 CAG) ou N171-82Q (82 CAG; onset plus tardif) Traitement Q10 (co-facteur mitochondrial) et remacemide (antagoniste NMDA) Substances administrées dans régime alimentaire à partir de lâge de 3 semaines Quen est-il sur le plan neuropathologique? (Ferrante et al., J. Neurosci. 22, 1592)

78 Chorée – JC Cassel III.1. Réduction de la toxicité glutamatergique (souris transgéniques) (2) Quen est-il sur le plan fonctionnel ? Courbes de survie 30 j 15 j R6/2 N171-82Q Poids et rotarod (16 tpm) R6/2 N171-82Q (Ferrante et al., J. Neurosci. 22, 1592)

79 Chorée – JC Cassel III.2. Supplémentation énergétique : créatine (1) Base de lexpérience : problème dans le métabolisme énergétique explique une partie de la neuropathologie et des dysfonctionnements dans HD La créatine stimule le métabolisme énergétique au niveau des cellules musculaires, mais aussi des cellules nerveuses Souris transgéniques N171-82Q (phénotype neurol. À partir de 90 jrs, mort à 135 en moyenne); à lâge de 4 semaines, régime alimentaire avec 2% de créatine Rotarod (12 tpm)Poids Env 30 j (Andreassen et al., Neurobiol. Dis 8, 479)

80 Chorée – JC Cassel III.2. Supplémentation énergétique : créatine (2) Courbe de survie env. 25 jrs Masse cérébrale N171-82Q 80 J110 J130 J N171-82Q + Créat. -5% -16% (Andreassen et al., Neurobiol. Dis 8, 479)

81 Chorée – JC Cassel III.2. Supplémentation énergétique : créatine (3) Conclusions confirmées par des approches menées à laide dautres modèles Malonate, 3 µM (rat) 3-NP (rat) (Matthews et al., J. Neurosci. 18, 156) 3-NP (rat) NADPH R6/2 (souris KI, 150 CAG) 42 j63 j 90 j 90 j + Créat.

82 Chorée – JC Cassel III.2. Supplémentation énergétique : créatine (4: chez lHomme) Population de 20 HD (11 femmes et 9 hommes) Mesure de composés dans cortex pariéto-occipital avant et après 8-10 semaines dadministration de créatine ; mesures par spectroscopie à RM protonique Bender et al., J. Neurol. 252, 36 Population Mesures (Glu + glutamine/créatine) Avant Après

83 Chorée – JC Cassel III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques (1) Lésions striatales au quinolinate et mesures de lactivité neurotrophique (CNTF) (Facteur neurotrophique ciliaire) Administrer du CNTF dans des modèles de HD (Haas et al., J. Anat. 204, 271)

84 Chorée – JC Cassel III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF vs. autres NT (2) Lésions striatales au quinolinate 3-4 jours après début dinstillations chroniques de 5 facteurs trophiques différents (pendant jours, puis sacrifices) Au plan neuropathologique. Histologie Ax1 = forme humaine de CNTF Comptages Anderson et al., PNAS 93, 7346

85 Chorée – JC Cassel Quen est-il sur le plan fonctionnel ? Approche: lésion unilatérale du striatum (quinalinate), puis évaluation fonctionnelle à laide du modèle dUngerstedt (1971) / Parkinson III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (3). Str. G Str. D Intacts = pas de biais rotatoire (avec ou sans drogue) DA Str. G Str. D DA Rotation du côté le moins stimulé, puis atténuation et dis- parition Str. G Str. D DA Amphétamine Str. G Str. D DA Apomorphine Str. G Str. D DA HD – Lésion unilélatérale Approche fonctionnelle Str. D DA Apomorphine

86 Chorée – JC Cassel III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (4). Encapsulation de cellules produisant du CNTF humain Implantation des capsules dans un ventricule latéral 12 jours avant quinolinate Survie post-implantation de 70 jrs (tests fonctionnels) Capsule + cellules CNTFRotation (ipsi / apomorphine)ChAT GABA NADPH Emerich et al., J. Neurosci. 16, 5168

87 Chorée – JC Cassel III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (5). Approche fonctionnelle (modèle QA + cellules encapsulées dans VL) Emerich et al., Cell Transplant. 6, 249 Lésions SurviePoids Activité (16 h) Piscine de Morris Rotarod (rats entraînés avant). Puis séances en accélération progressive: 5-5, 5-20, 5-30, etc On note la vitesse au mo- ment de la chute

88 Chorée – JC Cassel III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (6). Et ça fonctionne chez le singe ! -implantations de capsule secrétant CNTH humain puis lésions QA unilatérale (3 singes, macaque fascicularis) Emerich et al., Nature 386, 395 ChAT Etendue de la lésion Morphologie / Histologie NB. Une approche similaire a été menée chez lHomme (1 ers résultats publiés en 2004)

89 Chorée – JC Cassel III.3. Autres facteurs neurotrophiques ? (7) Oui! NGF (neur. Chol.), GDNF, TGF, bFGF et BDNF. Par ex. souris KO BDNF (et KI CAG) Rotarod Canals et al., J. Neurosci. 24, 7727

90 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / 3-NP (1) Rats adultes, 3-NP ts les 4 jrs/pdt 28 jrs Greffe intrastriatale de blocs déminence striatale de cerveaux fœtaux (1/3) Greffes bilatérales Evaluation de lactivité locomotrice pré- et post-3-NP, puis post-greffe (3 mois après) Inter-groupe Intra-groupe Avant et après 3-NP

91 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules souches humaines (2) Utilisation de la patte controlatérale Lésion striatum D avec quinolinate, puis greffes de cellules souches humaines préalablement traitées ou non avec du CNTF (Ctx fœtal humain) Volume striatal McBride et al., J. Comp. Neurol. 475, 211 / Q

92 Chorée – JC Cassel Lee et al., Neurosci. Res. 52, 243 Biais rotatoire (apomorphine) III.4. Greffes de cellules souches humaines / Q (3) Lésion quinolinate unilatérale + injection i.v. de cellules souches (tissu cérébral embryonnaire) Morphologie

93 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules souches humaines / 3-NP (4) Histologie Rotarod Ryu et al., Neurobiol. Dis. 16, 68 Traitement 3-NP pendant 3 jours consécutifs Greffes avant (proactive) ou après (post-trans) Evaluations comp. / rotarod (16 tpm) Histo: NeuN, Calbindine, GAD, NADPH Neurones GABA Somato & NPY

94 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (5) Plusieurs tentatives depuis 1992, par ex. Cuba ( (Madrazo et al., Neurol. Res. 17, 312) Etude française: 1ers résultats en 2004 (greffes de cellules fœtales, éminence ganglionnaire en petits blocs puis approche métabolique en IRM) / 5 patients greffés ; immuno-suppression pendant 18 mois ; les greffes sont faites en 2 temps (dabord à droite, puis, 1 an plus tard, à gauche). Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

95 Chorée – JC Cassel Zones dhypométabolisme III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (6) 3 patients avec amélioration légère à nette Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

96 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (7) 2 patients avec aggravation Zones dhypométabolisme Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

97 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (8) Images métaboliques superposées aux images IRM Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

98 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (9) Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

99 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (10) Au plan moteur : UHDRS (mouvements des yeux, hyperkinesie and dyskinesie, démarche, tonus musculaire, et autres tests de mouvements, dont choréiques) UDDRS: score 25, atteinte moyenne Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975

100 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (11) Une autre approche (Californie, USA) chez 3 patients HD 5 à 8 donneurs / patient (dissection de léminence ganglionnaire « émincée » en fragments d1 mm 3 (au moins 85% de viabilité cellulaire avant greffe) IRM Avant+ 1 jour+ 12 mois

101 Chorée – JC Cassel III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez lHomme (12) Quen est-il du point de vue fonctionnel (UHDRS) ? Pre 6 mo12 mo Mais, bénéfice plus limité sur le plan neuropsychologique

102 Chorée – JC Cassel QUE DIRE DE TOUS CES MODELES : 3 CRITERES ? Homologie: identité de causalité Seuls les modèles KI sen approchent (les lésionnels en sont loin) Isomorphisme: traduction symptomatique similaire Modèles KI et lésionnels sen approchent (problème des mouvements choréiformes et des registres comportementaux différents, de même que de lexpression différée des symptômes) Prédictivité: si ça marche dans le modèle, ça marche chez lHomme Modèles KI et lésionnels ont une certaine valeur en matière de prédictivité (et cest peut-être là le principal avantage des modèles KI et lésionnels)

103 Chorée – JC Cassel ET DUN POINT DE VUE THERAPEUTIQUE : Les modèles ont permis des progrès conceptuels considérables (il y a eu plus de progrès entre 2000 et 2005, quentre 1872 et 2000) Les modèles ont aussi débouché sur des essais thérapeutiques (NMDA, énergie, facteurs trophiques et greffes) On manque toutefois de recul, et les interventions chez lHomme ne sont pas toujours accompagnées des témoins adéquats (par ex. cellules greffées, facteurs trophiques ou intervention chir.?) Les traitements sont plus efficaces dans les modèles quen clinique (modèles lésionnels: atténuation; chez lHomme, dans la majorité des cas, la progression est stoppée ou seulement freinée) Toutefois : le succès dun traitement potentiel dans au moins deux modèles de la maladie est une étape sine qua none vers une application à lHomme

104 Chorée – JC Cassel RESUME - CONCLUSION Les dates : 1692: Procès des sorcières de Salem 1872: Description systématique par Huntington 1983: Chromosome responsable 1993: Gène responsable Les modèles : Acides aminés excitateurs (quinolinate) Acide 3-nitropropionique Knock-out (abandonné) et Knock-in ( nombre de CAG) Les « remèdes » potentiels : Supplémentation énergétique (testée chez lHomme) Protection par action sur NMDA (testée chez lHomme) Facteurs neurotrophiques (testée chez lHomme, CNTF) Substitution cellulaire (testée chez lHomme)


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