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

Plan du cours 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 INTRODUCTION Trois anecdotes Généralités Vidéo I. PHYSIOPATHOLOGIE Anatomopathologie Histologie grossière IRM Histopathologie Bases génétiques II. MODELISATION Modèles génétiques - KO - KI Chorée – JC Cassel

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

Anecdote 1 : Woody Guthrie, le folk et la chorée Maladie sortie de l’ombre 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 n’est pas atteint par la maladie. 2 des 5 enfants de Woody, issus de deux mariages, le seront) Arlo (1947-) Ici, vers 50, alors que sa santé se dégradait depuis 4 ans ; décrit comme imprévisible, erratique. Woody (1912-1967) Chorée – JC Cassel

Anecdote 2 : Pat Hanly, peu avant qu’il ne dut cesser de peindre (problèmes moteurs) et 10 ans avant sa mort… Pat Hanly, 1932-2004, à 62 ans Chorée – JC Cassel

Anecdote 3 : 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. d’Athènes (2004, 31 ans) en aviron, deux de couple, et c’est… LE BRONZE ! 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) n’empêche pas une vie normale avant sa déclaration (athlète, artiste, chanteur folk très populaire…) a un support génétique, mais n’est 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 Chorée – JC Cassel

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

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

I.3. Chorée de Huntington : généralités (1) 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 l’Angleterre) en 1630 (une partie au moins de ces cas étaient des « sorcières » de Salem). Maladie neurologique autosomique dominante (Chromosome 4 – 1983; gène – 1993) Chorée – JC Cassel

I.3. Chorée de Huntington : généralités (2) 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 10000 affectée (à peu près 6000 cas en France) env. 3 personnes sur 10000 sont porteuses du gène une fois déclarée, en général 3 phases Mouvements brusques, involontaires et saccadés qu'on appelle choréiques (danse) + troubles de l’équilibre (chronologie: affectent d’abord 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) Chorée – JC Cassel

I.3. Chorée de Huntington : généralités (3) La chorée définit un état de mouvements spontanés, excessifs, irrégulièrement cadencés, distribués au hasard et abruptes. Leur sévérité peut aller d’une légère agitation à un flot continu de mouvements invalidants très violents, en passant par des exagérations intermittentes de gestes ou d’expressions. Il s’agit donc d’une 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 d’une symptomatologie de type frontal (même si lésions frontales peu ou pas présentes) associant : difficulté à rappeler des souvenirs ralentissement des processus de traitement de l’information inflexibilité cognitive comportement persévératif difficultés attentionnelles difficultés à acquérir de nouvelles informations Chorée – JC Cassel

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

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

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

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

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

I.6. Cinq stades sur la base de critères histologiques Grade 0: pas d’atrophie évidente du néostriatum, pas de perte neuronale, pas d’augmentation du nombre d’astrocytes Grade 1: on constate une légère diminution du nombre de neurones au microscope et une augmentation de celui d’astrocytes (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 d’épines dendritiques. vs. Chorée – JC Cassel

I.7. Dégénérescence par apoptose : huntingtine In vitro: cellules transfectées de sorte qu’elles 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 http://www.science.mcmaster.ca/biochem/faculty/truant/hunt.html Chorée – JC Cassel

Algorithmes  3D  coupes dans tous les plans de l’espace, soit 2D I.8. IRM (imagerie à résonance magnétique nucléaire): principe de l’approche (1) Méthode non invasive Reconstruction 3D d’une partie du corps, d’un organe ou d’une partie d’organe Basée sur l'application de gradients de champ magnétique dans les trois directions de l'espace lors d’une expérience de résonance magnétique (champ magnétique stable) Encodage spatial des noyaux (généralement d’hydrogène, car corps = 63% H2O) Algorithmes  3D  coupes dans tous les plans de l’espace, soit 2D 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 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 Zones de diminution du signal corrrespondant à la matière grise par rapport aux témoins Zones d’atrophie par rapport aux témoins chez un individu particulier atteint de chorée … Kassubek et al., J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 75, 213 Chorée – JC Cassel

I.8. IRM : atrophie du noyau caudé et du putamen (4) Déficits moteurs légers Déficits moteurs graves 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. Déficits cognitifs légers Déficits cognitifs graves Kassubek et al., J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 75, 213 Chorée – JC Cassel

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

1.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale (dominante) (1) No. of CAG Repeats Outcome <26 Normal range; individual will not develop HD 27-35 Individual will not develop HD, but the next generation is at risk 36-39 Some, but not all, individuals will develop HD; next generation is also at risk >40 Individual 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 l’intérieur des cellules nerveuses et interagissant avec d’autres protéines (apoptose). 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 ? Chorée – JC Cassel

I.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale (3) Valeur prédicitive du nombre de CAG / première manifestation psychiatrique sévère ? La symptomatologie psychiatrique n’est 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 qu’elle est une composante à part entière de la maladie. La pente plus faible pourrait s’expliquer par un biais dans l’étude (sujets ayant présenté des manifestations psychiatriques au moins un an avant les symptômes moteurs) Chorée – JC Cassel

Homozygotes Hétérozygotes Age 1ers sympt. mot. 57 ans 58 ans I.10. Chorée de Huntington : maladie génétique autosomale qu’en 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 d’hétérozygotes appariée selon le nombre de CAG Homozygotes Hétérozygotes Age 1ers sympt. mot. 57 ans 58 ans Age 1ers sympt. comp. 56 ans 58 ans Nombre de CAG 46 42 Durée avant alitement 6 ans 12 ans Durée avant sévère altération mentale 2 ans 10 ans ≠ env. 2,5 ans ≠ > 10 ans Chorée – JC Cassel

Maladie à support génétique (Chr 4, Gene IT15) En résumé : Maladie à support génétique (Chr 4, Gene IT15) Synthèse d’une huntingtine comportant trop de triplets CAG Déclaration plus ou moins tardive (fn(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 S’accompagne d’une 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 Chorée – JC Cassel

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

II.1. Modélisation génétique : la souris KO ou KI Il n’existe pas, à l’état naturel, d’équivalent de la chorée chez l’animal. Littéralement, on procède à une modification du génome d’un 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 l’œuf puis croisement de chimères - transfection rétrovirale de l’embryon et croisement de chimères - transfection de cellules souches embryonnaires ADN normal KO ( non transcrit) KI ( transcrit) Note: Exon, région d’1 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 Chorée – JC Cassel

Embryons normaux d’aspect II.2. Modélisation génétique : la souris KO (n’exprime pas la huntingtine) (1) NB. Aucun homozygote n’arrive à terme Embryons normaux d’aspect Prélèvement au hasard à différents stades de gestation Embryons atrophiés 34% 64% 2% N’arrivent pas à terme (non viables) 11% 9% 80% Nasir et al., Cell 81, 811 Chorée – JC Cassel

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

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

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

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

II.2. Modélisation génétique : que nous apprennent les KOHD ? (6) que les KOHD -/- non seulement ne sont pas viables (il y a des homozygotes humains !), mais ils n’arrivent même pas au terme de la gestation que les KOHD +/- peuvent présenter des troubles moteurs (mais hyperactivité !) et cognitifs (flexibilité) que la délétion du gène n’est pas un bon modèle (sur trois lignées de KO, seulement une a présenté un phénotype altéré, bien que dans les trois cas les KOHD-/- aient été non viables que ce n’est pas la disparition simple d’une fonction qui est responsable de la symptomatologie 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) Témoin Mutant 17.7 g 21.3 g 12 semaines 10.1 g 19.6 g 7 semaines Pds cérébral < de 20% (395 vs 490 mg) Pas d’anomalie histologique majeure par ailleurs (cortex, hippocampe, cervelet…) Perte de poids chez patients HD (atrophie musculaire) MAIS IL Y A D’AUTRES ANOMALIES ! Mangiarini et al., Cell 87, 493 Chorée – JC Cassel

II. 3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco 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 Chorée – JC Cassel

Superfusion de tranches de tissu (principe de la méthode) II.3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco. de la souris KI (3) Superfusion de tranches de tissu (principe de la méthode) Principe: Incubation des coupes avec de la [3H]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 Vetter et al., J. Neurochem. 85, 1054 Chorée – JC Cassel

II. 3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco II.3. Modélisation génétique : phénotype neuropharmaco. de la souris KI (4) autoR musc. hétéroR D2 Vetter et al., J. Neurochem. 85, 1054 Chorée – JC Cassel

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

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

De telles inclusions sont également identifiées chez les patients HD II.3. Modélisation génétique : phénotype comportemental de la souris KI (7) 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 l’apparition 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 Locomotion Témoin Mutant A 13-14 semaines : espacement irrégulier, pas rapprochés. Carter et al., J. Neurosci. 19, 3248 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 d’homologie et d’isomorphisme, MAIS: dysfonctionnements, mais pas d’atrophie 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 l’expression de tout le phénotype régulation développementale souris ≠ Homme travail à approfondir / phénotypage comportemental et neuroanat. 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) Masse - morphologie 25-30 sem, mâles 150 CAG 80 CAG 28 sem 35 sem A l’ouverture de la cage Au test de suspension Cylindre / 5 tpm > 40 semaines 15-40 semaines Immobilité après ouverture (30 sec) WT: Astrocytes réactifs as-sociés aux vaisseaux sanguins 2 mutants: Astrocytes réactifs présents dans le neuropile GFAP Apparition des 1ers symptômes Susp. Queue 150/150 Susp. Queue 150/+ Empreinte (overlap) Cage (ouvert.) Lin et al., Hum. Mol. Gen. 10, 137 Chorée – JC Cassel

TOUTEFOIS : A l’heure 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 l’efficacité de moyens thérapeutiques potentiels, Répercussions cognitives assez peu étudiées dans l’ensemble. Chorée – JC Cassel

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

II.4. Les pionniers : excitotoxines dans le striatum 1976 : McGeer et McGeer d’un côté, de l’autre Coyle et Schwartz (Nature 263) injection intrastriatale d’ibotenate, 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) RGlu Na+ Cl- Ca++ (canaux volt) (canaux NMDA) Glutamate Quinolinate Kaïnate Iboténate activation [Ca++ ]i Phospholipases Protéases Kinases Radicaux libres Mitochondries - Nécrose (et apoptose) Chorée – JC Cassel

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

En cas d’instillation bilatérale de quinolinate ou d’un autre AAE INCONVENIENTS les aspects histologiques de la HD non reproduits parfaitement : atteinte des neurones de projection et interneurones (afférences préservées); pas d’atteinte 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 d’effets moteurs spontanés qui soient définitifs ou évolutifs chez le primate AVANTAGES utilisables dans n’importe quelle espèce, y compris le primate diminution de récepteurs Glu dans Str de HD = très tôt (les neurones avec RGlu sont atteints précocément) Chorée – JC Cassel

II.6. Altération du métabolisme énergétique : un modèle très actuel (1) In vitro, l’altération du métabolisme énergétique  excitotoxicité (sans modifier les concentrations extracellulaires de glutamate !) Par ex. privation d’O2 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 d’un seuil = toxicité Injections de toxines mitochondriales dans le Str: destruction des neurones GABA, pas des neurones Chol et des autres interneurones. Altération Em ? 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.) Chorée – JC Cassel

II.6. Qu’en 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 d’atrophie 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 L’amplitude 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 d’altération en I rapportée. Chorée – JC Cassel

HD 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 l’espace intramitochondrial)                                                                                                                                                                 Membrane externe Membrane interne - 32-38 % - 53-59 % HD Chorée – JC Cassel

Acide 3-nitropropionique (3-NP) II.6. De l’anecdote 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 Chorée – JC Cassel

II.6. De l’anecdote au modèle… l’histoire ne s’arrête pas là ! (5) Canne à sucre Arthrinium Q. énormes de 3-NP Env. 900 intoxications en Chine (10’ à 10 h) entre 1972-1989 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. Chorée – JC Cassel

3-NP II.6. Cible mitochondriale du 3-NP (6) Membrane externe Membrane interne Effets d’une traitement aigu vs. effets d’un traitement (semi-)chronique Chorée – JC Cassel

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

II.6. 3-NP et mode d’administration / 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 : H2O Lactate 40mg/kg, i.p., 3j GFAP Chorée – JC Cassel

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

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

Rétention à 7 jours (nuit) Rétention à 8 jours (jour) 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 jusqu’à rester 3 minutes consécutives sur la PF) 2 pop: young (14 sem) et old (28 sem) Rétention à 1 jour Rétention à 7 jours (nuit) Rétention à 8 jours (jour) Durée max de l’essai = 3 min Chorée – JC Cassel

II. 6. 3-NP (semi)chronique et effets comportementaux (Borlongan et al Test d’activité locomotrice (nocturne) 14 semaines 28 semaines Chorée – JC Cassel

II. 6. 3-NP chronique et effets comportementaux (Guyot et al 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 Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP: limites du modèle chez le rongeur (14) Le répertoire comportemental du Rat, même locomoteur, n’a pas grand-chose en commun avec celui du primate humain (par ex., pas de dyskinésie chez le Rat) L’organisation des ganglions de la base chez le Rat n‘est pas franchement comparable à celle caractéristique de l’Homme (ou du primate non humain) On ne peut aborder la question de l’atrophie progressive par des techniques d’imagerie in vivo, comme c’est le cas chez le singe (plus vraiment vrai) Le réalisme du modèle primate non humain apparaît meilleur sur le plan de l’expérimentation thérapeutique en termes de prédictivité, ce pour quoi la similitude des registres comportementaux est un atout intestable. CPu vs. GP Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP chez le primate non humain (ici des babouins) (15) Protocole expérimental (ago DA) Ant.                                        Str. ventral intact NB. Apomorphine exacerbe ou provoque la symptomatologie Test 1 (ORDT: object retrieval detour task ) Post. Principe: tranche de banane dans une boîte transparente ouverte d’un 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) Str. ventral intact Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP chez le primate non humain (16) Résonance magnétique Test 1 (ORDT) CTRL 3-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 l’orientant correctement (C: planification = fonctions corticostriatales). calbindine NADPH Neurones épineux de projection de moyenne taille (GABA) Interneurones (somatostatine et neuropeptide Y) Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP chez le primate non humain (17) Test 1 (ORDT) Côté ouvert en face G ou D Test 2 : Injection d’apomorphine 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 Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP ou excitotoxines chez le primate ? (18) Comparaisons des effets comportementaux et morphologiques d’un traitement au 3-NP et d’une injection intrastriatale d’acide quinolinique (Capucin, Cebus apella).                                                                                                                                                                       Quin 3-NP Résonance magnétique (3 mois après) Chorée – JC Cassel

II.6. 3-NP ou excitotoxines chez le primate ? (19) Immuno. Anti NeuN (marqueur des noyaux neuronaux) Quin. 3-NP Env. 50 cm3 Env. 300 cm3 ODRT Chorée – JC Cassel

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

A propos du modèle 3-NP, en 2002: « Les scientifiques réfléchissent en termes de modèles, et les phénomènes auxquels ils s’intéressent sont expliqués par des modèles. C’est pourquoi les modèles apparaissent comme des outils puissants d’investigation, mais ils ne sont pas connaissance en soi. (…) S’agit-il d’un modèle permettant l’étude 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 d’un 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 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 A M A B C… ou M B C M A S1 M A ou S1 B S2 B Chorée – JC Cassel

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

III.1. Réduction de la toxicité glutamatergique (souris transgéniques) (1) Observation: lesions corticales diminuent l’étendue d’une 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 l’âge de 3 semaines Qu’en est-il sur le plan neuropathologique? Histologie WT Pds cerv: 437 mg R6/2 Pds cerv: 344 mg (-21%) R6/2 + Q10 & Rem Pds cerv: 417 mg RMN (Ferrante et al., J. Neurosci. 22, 1592) Chorée – JC Cassel

Qu’en est-il sur le plan fonctionnel ? III.1. Réduction de la toxicité glutamatergique (souris transgéniques) (2) Qu’en 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) Chorée – JC Cassel

III.2. Supplémentation énergétique : créatine (1) Base de l’expérience : 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 l’âge de 4 semaines, régime alimentaire avec 2% de créatine Poids Rotarod (12 tpm) Env 30 j (Andreassen et al., Neurobiol. Dis 8, 479) Chorée – JC Cassel

III.2. Supplémentation énergétique : créatine (2) Courbe de survie env. 25 jrs Masse cérébrale -16% -5% N171-82Q 80 J 110 J 130 J N171-82Q + Créat. (Andreassen et al., Neurobiol. Dis 8, 479) 130 J Chorée – JC Cassel

III.2. Supplémentation énergétique : créatine (3) Conclusions confirmées par des approches menées à l’aide d’autres modèles Malonate, 3 µM (rat) 3-NP (rat) R6/2 (souris KI, 150 CAG) 3-NP (rat) 42 j 63 j 90 j 90 j + Créat. NADPH (Matthews et al., J. Neurosci. 18, 156) Chorée – JC Cassel

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

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

III. 3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF vs III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF vs. autres NT (2) Lésions striatales au quinolinate 3-4 jours après début d’instillations chroniques de 5 facteurs trophiques différents (pendant 12-13 jours, puis sacrifices) Au plan neuropathologique. Histologie Ax1 = forme humaine de CNTF Comptages Anderson et al., PNAS 93, 7346 Chorée – JC Cassel

III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (3). Qu’en est-il sur le plan fonctionnel ? Approche: lésion unilatérale du striatum (quinalinate), puis évaluation fonctionnelle à l‘aide du modèle d’Ungerstedt (1971) / Parkinson Str. G Str. D Intacts = pas de biais rotatoire (avec ou sans drogue) DA Str. G Str. D DA HD – Lésion unilélatérale Approche fonctionnelle Apomorphine 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 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 CNTF ChAT Rotation (ipsi / apomorphine) NADPH GABA Emerich et al., J. Neurosci. 16, 5168 Chorée – JC Cassel

III.3. Supplémentation en facteurs neurotrophiques : CNTF (5). Approche fonctionnelle (modèle QA + cellules encapsulées dans VL) Lésions Activité (16 h) 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 Survie Poids Piscine de Morris Emerich et al., Cell Transplant. 6, 249 Chorée – JC Cassel

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

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

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

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

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

III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez l’Homme (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 (d’abord à droite, puis, 1 an plus tard, à gauche). Gaura et al., Brain 127, 65; Bachou-Lévi et al., Lancet 356, 1975 Chorée – JC Cassel

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

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

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

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

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

III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez l’Homme (11) Une autre approche (Californie, USA) chez 3 patients HD 5 à 8 donneurs / patient (dissection de l’éminence ganglionnaire « émincée » en fragments d’1 mm3 (au moins 85% de viabilité cellulaire avant greffe) IRM Avant + 1 jour + 12 mois Chorée – JC Cassel

III.4. Greffes de cellules nerveuses fœtales / chez l’Homme (12) Qu’en est-il du point de vue fonctionnel (UHDRS) ? 10 20 30 40 Pre 6 mo 12 mo Mais, bénéfice plus limité sur le plan neuropsychologique Chorée – JC Cassel

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

ET D’UN POINT DE VUE THERAPEUTIQUE : Les modèles ont permis des progrès conceptuels considérables (il y a eu plus de progrès entre 2000 et 2005, qu’entre 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 l’Homme 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 qu’en clinique (modèles lésionnels: atténuation; chez l’Homme, dans la majorité des cas, la progression est stoppée ou seulement freinée) Toutefois : le succès d’un traitement potentiel dans au moins deux modèles de la maladie est une étape sine qua none vers une application à l’Homme Chorée – JC Cassel

1692: Procès des sorcières de Salem 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 l’Homme) Protection par action sur NMDA (testée chez l’Homme) Facteurs neurotrophiques (testée chez l’Homme, CNTF) Substitution cellulaire (testée chez l’Homme) Chorée – JC Cassel