Biomarker research in the early stages of Parkinson's disease for the diagnosis and understanding of pathophysiological mechanisms : A translational study from animals to humans
Recherche de biomarqueur des phases précoces de la maladie de Parkinson pour le diagnostic et la compréhension des mécanismes physiopathologiques : Etude translationnelle de l'animal à l'homme
Résumé
Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNC). Despite considerable progress in the treatments offered to patients, this disease currently remains incurable. The two main factors that explain this therapeutic failure are: i) an incomplete understanding of the pathophysiology of PD, and ii) its late diagnosis.Indeed, the diagnosis is based on the evaluation of characteristic motor symptoms of the disease which appear when the neurodegenerative process is already very advanced (50-60% of the neurons of the SNC are already dead). However, it has been shown that PD patients can also present neuropsychiatric disorders that appear before the motor symptoms and even in the early stages of the disease.Interestingly, alterations in brain metabolism, but also in blood metabolism, have been identified in PD patients, and in patients with similar neuropsychiatric symptoms to those observed in PD patients. To date, no metabolic study has specifically addressed neuropsychiatric disorders and PD in conjunction. The comparison of the metabolic profile at different stages of the disease, and in particular in the early phases, could not only serve as a diagnostic tool, but also allow the identification of relevant targets for the development of therapeutic strategies.In this context, the objective of this doctoral work was to study the metabolic alterations associated with the different phases of the disease, and particularly the early phases. The originality of this study relies on the use of samples from several animal models but also from patients. Thus, we conducted nuclear magnetic resonance (NMR) metabolomics studies on serum samples from the 6-OHDA rat, the alpha-synuclein rat and the MPTP non-human primate models, mimicking different stages of the disease, as well as on blood samples from 3 cohorts of newly diagnosed patients. We also analyzed striatum samples from 6-OHDA rats.The comparison of metabolic deregulations observed in animals and humans in serum allowed us to develop a biomarker able to separate newly diagnosed patients from controls with a high degree of reliability. Similarly, we showed that our biomarker clearly separated animals mimicking early phases from animals mimicking later phases, suggesting that it could be used for an early diagnosis of PD.Moreover, some of dysregulations that we have observed at the blood level were also found at the brain level. This allowed us to make mechanistic hypotheses regarding the pathophysiology of PD.In particular, alterations associated with pyruvate metabolism have attracted our attention, given its involvement in energy metabolism which is strongly impacted in the disease. These led us to formulate the hypothesis that pyruvate would no longer be used as a preferential energy source within the cell, possibly due to a blockage at the level of entry into the mitochondria. To test this hypothesis, we blocked in normal rats the mitochondrial pyruvate transporter (MPC), which is the sole point of entry of pyruvate into the mitochondrial matrix and plays a crucial role in energy metabolism. Thus, we were able to demonstrate that blocking MPC leads to a redirection of cellular energy production to other sources such as lipids and amino acids. This redirection was accompanied by an attenuation of cellular and behavioral damage in the 6-OHDA rat, thus highlighting the neuroprotective capacities of MPC blockade in PD.Thus, this work contributed to a better understanding of PD and to detect it earlier in order to be able, in the longer term, to propose new therapeutic strategy with curative aims.
La maladie de Parkinson (MP) est une pathologie neurodégénérative caractérisée par la perte progressive des neurones dopaminergiques de la substantia nigra pars compacta (SNc). Malgré une avancée considérable des traitements proposés aux patients, la MP reste à ce jour toujours incurable. Les deux principaux facteurs qui expliquent cet échec thérapeutique sont : i) une compréhension incomplète de la physiopathologie de la MP, et ii) son diagnostic tardif.En effet, celui-ci est basé sur l’évaluation de symptômes moteurs caractéristiques de la maladie qui apparaissent alors que le processus neurodégénératif est déjà très avancé (50-60% des neurones de la SNc sont déjà morts). Pourtant, il a été montré que les patients atteints de la MP peuvent également présenter des troubles neuropsychiatriques qui apparaissent avant les symptômes moteurs et même dès les phases précoces de la maladie.De manière intéressante, des altérations du métabolisme cérébral, mais également du métabolisme sanguin, ont été identifiées chez des patients atteints de la MP, et chez des patients présentant des symptômes neuropsychiatriques semblables à ceux observés chez les patients parkinsoniens. A ce jour, aucune étude métabolique ne s’est intéressée spécifiquement aux troubles neuropsychiatriques et à la MP de façon conjointe. La comparaison du profil métabolique à différents stades de la pathologie, et notamment dès les phases précoces, pourrait non seulement servir d’outil diagnostic, mais également permettre d’identifier des cibles pertinentes pour le développement de stratégies thérapeutiques.Dans ce contexte, l’objectif de ma thèse a été d’étudier les altérations du métabolisme associées aux différentes phases de la maladie, et notamment aux phases précoces. L’originalité de cette étude repose sur l’utilisation d’échantillons provenant de plusieurs modèles animaux mais également de patients. Ainsi, nous avons conduit des études de métabolomique par résonance magnétique nucléaire (RMN) sur des échantillons de sérum provenant des modèles de rat 6-OHDA, rat alpha-synucléine et de primate non-humain MPTP, mimant différents stades de la maladie, ainsi qu’à partir d’échantillons sanguins provenant de 3 cohortes de patients nouvellement diagnostiqués.La comparaison des dérégulations métaboliques observées chez l’animal et chez l’humain dans le sérum nous a permis de développer un biomarqueur capable de séparer les patients nouvellement diagnostiqués des contrôles avec une grande fiabilité. De même, nous avons montré que notre biomarqueur permettait de clairement séparer les animaux mimant les phases précoces des animaux mimant les phases plus tardives, suggérant ainsi qu’il pourrait être utilisé pour un diagnostic très précoce de la MP.Des dérégulations communes au niveau sanguin et cérébral nous ont permis d’émettre des hypothèses mécanistiques quant à la physiopathologie de la MP.Notamment, des altérations associées au métabolisme du pyruvate ont particulièrement retenu notre attention, compte tenu de son implication dans le métabolisme énergétique qui est fortement impacté dans la maladie. Celles-ci nous ont conduit à formuler l’hypothèse que le pyruvate ne serait plus utilisé comme source énergétique préférentielle au sein de la cellule, possiblement à cause d’un blocage au niveau de l’entrée dans la mitochondrie. Pour tester cette hypothèse, nous avons bloqué chez des rats normaux le transporteur mitochondrial du pyruvate (MPC), qui est le seul point d'entrée du pyruvate dans la matrice mitochondriale et joue un rôle crucial dans le métabolisme énergétique. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence que le blocage du MPC entraîne une redirection de la production d'énergie cellulaire au profit d’autres sources comme les lipides et les acides aminés. Cette redirection s’accompagnait d’une atténuation des atteintes cellulaire et comportementale chez le rat 6-OHDA, mettant ainsi en lumière les capacités neuroprotectrices du blocage du MPC pour la MP.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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