Modèle de souris TDP-43 de la sclérose latérale amyotrophique (SLA)

Dans ce modèle, le transgène TDP-43ΔNLS humain est sous le contrôle du promoteur de la chaîne lourde des neurofilaments (NEFH) (Walker, 2015). En tant que tel, l'expression est observée dans les neurones de l'ensemble du système nerveux central (SNC).

Comme on peut le voir sur cette image de microscopie, il existe une hétérogénéité dans l'expression des niveaux de TDP-43 humaine dans les neurones de différentes régions du cerveau (par exemple, cortex cérébral vs. caudé-putamen). À titre de référence, une illustration avec les étiquettes de l'atlas pour ce niveau du cerveau est fournie ci-dessous.

Ce modèle de souris a été spécifiquement conçu pour développer des agrégats de TDP-43 dans le cytoplasme. Le signal de localisation nucléaire (NLS) du TDP-43 humain est défectueux (Igaz, 2011). Walker et ses collègues ont également montré des niveaux d'expression réduits de la TDP-43 endogène de la souris dans le noyau en raison de l'accumulation de TDP-43 dans le cytoplasme (Walker, 2015).

Dans cette image du cortex moteur, notez le niveau élevé de coloration dans le cytoplasme par rapport au noyau. La vidéo ci-dessous montre la hTDP-43 et le DAPI activés/désactivés pour voir clairement la localisation spatiale de la hTDP-43.

Une astrogliose réactive proéminente se trouve à proximité des motoneurones en dégénérescence chez les patients atteints de SLA et dans les modèles animaux de la SLA. Bien que l'astrogliose réactive dans la SLA soit probablement à la fois primaire et secondaire à la dégénérescence des motoneurones, les astrocytes ne sont pas de simples spectateurs et peuvent influencer le destin des motoneurones (Vargas, 2010).

Cette image montre la coloration par immunofluorescence de la GFAP. L'astrogliose est apparente dans certaines parties du cortex moteur et somatosensoriel, ainsi que dans le caudé-putamen.

Les flèches mettent en évidence ce schéma laminaire dans la couche 4 du cortex somatosensoriel, tandis que l'encadré montre les astrocytes dans le cortex moteur.

Sur cette image, on peut facilement apprécier la relation spatiale entre les astrocytes colorés par la GFAP et les neurones colorés par la TDP-43.

Nous avons constaté une atrophie corticale dans ce modèle en utilisant des IRM anatomiques in vivo et des méthodes avancées de traitement et d'analyse d'images.

Notez l'amincissement cortical régional (couleurs verte et jaune) dans cette animation, qui correspond aux régions d'astrogliose dans l'image IF multiplex. Ces données multimodales suggèrent une vulnérabilité régionale (et potentiellement laminaire) de populations neuronales spécifiques au TDP-43 mal localisé.

La microglie semble jouer un rôle central dans les caractéristiques pathologiques et fonctionnelles de ce modèle de SLA. Des exemples de microglies activées présentant des changements morphologiques (par exemple des corps cellulaires hypertrophiques, des processus plus courts) sont visibles sur cette image de microscopie du cortex somatosensoriel.

Notre équipe a développé des outils avancés de traitement d'images qui permettent l'analyse de la morphologie microgliale, et nous avons appliqué cette technique à des sections IHC et IF provenant de divers modèles de maladies neurodégénératives.

En exploitant notre large base de données d'images IHC/IF provenant de souris TDP-43ΔNLS, nous avons identifié une forte corrélation entre la densité de microglies non ramifiées (« activées ») et le score moteur composite (une combinaison des scores de préhension, de tremblement, d'agilité sur le gril, de paralysie des membres postérieurs et de bien-être général).

Les changements morphologiques de la microglie régionale sont fortement corrélés avec les scores cliniques composites (moteurs) (r=0,83).

Spiller et al. (Spiller, 2018) ont constaté un changement de morphologie de la microglie au repos/homéostatique (ramifiée) à la microglie activée pendant la « récupération » de la maladie après l'arrêt de l'expression du TDP-43 pathologique. Ces microglies réactives ont sélectivement éliminé le hTDP-43 neuronal et il y a eu une récupération fonctionnelle concomitante. Nous avons également observé cette récupération de la fonction motrice dans ce modèle.

Lorsque Spiller et ses collègues (Spiller, 2018) ont bloqué la microgliose avec l'inhibiteur CSF1R/c-kit, PLX3397, pendant la phase de récupération précoce, les souris n'ont pas réussi à retrouver une fonction motrice complète, révélant un rôle neuroprotecteur de la microglie dans ce modèle.

Cette capacité à faciliter la clairance de la TDP-43 cytoplasmique peut être médiée par des interactions microgliales-neuronales (Cserép, 2021). Les interactions neuroinflammatoires entre la microglie et les neurones se produisent à la fois au niveau des synapses et du soma, les interactions synaptiques régulant l'élagage, la plasticité et la synchronisation du réseau. Lorsqu'elles sont dysfonctionnelles, ces interactions peuvent conduire à l'élimination pathologique des synapses et à la neurodégénérescence (Clark, 2012; Pascual, 2012; Hong, 2016). Les interactions entre les somas, récemment identifiées comme essentielles pour surveiller la santé des neurones, peuvent fournir une neuroprotection ou, lorsqu'elles sont déréglées, contribuer à l'inflammation chronique et à la mort neuronale (Salter, 2017; Cserép, 2021).

La flèche sur l'image microscopique du cortex moteur indique les points de contact potentiels entre le soma du neurone et les processus microgliaux. Notre équipe analyse activement ces interactions gliales-neuronales et leurs rôles dans la pathogenèse des maladies.

Clark, A.K., Malcangio, M. Microglial signalling mechanisms: cathepsins and fractalkine. Exp. Neurol., 234: 283–292, 2012; doi: 10.1016/J.EXPNEUROL.2011.09.012

Cserép, C., Pósfai, B., Dénes, A. Shaping neuronal fate: functional heterogeneity of direct microglia-neuron interactions. Neuron, 109: 222-240, 2021; doi: 10.1016/j.neuron.2020.11.007

Hong, S., Beja-Glasser, V.F., Nfonoyim, B.M., Frouin, A., Li, S., Ramakrishnan, S., Merry, K.M., Shi, Q., Rosenthal, A., Barres, B.A., Lemere, C.A., Selkoe, D.J., Stevens, B. Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models. Science, 352: 712–716, 2016; doi: 10.1126/SCIENCE.AAD8373

Igaz, L.M., Kwong, L.K., Lee, E.B., Chen-Plotkin, A., Swanson, E., Unger, T., Malunda, J., Xu, Y., Winton, M.J., Trojanowski, J.Q., Lee, V.M.-Y.. Dysregulation of the ALS-associated gene TDP-43 leads to neuronal death and degeneration in mice. J. Clin. Invest., 121: 726–738, 2011; doi: 10.1172/jci44867

Pascual, O., Achour, S. Ben, Rostaing, P., Triller, A., Bessis, A. Microglia activation triggers astrocyte-mediated modulation of excitatory neurotransmission. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109: 2012; doi: 10.1073/PNAS.1111098109

Salter, M.W., Stevens, B. Microglia emerge as central players in brain disease. Nat. Med., 23: 1018–1027, 2017; doi: 10.1038/NM.4397

Spiller, K. J., Restrepo, C. R., Khan, T., Dominique, M. A., Fang, T. C., Canter, R. G., Roberts, C. J., Miller, K. R., Ransohoff, R. M., Trojanowski, J. Q., Lee, V. M. Y. Microglia-mediated recovery from ALS-relevant motor neuron degeneration in a mouse model of TDP-43 proteinopathy. Nat. Neurosci., 21: 329–340, 2018; doi: 10.1038/s41593-018-0083-7

Vargas, M.R., Johnson, J.A. Astrogliosis in amyotrophic lateral sclerosis: role and therapeutic potential of astrocytes. Neurotherapeutics, 7: 471-81, 2010; doi: 10.1016/j.nurt.2010.05.012

Walker, A.K., Spiller, K.J., Ge, G., Zheng, A., Xu, Y., Zhou, M., Tripathy, K., Kwong, L.K., Trojanowski, J.Q., Lee, V.M.-Y. Functional recovery in new mouse models of ALS/FTLD after clearance of pathological cytoplasmic TDP-43. Acta Neuropathol., 130: 643-660, 2015; doi: 10.1007/s00401-015-1460-x