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Qu'est-ce qui constitue un bon modèle de SLA pour le développement de médicaments?

Les efforts visant à développer de nouvelles thérapies efficaces pour la sclérose latérale amyotrophique (SLA) (la forme la plus courante de la maladie du motoneurone [MND]) se sont accélérés ces dernières années. Un large éventail de cibles et de mécanismes d'action sont activement recherchés. Étant donné que les essais in vivo sur des modèles animaux constituent une phase essentielle entre les études précliniques in vitro et les essais cliniques chez l'homme, il est essentiel d'utiliser des modèles valides qui reproduisent fidèlement les multiples aspects de la maladie humaine. Le modèle animal optimal de la SLA doit présenter plusieurs caractéristiques clés décrites dans l'infographie ci-dessous.

Principales caractéristiques d'un modèle optimal de SLA

Un modèle animal optimal de la SLA devrait présenter les cinq caractéristiques clés suivantes : disponibilité de souris adaptées à l'âge, similitudes des symptômes entre le modèle et la maladie humaine, faible variabilité entre les animaux, progression de la maladie sur une certaine période, possibilité de modifier la progression de la maladie dans le modèle.

Quelles sont les principales caractéristiques de la SLA humaine qui devraient être présentes dans un modèle animal?

La SLA est une maladie neuromusculaire progressive caractérisée par la perte de neurones moteurs supérieurs et inférieurs, entraînant une faiblesse musculaire et, à terme, la mort. La maladie peut également présenter une série de caractéristiques non motrices, notamment des altérations cognitives et comportementales. L'une des caractéristiques pathologiques de la SLA, tant sporadique que familiale, est la protéinopathie TDP-43, en particulier l'agrégation de cette protéine mal repliée dans le cytoplasme, ce qui entraîne des effets toxiques de perte et de gain de fonction. Braak et ses collègues ont proposé un schéma spatio-temporel de la pathologie TDP-43, illustré ci-dessous.

Modèle de propagation spatio-temporelle de la pathologie TDP-43 dans le cerveau humain en cas de SLA (adapté de Braak et al.). 

Comme d'autres maladies neurodégénératives, la SLA est aujourd'hui considérée comme une maladie multisystémique qui ne se limite pas au système nerveux central (SNC), mais qui touche de nombreuses parties du corps. L'infographie ci-dessous présente quelques-uns des systèmes impliqués dans cette maladie complexe.

Effets multisystèmes de la SLA sur le corps humain

La SLA est une maladie multisystémique qui touche le cerveau, la moelle épinière, le système nerveux autonome, le système immunitaire, les jonctions neuromusculaires et les muscles.

Quelles mesures (y compris les biomarqueurs translationnels) peuvent être utilisées pour évaluer l'efficacité dans les modèles de la SLA?

Un élément clé de l'utilisation réussie des modèles murins de la SLA pour évaluer l'efficacité des agents thérapeutiques est l'utilisation de tests robustes qui ont la sensibilité nécessaire pour détecter la modification de la maladie. Une approche multimodale est idéale pour comprendre comment une thérapie peut agir au niveau des systèmes, des cellules et des molécules. Des avantages supplémentaires peuvent être obtenus en utilisant des "biomarqueurs translationnels" qui pourraient également être exploités dans des essais cliniques chez l'homme.

L'illustration ci-dessous donne un aperçu de certaines catégories de mesures qui ont été utilisées dans des études d'efficacité impliquant des modèles de SLA. Les mesures d'imagerie non invasives, telles que les volumes cérébraux et l'épaisseur corticale dérivés de l'IRM et le métabolisme du glucose par [18F]FDG PET, sont d'excellents biomarqueurs translationnels car ils peuvent être utilisés efficacement dans les études précliniques sur des modèles animaux et dans les essais cliniques sur l'homme. Une série de tests de la fonction motrice permettant d'évaluer la locomotion générale (par exemple en champ libre), l'équilibre et la coordination (par exemple le rotarod, la traversée d'une poutre), la démarche (par exemple CatWalk), la force musculaire (par exemple la suspension d'un fil, la force de préhension), l'agrippement des membres postérieurs, les tremblements et la paralysie peuvent être utilisés pour évaluer la modification du phénotype clinique dans les modèles murins. Les biomarqueurs de l'électrophysiologie musculaire ont également une application clinique, l'électromyographie (EMG) étant une évaluation standard chez les patients atteints de SLA. Dans les modèles murins de la SLA, le potentiel d'action musculaire composé (CMAP) et l'estimation du nombre d'unités motrices (MUNE) peuvent être facilement mesurées dans les muscles des membres postérieurs de la souris (par exemple, le gastrocnémien). Le neurofilament à chaîne légère est devenue un biomarqueur liquide largement utilisé dans les études sur la SLA, et peut également être utilisée comme mesure de la dégénérescence/lésion axonale et de la neurodégénérescence dans les modèles murins de la SLA. Enfin, un large éventail de techniques, telles que l'immunophénotypage des cellules inflammatoires par cytométrie de flux et l'immunofluorescence multiplex de l'expression des protéines couplée à l'analyse de la biologie spatiale, sont utilisées pour évaluer les changements cellulaires et moléculaires résultant d'une intervention thérapeutique.

Mesures d'évaluation de l'efficacité dans les études précliniques sur la SLA

Types de mesures quantitatives qui ont été utilisées dans les études précliniques d'efficacité thérapeutique de la SLA impliquant des modèles de rongeurs. 

À titre d'exemple de cette stratégie multimodale, notre équipe à Biospective a validé un ensemble de ces mesures dans le modèle de souris transgénique TDP-43 ΔNLS (rNLS8) de la SLA, et nous évaluons activement un certain nombre d'autres marqueurs qui ont été utilisés dans des études sur l'homme. Nous utilisons généralement une combinaison de ces mesures, souvent en fonction de la ou des cibles et du ou des mécanismes d'action de l'agent thérapeutique à l'étude pour évaluer l'efficacité. À titre d'exemple de biomarqueur translationnel, nous évaluons régulièrement l'atrophie cérébrale dans ce modèle à l'aide de l'IRM, qui montre une réduction progressive du volume et de l'épaisseur corticale dans le cortex moteur, similaire aux résultats des études humaines.

Notre équipe se fera un plaisir de répondre à vos questions sur les modèles de SLA ou de vous fournir des informations spécifiques sur les modèles que nous utilisons pour les études d'efficacité thérapeutique.

FAQs

Quelles mesures d'imagerie in vivo ont été utilisées dans les modèles murins TDP-43 de la SLA?

Un certain nombre de groupes ont fait état de l'utilisation de mesures d'imagerie in vivo dans des modèles murins de la SLA. Voici un bref résumé de quelques-unes de ces études, mettant en évidence différentes modalités d'imagerie à visée clinique.

Notre groupe à Biospective effectue régulièrement des études d'imagerie par résonance magnétique structurelle (IRM) pour évaluer l'atrophie cérébrale régionale dans le modèle de souris rNLS8. Nous avons mis en évidence une réduction des volumes et de l'épaisseur corticale dans le cortex moteur. Nous utilisons également la tomodensitométrie (CT) pour mesurer l'atrophie musculaire longitudinale dans ce modèle de souris hTDP-43. Nous avons constaté une perte significative de la masse musculaire dans le muscle gastrocnémien en utilisant cette approche non invasive.

L'imagerie du tenseur de diffusion (DTI) et l'imagerie de la dispersion et de la densité de l'orientation des neurites (NODDI) ont été utilisées dans le modèle de souris transgénique hTDP-43ΔNLS, qui a montré une augmentation significative du signal de l'eau intracellulaire, de la dispersion de l'orientation et de l'altération des métriques DTI. Ce groupe a également démontré une altération de la fonction glymphatique dans ce modèle en utilisant l'IRM dynamique à contraste (DCE-MRI), qui suit la clairance d'un agent de contraste IRM à base de gadolinium injecté dans la cisterna magna.

Dans ce modèle transgénique hTDP-43ΔNLS, l'IRM a montré que les espaces du LCR s'élargissent progressivement au fil du temps par rapport à la ligne de base, tandis que le volume du cerveau a diminué de manière significative par rapport aux souris de type sauvage (WT).  En outre, la spectroscopie par résonance magnétique du proton (1H-MRS) a révélé que plusieurs métabolites cérébraux présentaient des différences significatives entre les souris TDP43 et les souris WT, notamment NAA, Cho et Glx.

Dans le modèle de souris mutante TDP-43Q331K/Q331K, l'IRM structurelle a révélé une diminution du volume parenchymateux du cerveau (avec des réductions régionales du volume dans les régions corticales, sous-corticales et cérébelleuses), ainsi qu'une augmentation du volume ventriculaire total.

Des études DTI longitudinales ont été réalisées sur le modèle de souris transgénique TDP-43G298S ALS, qui ont révélé une microstructure corticale (M1/M2) et callosale perturbée avec un tractus corticospinal épargné

Chez les souris transgéniques TDP-43A315T, la tomographie par émission de positons (TEP) au [18F]FDG a été utilisée pour montrer une baisse significative du métabolisme du glucose dans les cortex moteur et somatosensoriel et une augmentation du métabolisme dans la région couvrant la substantia nigra bilatérale, le noyau réticulaire et le noyau amygdaloïde entre 3 et 7 mois, par rapport à des témoins non transgéniques. Ce groupe a également utilisé la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) pour explorer la biochimie cérébrale et a constaté des changements significatifs dans les niveaux de glutamate + glutamine (Glx) et de choline dans le cortex moteur et le cerveau postérieur des souris transgéniques TDP-43A315T par rapport aux témoins.


Quels marqueurs peuvent être analysés dans le LCR des modèles de souris TDP-43 ALS?

Le neurofilament à chaîne légère est souvent analysée dans le liquide céphalorachidien (LCR) des modèles de souris TDP-43 pour évaluer la neurodégénérescence et/ou les lésions axonales. Il est possible de mesurer une série d'autres "biomarqueurs" (par exemple, les niveaux de TDP-43, les cytokines, les neurotransmetteurs). Le facteur limitant est le faible volume de LCR qui peut être prélevé sur les souris. Chez Biospective, nous obtenons généralement ~10 μL de LCR par prélèvement. Nous avons également développé la capacité de collecter le LCR en vie, permettant ainsi de multiples collectes au cours de l'étude et facilitant l'analyse de multiples marqueurs de la maladie.


Comment mesurer l'atrophie musculaire dans les modèles de rongeurs de la SLA? 

Il existe plusieurs méthodes. L'approche la plus courante consiste à obtenir la masse musculaire humide. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle est transversale (post mortem) et qu'elle peut donner des résultats variables en fonction de la dissection du muscle spécifique. Il faut également faire attention aux mesures transversales lorsque des souris mâles et femelles sont utilisées dans l'étude, car les souris mâles ont généralement une masse musculaire plus importante que les femelles. L'inclusion dans une étude de poids musculaires transversaux de souris mâles et femelles appariées selon l'âge peut présenter une variabilité biologique élevée susceptible de masquer un effet significatif du médicament. 

Nous utilisons l'imagerie par tomodensitométrie (CT) associée à des méthodes robustes de segmentation automatisée des images. Cette approche non invasive permet des mesures longitudinales chez le même animal et des mesures précises et reproductibles de différents muscles, réduisant ainsi la variabilité et maximisant le potentiel d'identification d'un effet thérapeutique potentiel sur l'atrophie musculaire. 


Quelle est la taille raisonnable d'un échantillon pour une étude d'efficacité d'un modèle de SLA?

La taille de l'échantillon dépend de la variabilité biologique du modèle et de la variabilité méthodologique des mesures. Dans nos études utilisant le modèle de souris TDP-43 ΔNLS, nous utilisons généralement 10 à 15 souris par groupe.


Références

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Mots-clés

Sclérose latérale amyotrophique (SLA): également connue sous le nom de maladie de Lou Gehrig, il s'agit de la forme la plus courante de maladie du motoneurone, qui affecte les motoneurones supérieurs et inférieurs. Cette maladie neuromusculaire mortelle se caractérise par une faiblesse progressive des muscles nécessaires pour bouger, parler, manger et respirer.

Atrophie cérébrale: réduction du volume ou de l'épaisseur du cerveau entier ou de certaines régions du cerveau.

Potentiel d'action musculaire composé (CMAP): somme des potentiels d'action de tous les plateaux moteurs stimulés. 

Estimation du nombre d'unités motrices (MUNE): technique utilisée pour évaluer le nombre d'unités motrices fonctionnelles dans un muscle.

Signal de localisation nucléaire (NLS): peptide court qui facilite le transport d'une protéine du cytoplasme vers le noyau d'une cellule.

Maladies neuromusculaires: troubles affectant les nerfs qui contrôlent les muscles volontaires et les nerfs qui communiquent les informations sensorielles au cerveau.

Neurodégénérescence: processus complexe et multifactoriel entraînant la perte de neurones. 

Le neurofilament à chaîne légère (NfL; NF-L): l'une des quatre sous-unités des neurofilaments, qui sont des protéines présentes dans les neurones et qui leur donnent leur structure et leur forme; le niveau de neurofilament à chaîne légère dans le sang et le LCR peut servir de marqueur de lésions neuro-axonales.

Modèle spatio-temporel: modèle comportant à la fois des composantes spatiales et temporelles.

Protéine de liaison à l'ADN de la réponse transactive de 43 kDa (TDP-43): protéine nucléaire de liaison à l'ARN/ADN hautement conservée, codée par le gène TARDBP, impliquée dans la régulation du traitement de l'ARN.

Biomarqueur translationnel: indicateur robuste d'un état ou d'un processus biologique mesurable à la fois dans des modèles animaux et chez l'homme.


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