Modélisation fonctionnelle de la synapse intégrant cellules souches pluripotentes humaines et optogénétique : application à l’étude des neurotoxines botuliques

Functional modeling of the synapse integrating human pluripotent stem cells and optogenetics : application to the study of botulinum neurotoxins

• Auteur / Autrice : Juliette Duchesne de Lamotte
• Direction : Cécile Martinat, Anselme Perrier, Camille Nicoleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pharmacologiques
• Date : Soutenance le 02/04/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Cellules Souches pour le Traitement et l’Etude des maladies Monogéniques (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Christian Cognard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Afsaneh Gaillard, Laurent Schaeffer, Stéphane Sebille, Daniel Gillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Afsaneh Gaillard, Laurent Schaeffer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcium

Optogénétique

Transmission nerveuse

Cellules souches pluripotentes induites

Toxines botuliques

Mots clés libres

Neurotoxines botuliques

Fonctionnalité

Systèmes synaptiques

Optogénétique

Cellules souches pluripotentes humaines

Imagerie calcique

Botulinum neurotoxins

Function

Synaptic systems

Calcium imaging

Human pluripotent stem cells

Optogenetics

Résumé

Les neurotoxines botuliques (BoNT), produites par une bactérie du genre Clostridium botulinum, sont des endoprotéases inhibant le relargage de neurotransmetteurs au niveau de la jonction neuromusculaire (JNM) ce qui aboutit à une paralysie flasque musculaire fatale, connue sous le nom de botulisme. Bien que les BoNT soient extrêmement toxiques (dose létale estimée chez l'Homme : 0,1-1 ng/Kg en intraveineuse et 1 µg/Kg par voie orale) et responsables du botulisme, leur forte affinité pour les neurones moteurs combinée à leur utilisation à des concentrations adaptées en ont fait des médicaments extrêmement précieux pour des indications à la fois thérapeutiques et esthétiques, allant ainsi du traitement des troubles neuromusculaires à la réduction des rides du visage. Depuis leur première utilisation, le nombre d'indications pour ces molécules est en constante hausse. Les connaissances accrues sur le mécanisme d'action des BoNT combinées à l'émergence de plateforme de production recombinante offrent la possibilité de modifier les BoNT à façon, et de conférer à ces molécules de nouveaux potentiels thérapeutiques. Cependant, ces développements nécessitent l'implémentation de tests cellulaires fonctionnels robustes, permettant de récapituler les différentes étapes du mécanisme d'action des BoNT. Dans ce contexte, mon projet de thèse a évalué la possibilité de combiner le cellules souches pluripotentes induites (CSPi) humaines avec les technologies optiques telles que l'optogénétique et l'imagerie calcique, pour mettre en place deux systèmes synaptiques humains fonctionnels : un modèle de synapse neuromusculaire et un modèle de synapse cortico-corticale. Ces modèles fonctionnels ont permis d'étudier l'effet de différents variants de BoNT et de comparer leur efficacité dans un contexte physiologique humains. De tels systèmes in vitro représentent un atout majeur pour améliorer la valeur translationnelle des données précliniques sur les BoNT.

Botulinum neurotoxins (BoNTs), produced by a bacterium Clostridium botulinum, are among the most toxic substances known. By inhibiting neurotransmitter release at the neuromuscular junction (NMJ), exposure to these neurotoxins results in the fatal flaccid muscular paralysis called botulism. Due to neurotoxins' high potency (lethal dose in Humans: 0.1-1 ng/Kg in intravenous and 1 µg/Kg orally), they became valuable drugs for therapeutic and aesthetic applications, ranging from the treatment of neuromuscular disorders to the reduction of facial wrinkles. Since their first use, the number of indications for these molecules has been steadily increasing over the past decade. A better understanding of their mechanisms of action combined with the emergence of platforms for custom recombinant BoNTs development start to offer new perspectives in term of therapeutic applications. However, such developments are dependent of functional cell-based assays to accurately and robustly evaluate the potential of these neurotoxins. By combining human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with optical technologies such as optogenetics and calcium imaging, my thesis project aimed at establishing two functional human synaptic systems: humanized models for neuromuscular synapse and cortical-cortical synapse. These functional models allowed to study the effect of different variants of BoNTs and to compare their potency in a human physiological context. Such in vitro systems represent a major asset to improve the translational value of preclinical BoNTs data