Investigation préclinique ex-vivo et in-vivo des maladies neurodégénératives

From ex-vivo to in-vivo preclinical investigation of neurodegenerative diseases

• Auteur / Autrice : Alessia Sanna
• Direction : Alberto Bravin, Lucie Sancey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble, Isère, France ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Sam Bayat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Naurang Saini, Philippe Zeitoun, Emmanuel Barbier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Coan, Fulvia Arfelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flux 4D

Rayons X

Mots clés libres

Imagerie par rayons X

Imagerie en contraste de phase

Neuroimagerie

Phase contrast

X-Ray imaging

Neuroimaging

Résumé

Les maladies neurodégénératives (MN) sont des troubles qui touchent des millions de personnes dans le monde.Elles se caractérisent par la perte progressive de la fonction et de la structure des cellules du SNC et présentent des symptômes liés à la mémoire,au mouvement et au langage.La recherche et l'étude des états présymptomatiques de la maladie sont cruciales pour comprendre ses causes et intervenir à un stade précoce. Les principales méthodes d'imagerie utilisées pour le diagnostic des MN sont l'IRM et la TEP.La visualisation et le suivi des cellules impliquées dans le trouble est une demande fondamentale pour ce type d'études,et l'imagerie moléculaire et ciblée représente des outils puissants à cette fin.Les nanoconjugués d'anticorps (Ac) sont une sonde d'imagerie ciblée valide récemment utilisée comme nouvelle approche dans plusieurs maladies.Les Ac sont souvent conjugués avec des nanoparticules (NP) en raison de leurs caractéristiques uniques.Les NP colloïdales basées sur des éléments lourds se caractérisent par des propriétés d'atténuation élevées des rayons X et ont été proposées et testées en tant qu'agents de contraste biocompatibles et efficaces à longue circulation pour l'imagerie par rayons X,la K-Edge et d'autres techniques d'imagerie.Alors que les Ac monoclonaux sont généralement des réactifs immunitaires de choix,leur utilité pour l'imagerie est limitée par leur grande taille,qui peut entraîner un encombrement stérique, mais aussi empêcher leur passage de la BHE lors de l'imagerie du SNC.En revanche,les nanocorps (Nc) conviennent parfaitement à l'imagerie en raison de leur petite taille,qui leur permet de cibler des épitopes antigéniques à des endroits difficilement accessibles aux Ac conventionnels et de traverser la BHE.Ces caractéristiques,ainsi que leur stabilité et leur élimination rapide du sang,font des Nc des candidats optimaux pour l'imagerie moléculaire du cerveau.Différentes méthodes ont été combinées à l'utilisation de nanoconjugués,mais toutes présentent des limites en termes de résolution spatiale et de sensibilité.La tomographie à contraste de phase par rayons X surmonte ces limites,permettant une visualisation en 3D de l'organe entier avec une résolution spatiale allant du µm au nm,ce qui permet la détection des cellules d'intérêt dans les conditions physiologiques et pathologiques. L'XPCT est capable de visualiser simultanément les cellules, les systèmes vasculaires et neuronaux,ainsi que le tissu environnant,donnant des informations complètes sur la morphologie et la tridimensionnalité de l'échantillon sans le détruire ou le compromettre. Toutefois,une limitation importante de cette technique réside dans l'impossibilité d'identifier de manière unique les cellules visualisées, sauf sur une base morphologique.La combinaison des nanoconjugués Nb avec le XPCT pourrait représenter une avancée incroyable dans l'imagerie moléculaire et ciblée des MN.Dans cette étude,les NP ont été conjuguées avec des Nc capables de cibler les astrocytes.Le nouveau complexe,Nano2,a été administré à des souris EAE et à des souris saines en utilisant différentes voies d'administration.Ce travail de thèse commence par un aperçu de l'état de l'art des stratégies actuelles utilisées pour comprendre les mécanismes de la MN,en se concentrant sur l'importance des études précliniques et des modèles animaux et en mentionnant les techniques d'imagerie actuelles utilisées pour étudier la MN.Une attention particulière est accordée à l'efficacité du XPCT dans ce contexte.Une large place est accordée à la description des rayonsX,à leur interaction avec la matière et au concept d'imagerie par rayonsX,en particulier l'imagerie par contraste de phase.Des informations sont ensuite fournies concernant les différents acteurs de cette thèse,tels que les différentes techniques utilisées lors des expériences,les NP et les Nc.Après une introduction au concept de tomographie,les expériences réalisées et les résultats obtenus sont rapportés.

Neurodegenerative diseases (ND) are disorders affecting millions of people around the word.They are characterized by the progressive loss of function and structure of the cells of the CNS and present symptoms related to memory, movement, language.Currently there is no cure for most of the ND and the available therapies are focused on the management of the symptoms and on the improvement of the quality of life for the patients.In this context, it is clear that the research and study of the presymptomatic states of the disease are crucial to understand its causes and intervene at an early stage.The main imaging methods used for diagnosis of ND are MRI and PET, and CT.The visualization and the monitoring of the cells involved in the disorder is a fundamental request for this kind of studies, and both molecular and targeted imaging represent powerful tools for this aim.Antibody (Ab) nanoconjugates are a valid targeted imaging probe recently used as novel approach in several diseases.Abs are often conjugated with nanoparticles due to their unique features.Colloidal NPs based on heavy elements are characterized by high Xray-attenuation properties and have been proposed and tested as biocompatible and effective long-circulating contrast agents for Xray imaging and CT, K-Edge imaging and in other imaging techniques.While monoclonal Abs have generally been immune reagents of choice, their usefulness for imaging is limited by their large size which can lead to steric hindrance but also impedes their crossing of the blood-brain barrier (BBB) when imaging the CNS.In contrast, nanobodies which are single-domain Abs (sdAbs) are ideally suited for imaging due to their small size enabling them to target antigenic epitopes at locations not easily accessible to conventional Abs and can cross the BBB.Such features, together with their stability and rapid clearance from blood, make sdAbs optimal candidates for molecular imaging in brain.Different have been combined to the use of nanoconjugates, but all of them show limits regarding the spatial resolution and the sensitivity.Xray phase contrast tomography overcomes these limits, enabling a 3D visualization of the entire organ with a spatial resolution ranging from microns to nanometres, permitting the detection of the cells of interest in the physiological and pathological contest.XPCT is able to simultaneously visualize cells, vascular and neuronal systems, together with the surrounding tissue, giving complete information about the morphology and the three-dimensionality of the sample without destroying or compromising it.However, an important limitation of this technique lies in the impossibility of uniquely identifying the cells visualised, except on a morphological/anatomical basis.Combining the Nb-nanoconjugates with the XPCT could represent an incredible boost in the molecular and targeted imaging of ND.In this study, NPs were conjugated with nanobodies able to target astrocytes.The new complex, Nano2, was administered to EAE and healthy mice using different administration routes.Through various steps, the ability of XPCT to detect Nano2 and consequently label the target cells with certainty was demonstrated, making XPCT a specific technique.This thesis work starts with an overview of the state of the art of current strategies used to understand the mechanisms of ND, focusing on the importance of preclinical studies and animal models and mentioning the current imaging techniques used to study ND.Special attention is given to the effectiveness of XPCT in this context.Much space is given to the description of Xrays, their interaction with matter and the concept of Xray imaging, especially phase contrast X-ray imaging.Information is then provided concerning the different players in this thesis, such as the different techniques used during the experiments, NPs and nanobodies.After an introduction to the concept of tomography, the experiments performed and the results obtained are reported.