Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La maladie d'Alzheimer (MA) est un trouble neurodégénératif associé à l'accumulation de plaques extracellulaires fibrillaires de bêta-amyloïde (Aß) et à l'hyperphosphorylation intracellulaire de tau formant des enchevêtrements neurofibrillaires. Décrite en 1906 par le Dr Alois Alzheimer, cette maladie est de cause inconnue, bien que certains facteurs de risque, dont le vieillissement, ont été identifiés. Pendant plusieurs décennies, les chercheurs ont avancé l'hypothèse de la "cascade amyloïde", suggérant que la bêta-amyloïde était la principale cause des symptômes cliniques observés. Ces derniers comprennent la réduction du métabolisme des lipides et du glucose, ainsi qu'un déclin cognitif progressif, causé notamment par une atrophie cérébrale importante et une perte synaptique. Cependant, avec le développement progressif des technologies de pointe, ainsi que les études d'association pangénomique, les efforts pour découvrir les mécanismes à l'origine de la pathologie de la MA se sont orientés vers les cellules gliales. La microglie et les astrocytes sont essentiels au maintien de l'homéostasie du cerveau, notamment par le biais du soutien neuronal et métabolique. Des études d'association pangénomique ont mis en évidence des variantes génétiques microgliales et astrocytaires liées à un risque accru de développer la MA à début tardif. Cependant, l'étude du rôle des cellules gliales dans la MA reste difficile en raison de la grande hétérogénéité des états gliaux observés dans la pathologie de la MA et associés à la pathogenèse de la maladie. Des études antérieures notamment réalisées dans mon laboratoire ont décrit des cellules denses aux électrons ou "sombres" en utilisant la microscopie électronique dans divers modèles murins de pathologies et dans des échantillons post-mortem de cerveau humain. Mes travaux ont cherché à mieux comprendre l'hétérogénéité ultrastructurelle de la microglie et des astrocytes dans l'hippocampe ventral, une région fortement touchée par les signes pathologiques de la maladie d'Alzheimer, dans un modèle murin âgé de cette pathologie, afin de contribuer au développement futur de nouvelles thérapies. La présence de microglie sombre s'est avérée être spécifiquement associée aux plaques Aß et aux neurites dystrophiques. La microglie sombre, semblable àla microglie typique (ou non-sombre) à proximité des plaques Aß, présentait plusieurs signes associés au stress cellulaire, notamment un réticulum endoplasmique dilaté et des mitochondries altérées. Ces cellules sombres contactaient beaucoup moins de synapses, d'axones myélinisés et d'éléments vasculaires que les microglies typiques, mais interagissaient beaucoup plus avec les neurites dystrophiques. De plus, nous avons découvert dans les microglies sombres la présence de granules de glycogène, un stockage de glucides précédemment observé dans les astrocytes et, dans une moindre mesure, dans les neurones. Ces résultats mettent en évidence un état microglial associé aux plaques Aß et aux neurites dystrophiques qui possède un métabolisme altéré. Nous avons ensuite étudié les altérations ultra structurelles des astrocytes typiques situés loin et à proximité des plaques Aß et des neurites dystrophiques dans le même modèle de souris âgées de la pathologie de la MA. Nous avons constaté que les astrocytes typiques situés à proximité des plaques Aß possédaient plus souvent des granules de glycogène, ainsi qu'une augmentation de la prévalence de phagosomes et de contacts directs avec les éléments synaptiques par rapport aux astrocytes typiques chez des souris témoins. Nous avons également caractérisé le contenu intracellulaire et la distribution d'un état astrocytaire sombre, notamment observé dans des modèles murins de lésions cérébrales. Contrairement aux microglies sombres, les astrocytes sombres sont observés dans la pathologie de la MA et chez les souris témoins à part égale. Ces cellules sont immunopositives pour le marqueur astrocytaire GFAP (protéine acide fibrillaire gliale) et peuvent internaliser à la fois la protéine Aß fibrillaire et les neurites dystrophiques. Ainsi, nous avons caractérisé un état astrocytaire dans la pathologie de la MA âgée et nous avons fourni de nouvelles informations sur les altérations des astrocytes typiques en fonction de leur proximité aux plaques Aß. Dans l'ensemble, mes études fournissent une caractérisation ultrastructurale approfondie des cellules gliales dans un modèle animal âgé de la pathologie de la MA, notamment par le biais du développement de nouvelles méthodes d'analyse de densité utilisant l'ultrastructure des cellules. Ce travail met en évidence des cibles thérapeutiques potentielles ciblant les cellules gliales, en raison de la forte présence de changements cellulaires et métaboliques observés dans ces cellules à proximité des plaques Aß. / Alzheimer's disease (AD), the most common type of dementia, is a neurodegenerative disorder associated with the accumulation of extracellular fibrillar amyloid beta (Aß) plaques and intracellular hyperphosphorylation of tau aggregating into neurofibrillary tangles (NFT). First described in 1906 by Dr Alois Alzheimer, the causes of the disease remains unknown, although certain risk factors, including aging, were identified. For several decades, researchers brought forth the "amyloid cascade" hypothesis, suggesting that Aß was the leading cause of the clinical symptoms observed. The latter include early signs of the disease such as reduced lipid and glucose metabolism, as well as progressive cognitive decline, caused notably by significant brain atrophy and synaptic loss. However, with the improvement and development of state-of-the-art technologies, alongside genome-wide association studies (GWAS), recent efforts to uncover the mechanisms behind AD pathology have shifted towards glial cells. Microglia, the resident immune cell of the central nervous system (CNS), and astrocytes, are crucial to maintain brain homeostasis, notably through neuronal and metabolic support as well as synaptic plasticity. GWAS studies have uncovered microglial and astrocytic gene variants linked with an increased risk of developing late-onset AD. However, investigating the role of glial cells in AD remains challenging due to the highly heterogeneous glial states observed in AD pathology and associated with the pathogenesis of the disease (e.g., clearance of Aß, dystrophic neurites). Previous studies described electron-dense or "dark" cells using electron microscopy in various mouse model of pathologies, including dark microglia (DM) in a middle-aged mouse model of AD pathology, and in human post-mortem brain samples. Here, my work aimed to provide further insights into the ultrastructural alterations and heterogeneity of microglia and astrocytes in the ventral hippocampus, a region highly affected by pathological signs of AD, in an aged mouse model of AD pathology, to ultimately aid in the development of future therapeutic targets. Dark microglia were shown to be restricted to nearby Aß plaques and dystrophic neurites, with no to little DM found far from Aß plaques and in the age-matched control mice. Dark microglia, similar to typical (non-dark) microglia near Aß plaques, possessed several signs associated with cellular stress, including dilated endoplasmic reticulum and altered mitochondria. The dark cells contacted fewer synapses, myelinated axons and vascular elements compared to the non-dark cells, yet interacted far more with dystrophic neurites. In addition, we uncovered for the first time in microglia the presence of glycogen granules, a carbohydrate storage previously observed in astrocytes and to a lesser extent, in neurons. The results highlight a microglial state associated with Aß plaques and dystrophic neurites that possesses an altered metabolism. We next investigated the ultrastructural alterations of typical astrocytes far and near Aß plaques and dystrophic neurites in the same aged mouse model of AD pathology compared to age-matched control mice. We found that typical astrocytes near Aß plaques more regularly possessed glycogen granules, as well as an increase in the number of phagosomes combined and an increase in direct contact with synaptic elements compared to typical astrocytes in control mice. We further characterized the intracellular content and distribution of a dark astrocytic state, previously observed in mouse models of pathology such as brain injury. Unlike dark microglia, dark astrocytes are not restricted to nearby Aß plaques and are equally observed in AD pathology and in control mice. These cells are positive for the astrocytic marker glial fibrillary acidic protein (GFAP) and can internalize both fibrillar Aß and dystrophic neurites. Overall, we characterized a unique astrocytic state in aged AD pathology, as well as provided insights into the varying alterations of typical astrocytes based on their proximity to Aß plaques. Overall, my research work provides an in-depth ultrastructural characterization of glial cells in an aged mouse model of AD pathology, which includes the development of a novel density analysis method using the unique ultrastructure of dark glial cells. This work uncovers potential therapeutic targets due to the high presence of cellular and metabolic changes observed in glial cells near Aß plaques.

De nombreux processus sont responsables du bon fonctionnement de l’organisme vivant. Ce dernier est entre autres muni de mécanismes de défense, de nettoyage et de régulation afin de maintenir son environnement en équilibre. Lorsque l’un ou plusieurs de ces mécanismes font défaut, à un où différents niveaux, certaines pathologies cliniques peuvent subvenir. C’est le cas notamment de la maladie d’Alzheimer (MA), la cause majeure de démence à travers le monde. Elle est caractérisée par l’enchevêtrement neurofibrillaire et/ou l’accumulation de la protéine amyloïdebêta (Aβ) dans le parenchyme du cerveau. Appelée pathologie amyloïde, cette dernière est l’hypothèse de loin la plus discutée dans la littérature scientifique tentant d’expliquer la MA et présume sa cause par la défaillance d’élimination de ce peptide neurotoxique. Un autre joueur crucial dans la progression de la maladie est l’excitotoxicité glutaminergique, défini comme une excitation excessive des récepteurs neuronaux. Pouvant être induite par l’Aβ, l’excitotoxicité cause une partie de la neurodégénérescence. L’interaction entre ces deux phénomènes pourrait contribuer aux déficits cognitifs associés à la MA, tels que la perte de mémoire, les défaillances émotionnelles et les troubles comportementaux. L’étude présentée dans ce mémoire investigue les effets de la mort neuronale à la suite d’un dommage excitotoxique sur la progression de la maladie, s’attardant aux troubles cognitifs et moteurs, à la progression de la pathologie amyloïde de même que les fonctions des cellules immunitaires (monocytes et microglies). L’acide kainique (KA), un analogue conformationnel du glutamate, fut utilisé chez des souris au génotype « wild type » (WT) ou transgénique reproduisant la MA (APP/PS1swe) de par la surproduction d’Aβ. L’injection unilatérale dans le striatum cause une détérioration de la santé générale de l’animal, de même que des troubles cognitifs et comportementaux, exacerbée chez la souris APP/PS1 comparativement au groupe contrôle. Après une lésion au KA, une diminution du nombre total de monocytes chez les souris MA en comparaison aux souris WT est aussi observée, entraînant conjointement un nombre de plaques et niveaux soluble d’Aβ augmenté. Conséquemment avec la diminution des microglies, un nombre moins important de ces cellules immunitaires furent associées aux plaques. Ensemble, ces résultats suggèrent que les dommages excitotoxiques chez le modèle de souris Alzheimer déclenchent une accélération de la maladie, des déficits comportementaux et cognitifs plus importants, de même que des niveaux de la protéine toxique Aβ plus élevé. Ceci serait probablement dû à l’impact de l’excitotoxine sur le système immunitaire et particulièrement sur l’appauvrissement de la quantité de microglies et monocytes. Par conséquent, l’élimination de l’Aβ semble être affectée par les neurones en dégénérescence provoque l’aggravation de la pathologie amyloïde. / A large number of processes are responsible for the proper functioning of living organisms. These are provided among others by mechanisms for self defence, cleaning and regulation in order to maintain the environment stable. When one or more of these mechanisms are lacking, some clinical pathology can occurs. This is the case of Alzheimer’s disease (AD), the major cause of dementia worldwide. It is characterized by neurofibrillary tangles and/or the accumulation of amyloid beta (Aβ) in the brain. The amyloid pathology hypothesis is by far the most talked about in scientific literature trying to explain AD and presumed it to be caused by a defective elimination of this neurotoxic peptide. Another substantial player for disease progression is glutamate excitotoxicity, defined as over excitation of neuronal receptor. Being exarcebated by Aβ, excitotoxicity causes a part of the neurodegeneration. The interplay of these two phenomena might contribute to cognitive deficits in AD, such as memory loss, emotional failures and behavioural disorders. The study presented in this memoir investigates the effects of neuronal death following an excitotoxic insult the progression of the illness, focusing on cognitive and motor deficits, the progression of the amyloid pathology as well as the immune cells functions (microglia and monocyte). Kainic acid (KA), a conformational analog of glutamate, was unilaterally injected in the striatum of wild type or transgenic AD mice (APP/PS1) overproducing Aβ. The injections caused a general deterioration of the health of the mice as well as behavioural and cognitive deficits that were exacerbated in APP/PS1 mice compared to their control. We observed a decrease in the total number of monocytes in AD mice, leading to an increase of the number of Aβ plaques and soluble Aβ in KA-lesioned APP/PS1 mice compared to their sham. Consistently with the decrease of microglia, a smaller number of immune cells was associated with the plaques. Taken together, these results suggest that excitotoxic insult in an AD mouse model triggers an acceleration of the disease with the behavioural and cognitive impairments as well as an increment in the levels of the toxic protein Aβ. Likely, these is due to the impact of the excitotoxin on the immune system and in particular on the decreased levels of microglial cells as well as monocytes Thus, the clearance of Aβ seems affected by dying neurones resulting in the worsening of the amyloid pathology.