Nous proposons dans ce travail une analyse multidimensionnelle du vieillissement langagier normal et du vieillissement pathologique de type Alzheimer. Une analyse comparative du discours oral spontané a été réalisée à travers trois niveaux linguistiques : 1) le niveau phonético-phonologique ; 2) le niveau lexico-sémantique ; 3) le niveau syntaxique. Nos résultats révèlent que le discours produit par les patients atteints de la maladie d'Alzheimer se distingue de celui des personnes âgées saines par une parole disfluente, une réduction significative de la diversité du vocabulaire et de l'informativité du discours, et enfin, par une réduction remarquable de la complexité syntaxique. L'ensemble de nos résultats entend contribuer à améliorer notre connaissance de la sémiologie linguistique de la maladie d'Alzheimer. Nous montrons ainsi qu'une meilleure connaissance des troubles du langage associés à cette pathologie pourrait contribuer de façon pertinente à améliorer le diagnostic précoce et/ou différentiel de la maladie d'Alzheimer. Du point de vue applicatif, l'enjeu de cette recherche translationnelle vise l'élaboration d'un outil d'évaluation du langage adapté à la personne âgée démente. A travers ce travail de thèse, nous espérons avoir contribué au développement futur d'une prise en charge non médicamenteuse de type orthophonique visant le maintien, voire l'amélioration, de la capacité communicative des patients souffrant de la maladie d'Alzheimer.

Cette thèse a pour objet l'analyse statistique de formes, dans le contexte de l'imagerie médicale.Dans le champ de l'imagerie médicale, l'analyse de formes est utilisée pour décrire la variabilité morphologique de divers organes et tissus. Nous nous focalisons dans cette thèse sur la construction d'un modèle génératif et discriminatif, compact et non-linéaire, adapté à la représentation de formes.Ce modèle est évalué dans le contexte de l'étude d'une population de patients atteints de la maladie d'Alzheimer et d'une population de sujets contrôles sains. Notre intérêt principal ici est l'utilisationdu modèle discriminatif pour découvrir les différences morphologiques les plus discriminatives entre une classe de formes donnée et des formes n'appartenant pas à cette classe. L'innovation théorique apportée par notre modèle réside en deux points principaux : premièrement, nous proposons un outil pour extraire la différence discriminative dans le cadre Support Vector Data Description (SVDD) ; deuxièmement, toutes les reconstructions générées sont anatomiquementcorrectes. Ce dernier point est dû au caractère non-linéaire et compact du modèle, lié à l'hypothèse que les données (les formes) se trouvent sur une variété non-linéaire de dimension faible. Une application de notre modèle à des données médicales réelles montre des résultats cohérents avec les connaissances médicales.

As the most prevalent cause of dementia worldwide, Alzheimer’s disease (AD) has become a global issue of public health. By current criteria, diagnosis of this neurodegenerative disorder requires both clinical confirmation of dementia and post-mortem detection of the so-called neurofibrillary tangles and senile plaques in the brain. Yet the main proteinaceous component of these plaques, the amyloid beta peptide (Abeta) is now widely believed to initiate a cascade of events that ultimately leads to Alzheimer’s disease. Besides, extensive evidence supports a pathogenic role of soluble oligomers formed upon Abeta aggregation in the onset of the disease, which, unlike Abeta fibrils, present distinct neurotoxic properties and correlate well with disease progression. Their detrimental effects have been suggested to appear decades before the first signs of cognitive impairment, making them biomarkers of choice in the study of the pathology. <p>Given that present guidelines for AD diagnosis are increasingly considered as ill-defined, reliable and early-stage detection methods taking into account the presence of toxic Abeta species are highly awaited by the medical community. In this regard, this thesis work describes the development of a sensing device aiming at the specific detection of the amyloid beta peptide in solution via recognition by antibodies grafted at the surface of functionalized germanium crystals. This new type of BIA-ATR (Biospecific Interaction Analysis - Attenuated Total Reflection) biosensor resorts on ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection - Fourier Transform Infrared) spectroscopy, which is extremely sensitive to the secondary structure of proteins. The ATR mode uses germanium as optical transduction element combined to the evanescent wave principle to allow selective online monitoring of peptide-antibody binding events. <p>In the first part of this work, evaluation of the photochemistry on germanium optical elements have been the subject of intense research focus. Our investigations led to the elaboration of a quality control of functionalization efficiency based on infrared spectroscopy. We also set up in the lab an original ELISA method for selecting antibodies in terms of their true affinity for the Abeta peptide. <p>Thereafter binding experiments were carried out on the BIA-ATR sensor using different antibodies and Abeta isoforms, leading to the establishing of a standardized protocol for the detection of molecules of interest. Our results showed that Abeta detected on the biosensor corresponded precisely to antibody-bound peptide, whereas Abeta assemblies, and especially Abeta 1-42 oligomeric conformations, could be discriminated with respect to their spectral signature. This point, which was later confirmed by unsupervised statistical analysis, could be considered as particularly interesting and innovative, since to our knowledge, such conformation-sensitivity has never been observed with existing AD diagnostic methods. Moreover, effective recycling of the functionalized crystals has been demonstrated, which confers thereby a second major advantage to the biosensor. <p>In parallel to these experiments, a structural characterization study of Abeta species was undertaken in order to generate a database of IR spectra, as reference for future comparative analysis of physiological fluids on the biosensor. ATR-FTIR measurements revealed a strong dependency on the ratio between oligomers and fibrils within a mixture and their relative ratio in antiparallel and parallel beta-sheet content. Interestingly, separation trials of oligomeric entities demonstrated a specific effect of Cu2+ ions on Abeta aggregation. Stabilization of small oligomeric aggregates at equimolar Cu2+:Abeta ratios, which had never been clearly evidenced so far, could help to unravel some aspects of the complex role of copper in AD development. <p>These investigations illustrate the applicability of the so-called BIA-ATR methodology to online detection of different forms of the Abeta peptide in solution and the potential of this new sensor technology to fulfill current pitfalls in providing a reliable and comprehensive approach of AD diagnosis. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Cette thèse a pour objet l'analyse statistique de formes, dans le contexte de l'imagerie médicale.Dans le champ de l'imagerie médicale, l'analyse de formes est utilisée pour décrire la variabilité morphologique de divers organes et tissus. Nous nous focalisons dans cette thèse sur la construction d'un modèle génératif et discriminatif, compact et non-linéaire, adapté à la représentation de formes.Ce modèle est évalué dans le contexte de l'étude d'une population de patients atteints de la maladie d'Alzheimer et d'une population de sujets contrôles sains. Notre intérêt principal ici est l'utilisationdu modèle discriminatif pour découvrir les différences morphologiques les plus discriminatives entre une classe de formes donnée et des formes n'appartenant pas à cette classe. L'innovation théorique apportée par notre modèle réside en deux points principaux : premièrement, nous proposons un outil pour extraire la différence discriminative dans le cadre Support Vector Data Description (SVDD) ; deuxièmement, toutes les reconstructions générées sont anatomiquementcorrectes. Ce dernier point est dû au caractère non-linéaire et compact du modèle, lié à l'hypothèse que les données (les formes) se trouvent sur une variété non-linéaire de dimension faible. Une application de notre modèle à des données médicales réelles montre des résultats cohérents avec les connaissances médicales. / This thesis addresses statistical shape analysis, in the context of medical imaging. In the field of medical imaging, shape analysis is used to describe the morphological variability of various organs and tissues. Our focus in this thesis is on the construction of a generative and discriminative, compact and non-linear model, suitable to the representation of shapes. This model is evaluated in the context of the study of a population of Alzheimer's disease patients and a population of healthy controls. Our principal interest here is using the discriminative model to discover morphological differences that are the most characteristic and discriminate best between a given shape class and forms not belonging in that class. The theoretical innovation of our work lies in two principal points first, we propose a tool to extract discriminative difference in the context of the Support Vector Data description (SVDD) framework ; second, all generated reconstructions are anatomicallycorrect. This latter point is due to the non-linear and compact character of the model, related to the hypothesis that the data (the shapes) lie on a low-dimensional, non-linear manifold. The application of our model on real medical data shows results coherent with well-known findings in related research.

La maladie d'Alzheimer (MA) est caractérisée par un déclin progressif des fonctions cognitives avec une détérioration de la mémoire, une atrophie cérébrale et deux lésions histologiques caractéristiques retrouvées lors d'examens post-mortem : les plaques extracellulaires de peptide β-amyloïde et les enchevêtrements intracellulaires de la protéine Tau anormalement phosphorylée. De nombreux modèles animaux de la MA ont été développés afin de comprendre et de tester différents traitements dirigés contre cette pathologie. Cependant, aucun modèle de rongeur non transgénique, développant à la fois les plaques amyloïdes et la pathologie neurofibrillaire, n'est disponible à ce jour. L'objectif de cette étude est de développer le premier modèle non transgénique, développant les deux lésions histologiques caractéristiques de la MA chez le rat. Le principe consiste à réaliser une injection concomitante et intrahippocampale d'un AAV (virus associé aux adénovirus) recombinant contenant le gène humain de la protéine Tau présentant la mutation P301L, et du peptide Aβ1-42 qui est le principal composant des plaques amyloïdes. Après plusieurs expériences, nous avons obtenu un modèle animal représentatif des stades précoces de la MA, c'est-à-dire avec des lésions focalisées dans l'une des premières structures du cerveau affectée par la MA : l'hippocampe. La présence des deux lésions histopathologiques caractéristiques de la maladie, accompagnée d'une astrocytose, a été observée par immunohistofluorescence. Une détérioration de la mémoire concernant plus particulièrement la mémoire de travail, ainsi que des anormalités de l'activité électrique cérébrale et notamment durant les phases de sommeil paradoxal, enregistrées par électroencéphalographie, ont également été mises en évidence. / Alzheimer's disease (AD) is characterized by a progressive decline in cognitive function with a memory impairment, a brain atrophy, and two histological hallmarks observed from post-mortem examination: extracellular β-amyloid plaques and intracellular tangles of the Tau protein abnormally phosphorylated. Numerous animal models of AD have been developed to understand and to test drugs against this pathology. However, any non-transgenic model of rodent developing amyloid plaques and the neurofibrilary pathology is currently available. The aim of this study is to develop the first non-transgenic model producing the two histopathological features of AD in the rat. The principle is to perform a concomitant intrahippocampal injection of a recombinant AAV (Adeno-Associated Virus) containing the human transgene tau with the P301L mutation, and of Aβ1-42 peptide, the main component of the amyloid plaques. After several experiments, we have obtained an animal model representative of the early steps of AD, i.e. with lesions focalized in one of the first affected brain structures in the AD: the hippocampus. The presence of the two histopathological hallmarks has been observed by immunohistofluorescence and associated with an astrogliosis. A memory impairment concerning more particulary the working memory, and abnormalities of the electrical activity of the brain and of the rapid eye movement sleep recorded by electroencephalography, are also characterized.

Les traitements pharmacologiques symptomatiques de la maladie d’Alzheimer (MA) actuellement commercialisés ont un effet modeste sur le fonctionnement cognitif. De plus, le développement clinique de nouveaux composés plus efficaces est freiné par l’absence de critères prédictifs pour juger précocement de leur efficacité clinique.Dans ce contexte, l’électroencéphalographie (EEG) pourrait constituer un bio-marqueur suffisamment sensible pour identifier précocement (Phase I) le potentiel thérapeutique d’une nouvelle molécule sur le fonctionnement cognitif. De plus, la difficulté pour détecter des améliorations subtiles dans les performances cognitives en Phase I (i.e. chez des sujets sains) pourrait être palliée par le développement de paradigmes expérimentaux, tels que la privation de sommeil (PS), visant à induire des déficits cognitifs réversibles chez le sujet sain.Ainsi, l’EEG et l’EEG couplée à la privation de sommeil (PS) seraient des stratégies innovantes et pertinentes pour juger et prédire l’efficacité clinique d’une molécule en Phase I.Dans ce travail, nous tentons de juger de la pertinence de telles stratégies en identifiant, chez des sujets sains, des marqueurs EEG du fonctionnement cognitif liés soit (1) à la prise d’un médicament ayant un effet sur la cognition, (2) soit à l’induction d’un déclin cognitif réversible, (3) soit à l’effet concomitant des deux paramètres. Pour y parvenir, deux études ont été réalisées.Dans une première étude, l’effet du donepezil sur l’activité électrique corticale a été étudié chez 30 volontaires adultes, jeunes et sains. Ces volontaires ont été traités par donepezil (5 mg/jour per os) (vs. placebo) pendant 15 jours suivant une procédure en double aveugle, randomisée et en cross-over. _x000D_A la fin de la période de traitement, un EEG (58 voies) a été réalisé au cours de deux tâches attentionnelles (auditive et visuelle). Les potentiels évoqués cognitifs (PEC), la cohérence de phase inter-essais (ITC) et la perturbation spectrale liée à l’événement (ERSP) ont ensuite été calculés.Dans une deuxième étude, l’effet d’une PS a été étudié chez 36 volontaires adultes, jeunes et sains. De plus, l’effet d’un médicament ayant un effet bien connu sur la cognition (en particulier sur la vigilance), le modafinil, a également été étudié sur cette PS.Suite à une PS de 24 h, les participants se sont vus administrés une dose de modafinil (200 mg en prise unique) (vs. placebo) suivant une procédure en double aveugle, randomisée et en cross-over. Un EEG (25 voies) a été réalisé au cours d’une tâche attentionnelle auditive (identique à celle de l’étude I) avant et après la PS. Les PEC, l’ITC et l’ERSP ont ensuite été calculés.Grâce à ces deux études, nous avons identifié, à l’échelle de groupe, des marqueurs EEG de la cognition liés soit à l’induction d’un déclin cognitif (induit par une PS), soit à l’intervention pharmacologique ciblant le système cholinergique (donepezil) ou différents neurotransmetteurs (modafinil). L’ensemble de ces marqueurs porterait sur la modulation de l’activité corticale au sein du réseau fronto-pariétal ventral, connu pour régir les processus attentionnels et exécutifs. Nous avons également confirmé que ce réseau serait sous-tendu par des activités oscillatoires δ/θ et α. L’efficience cognitive serait le reflet de l’intégrité de ce réseau.Nous avons conclu que l’EEG est un outil suffisamment sensible pour détecter des changements subtils dans les processus neurocognitifs de participants adultes, jeunes et sains suivant l’administration d’un traitement de la MA et de manière plus générale suivant l’administration d’un médicament ayant un effet sur la cognition lorsqu’un déclin cognitif est provoqué (PS).Sous réserve de réplication des résultats et d’analyses complémentaires, l’EEG ainsi que l’EEG couplée à la PS pourraient constituer des outils additionnels à l’évaluation cognitive pour prédire l’efficacité de nouveaux candidat médicaments de la MA. / Symptomatic pharmacological treatments currently marketed for Alzheimer’s disease (AD) have a modest effect on cognitive functioning. In addition, the clinical development of new and more effective compounds is hampered by the lack of predictive criteria to judge their early clinical efficacy.In this context, electroencephalography (EEG) could be a sufficiently sensitive biomarker to identify in an early stage (i.e. Phase I) the therapeutic potential of a new molecule on cognitive functioning. In addition, the difficulty to detect subtle improvements in cognitive performance in Phase I (i.e. in healthy subjects) could be overcome by the development of experimental paradigms such as sleep deprivation (SD), to induce cognitive deficits, still reversible in healthy subjects.EEG and EEG coupled with sleep deprivation (SD) would be innovative and relevant strategies to determine and predict the clinical effectiveness of a molecule in Phase I.In this work, we try to determine the relevance of such strategies by identifying, in healthy subjects, EEG markers of cognitive functioning related to (1) either the taking of a cognitive drug, (2) or the induction of a reversible cognitive decline, (3) or concomitant effects of the two parameters. In order to do that, two studies were performed.In a first study, the effect of donepezil on cortical electrical activity was studied in 30 young, healthy adult volunteers. These volunteers were treated with donepezil (5 mg/day orally) (vs. placebo) for 15 days following a double-blind, randomized, cross-over trial.At the end of the treatment period, an EEG (58 electrodes) was performed during two attentional tasks (auditory and visual). Event-related potentials (ERP), the inter-trial coherence (ITC) and the event-related spectral perturbation (ERSP) were then calculated.In a second study, the effect of SD was studied in 36 young, healthy adult volunteers. In addition, the effect of a cognitive drug (involving high alertness), the modafinil was also studied on this SD._x000D_Following a SD of 24 h, the participants were administered a dose of modafinil (200 mg in a single dose) (vs. placebo) in a double-blind, randomized, cross-over trial. An EEG (25 electrodes) was performed in a hearing attentional task (identical to that of Study 1) before and after the PS. The ERP, ITC and ERSP were then calculated.Through these two studies, we have found, at the group level, cognitive EEG markers related either to the induction of cognitive decline (SD) or pharmacological intervention targeting cholinergic system (donepezil) or several neurotransmitters (modafinil). All these markers would concern the modulation of cortical activity in the ventral frontoparietal network, known to regulate attentional and executive processes. We also confirmed that the network is underlying by δ/θ and α oscillatory activities. The cognitive efficiency would reflect the integrity of the network.We conclude that EEG is a sufficiently sensitive tool to detect subtle changes in neurocognitive processes of young, healthy adult volunteers, following the administration of a treatment of AD and more generally following the administration of a drug having an effect on cognition when cognitive decline is caused (SD).EEG and EEG coupled with SD could constitute additional tools to the current cognitive assessment for predicting the efficacy of new drug candidates for AD before initiation Phases II/III clinical trials. However, the present works needs to be replicated so that the EEG markers described here can be validated so as to be used in drug trials.

L’accumulation cérébrale progressive de peptides amyloïdes générés à partir du clivage du précurseur du peptide amyloïde (APP) par les sécrétases est un mécanisme central de la maladie d’Alzheimer. C’est pourquoi, améliorer la compréhension de la régulation et de l’homéostasie du métabolisme de l’APP est devenu primordial. Partant de ce constat, nous avons supposé qu’une partie de la réponse pourrait être apportée par la caractérisation de nouveaux acteurs du métabolisme de l’APP. De part leurs rôles cruciaux dans le cerveau (développement, plasticité et réparations) et dans le métabolisme de l’APP (&#945;-sécrétases), les ADAMs sont des protéines d’intérêt dont certaines fonctions ou rôles restent à déterminer. Précédemment, par une approche transcriptomique ciblant la famille des ADAMs dans des cerveaux de patients et de contrôles, ADAM30 a été retrouvée sous-exprimée dans le cerveau des patients atteints de la pathologie. Dans deux modèles cellulaires nous avions constaté que la sous-expression d’ADAM30 entraînait une augmentation de tous les produits du métabolisme de l’APP comme chez les patients. Le résultat opposé a été obtenu lors de la sur-expression d’ADAM30 dans ces cellules. Pour tenter de répliquer ces résultats dans un modèle plus proche de la physiopathologie humaine, nous avons développé un modèle de souris triples transgéniques surexprimant l’APPSweInd et ADAM30 de manière conditionnelle. Dans ce modèle nous avons observé et mesuré une diminution des dépôts amyloïdes dans le cerveau des souris exprimant ADAM30. Dans un second temps puisqu’il avait été montré au laboratoire qu’ADAM30 ne module pas l’activité des sécrétases et ne clive pas directement l’APP, nous avons cherché à déterminer les substrats d’ADAM30 dans le cadre du métabolisme de l’APP. Par une approche systématique nous avons pu déterminer que la Cathepsine D (CTSD) et l’Insuline Receptor Substrat 4 (IRS4) sont deux substrats potentiels d’ADAM30. Dans nos modèles cellulaires et de souris, nous avons pu constater qu’ADAM30 est capable de cliver et d’activer la CTSD. L’activité de la CTSD semble nécessaire pour l’action d’ADAM30 sur le métabolisme de l’APP. Nous avons pu déterminer que l’action spécifique d’ADAM30 pour la CTSD est dépendante de la séquence d’adressage au lysosome située dans l’extrémité C-terminale de l’APP. Comme la CTSD est une protéine Lysosomale, ADAM30 pourrait favoriser spécifiquement l’activation de la CTSD augmentant ainsi la dégradation de l’APP au sein de la voie endosome/lysosome. Ce mécanisme limiterait l’entrée de l’APP dans son métabolisme et donc la production de peptides amyloïdes. Afin de mieux comprendre la spécificité d’action d’ADAM30 pour la CTSD et l’APP, nous avons commencé à travailler sur le rôle potentiel d’IRS4 et la relation entre la voie de signalisation de l’Insuline et le métabolisme de l’APP. Nos travaux nous ont donc permis de mettre en évidence un nouvel acteur du métabolisme de l’APP, ADAM30, intervenant dans la régulation et la dégradation de ce dernier et ainsi d’améliorer notre compréhension des mécanismes de régulations fins impliqués dans le processus physiopathologique de la maladie d’Alzheimer. / Progressive intra-cerebral accumulation of amyloid peptides formed after sequential cleavage of the amyloid peptide precursor (APP) by secretases , is a central mecanism for Alzheimer’s disease. Therefore, a better understanding of APP regulation and homeostasy is now crucial. With this background, we postulate that the characterization of new actors in the APP metabolism could provide a more subtle understanding of this APP metabolism and trafficking. From their obvious implication in brain (development, plasticity and repair) and in APP metabolism (&#945;-secretases), ADAMs (A Disintegrin And Metalloprotease) are an important protein proteins family which still have some undetermined function or role. Previously, a transcriptomic approach targeting ADAMs family bas been done at the laboratory on Alzheimer’s patient or control brains and found ADAM30 as under-expressed in Alzheimer’s patient brains. On cellular models, we confirmed that ADAM30 under-expression was associate with an increase in production/secretion of all the APP metabolim byproducts. Opposite results were found with ADAM30 over-expression. To replicate those results in another model closest to human pathophysiology, we have developed a triple transgenic mice model over-expressing APPSweInd and conditionally over-expressing ADAM30. In this model, we have observed and measured a decrease in amyloid deposits in mice brains over-expressing ADAM30. Secondly, because ADAM30 did not modulate secretase activities and did not cleave APP directly, we decided to determine ADAM30 substrats in the APP metabolism context. With a systematic approach, we have determined that Cathepsin D (CTSD) and Insulin Receptor Substrat 4 (IRS4) are two ADAM30 potential substrats. In our cellular models, we have found that ADAM30 is able to cleave and activate CTSD. This CTSD activity is required for ADAM30 action on APP metabolism. We have determined that ADAM30 specific action for CTSD is dependent on lysosome adressing sequence localised in APP C-terminal part. CTSD is a lysosomal protein and so ADAM30 would make CTSD specific activation easier. This mecanism would be able to increase APP degradation in endosome/lysosome pathway and reduce APP entry in its metabolism. To better understand ADAM30 specific action on CTSD and APP, we begin to investigate the potential role of IRS4 and the relation between insulin signaling pathway ans APP metabolism. Combined together, those data suggest that ADAM30 is a new APP metabolism actor, involved in an early APP regulation and degradation pathway dependent on lysosome activation. This study participate in a better understanding of the fine mecanism regulations involved in Alzheimer’s disease pathophysiological process.

Le vieillissement normal s’accompagne d’une diminution du contenu du cholestérol cérébral. Au contraire, une accumulation de cholestérol est associée aux processus toxiques dans plusieurs pathologies dégénératives (maladie d’Huntington, maladie de Parkinson, épilepsie, maladie de Niemann Pick de type C, maladie d’Alzheimer). De plus, les parallèles étroits existent entre la physiopathologie moléculaire de la maladie d’Alzheimer et celle de la maladie de Niemann Pick de type C, maladie de l’homéostasie du cholestérol. Ainsi on retrouve dans ces deux pathologies une hyperphosphorylation de la protéine Tau, associée à une augmentation des endosomes élargis et à la production de peptides A. L’ensemble de ces éléments évoque le rôle potentiel de la surcharge en cholestérol cérébral comme facteur favorisant le développement de la maladie d’Alzheimer. L’objectif de mon travail de doctorat a été de déterminer si une surcharge en cholestérol in vivo dans les neurones de l’hippocampe, région précocement touchée par la maladie d’Alzheimer, pouvait être à l’origine de processus neurotoxiques et de modifications biochimiques et neuropathologiques proches de ceux qui sont observés dans cette pathologie. La quasi-totalité du cholestérol cérébral est synthétisée in situ, la barrière hémato-encéphalique ne permettant qu’un apport minime du cholestérol périphérique. L’excès de cholestérol est exporté de la circulation sanguine sous la forme du 24-hydroxycholestérol, un métabolite produit exclusivement dans les neurones par la cholestérol-24-hydroxylase codée par le gène Cyp46a1.La surcharge en cholestérol a été induite in vivo par inhibition de la cholestérol-24-hydroxylase, dans l’hippocampe par une stratégie d’ARN interférence délivré par une injection stéréotaxique d’un vecteur AAV5. Nous avons étudié, d’une part la capacité d’une accumulation de cholestérol à induire chez la souris normale, un phénotype clinique et neuropathologique proche de la maladie d’Alzheimer et d’autre part si cette même accumulation de cholestérol neuronal pouvait aggraver ou compléter le phénotype Alzheimer d’un modèle murin de la maladie, la souris APP23. L’injection du vecteur AAV5-shCYP46A1 dans la stratum lacunosum moleculare de l’hippocampe conduit à une inhibition significative de l'expression du gène Cyp46a1, associée à une diminution de la concentration du 24-hydroxycholestérol et une augmentation du contenu en cholestérol dans les neurones de l’hippocampe, 3 semaines après l’injection. En réponse à cet excès de cholestérol, des mécanismes régulateurs permettent de diminuer, d’une part l’import et d’augmenter l’export du cholestérol de la cellule et d’autre part d’augmenter le contenu en phosphatidylcholine afin de rétablir un ratio phospholipide/cholestérol physiologique. Cependant, l'accumulation majeure de cholestérol intracellulaire conduit, 3 semaines après l’injection, à une activation de la réponse UPR (Unfolded Protein Response ou stress du réticulum endoplasmique) caractérisée par l'expression des gènes codant les facteurs XBP1s, ATF6, GRP78 associée à celles des protéines PERK phosphorylée, CHOP et caspase 12, entraînant l'activation des caspases 9 et 3. Elle est associée à la phosphorylation des protéines GSK3 (Tyr216) et Tau (Thr231). En parallèle, l’augmentation du cholestérol induit, 3 semaines après l’injection, une augmentation de l’expression de la protéine Rab5 (marqueur des endosomes précoces) et une relocalisation de la protéine APP dans les fractions de radeaux lipidiques associées à l'activation de la voie amyloïdogénique (production des fragments-CTF et des peptides A42). L’étude lipidomique met en évidence, 4 semaines après l’injection, une augmentation du contenu en céramide à longues chaînes et à une augmentation des gangliosides. Tous ces éléments aboutissent à un processus de perte neuronale associée à un recrutement des astrocytes dès la quatrième semaine après l’injection.... / An increasing number of arguments suggest a close and complex link between cholesterol metabolism and neurodegenerative diseases, particularly with Alzheimer’s disease. Normal ageing is associated with a decrease of brain cholesterol content. Conversly, accumulation of brain cholesterol is associated with several neurodegenerative diseases (Huntington disease, Parkinson disease, epilepsy, Niemann Pick C disease, Alzheimer’s disease). Moreover, close connections exist between molecular physiopathology of AD and that of Niemann Pick, a disease of cholesterol homeostasis. Altogether, these results suggest that cholesterol overload might play a role, as an initiating factor for the development of AD.In the brain, cholesterol metabolism is tightly controlled. In adults, cholesterol is mainly synthetized by astrocytes, then shuttles to neurons where it is used. All cholesterol excess must be eliminated. Cholesterol cannot cross freely the blood-brain-barrier. To be metabolized, brain cholesterol must be converted in 24-hydroxy-cholesterol by the cholesterol-24 hydroxylase enzyme, coded by CYP46A1 gene. The objective of my PhD project was to determine if cholesterol accumulation in vivo in hippocampal neurons, a region early involved in AD pathology, could trigger neurotoxic processes with biochemical and neuropathological modifications close to what is observed in AD. Cholesterol overload in vivo was induced by inhibiting cholesterol 24-hydroxylase enzyme activity, using an RNA interference strategy. Stereotactic injection of an AAV5- shCYP46A1 vector in the stratum lacunosum moleculare of the hippocampus led to significant and rapid (as soon as 3 weeks after injection) inhibition of the Cyp46a1 gene in the hippocampus with an absence of RNA interference off-target effect. This inhibition was associated with a decrease of 24-hydroxycholesterol content and an increase of the cholesterol content. In response to this cholesterol excess, cell control mechanisms were initiated leading to decrease import and increase export of cholesterol, accompanied with an increase of phosphatidylcholine content to restore a physiological ratio of phospholipide/cholesterol. However, major accumulation of cholesterol led to neuronal death with activation of caspases 9 et 3, suggesting an apoptotic process. The cholesterol overload drives to an endoplasmic reticulum stress, with activation of the unfolded protein response (UPR) and expression of spliced XBP1, ATF6, GRP78, phosphorylated PERK, CHOP and caspase 12. These modifications were associated with phosphorylation of GSK3 (Tyr 216) and tau (Thr 231) proteins. In parallel, cholesterol accumulation led to increased expression of Rab5 (early endosome marker) and relocalization of APP in rafts domains associated to activation of amyloid pathway (production of -CTF fragments and A42 peptides). Lipidomic analysis showed an increase of ceramides and gangliosides content. All these modifications were associated with neuronal death 4 weeks after injection and astrocytosis, leading to an EEG theta rhythm accelerated to beta frequencies, memory deficits and hippocampal atrophy. In a mouse model of Alzheimer disease, the APP23 mouse, cholesterol accumulation led to major aggravation of the phenotype, with increased production of A peptides, occurring of tau phosphorylation and UPR response, leading to accelerated neuronal death. Altogether, these results suggest a direct link between cholesterol accumulation in the brain and Alzheimer’s disease. Brain cholesterol accumulation could seed the sows to the development of Alzheimer’s pathology. Reducing cerebral cholesterol could thus be a relevant therapeutic strategy to prevent the development, or at least slow down the evolution of the pathology in Alzheimer’s disease.

Avec 35 millions de personnes atteintes dans le monde, la maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue. L'une des caractéristiques pathologiques de cette maladie est l'apparition de plaques amyloïdes, composées d'agrégats de peptide beta-amyloïde. Aujourd'hui, le diagnostic repose essentiellement sur des tests neuropsychologiques et sur la mise en évidence de changements dans la structure du cerveau tels que l'atrophie corticale (diminution du volume du cerveau). Cependant les symptômes de cette maladie n'apparaissent qu'à un stade très développé. Ainsi la détection in vivo des dépôts de peptide beta-amyloïde avant le développement de la maladie pourrait conduire à un diagnostic plus précoce et plus probant. Elle pourrait également faciliter le suivi et l'évaluation des effets des interventions thérapeutiques au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé une méthode de diagnostic précoce innovante, capable de cibler et de détecter les plaques Abeta à la fois par l'imagerie par résonance magnétique et par l'imagerie de fluorescence. Nous avons développé un nouveau type d'agents de contraste intelligents pour l'imagerie multimodale, basé sur des nanoparticules magnétiques sur lesquelles sont greffés les polythiophènes luminescents (LCPs). Les LCPs à la surface des nanoparticules magnétiques se lient aux plaques Abeta de manière sélective et spécifique. Lors de cette liaison, la liberté conformationnelle des polythiophènes se trouve limitée, ce qui conduit à des spectres d'émission spécifiques dépendant de la conformation, et rend pertinent l'usage de l'imagerie par résonance magnétique et de fluorescence des plaques Abeta / Alzheimer's disease is the most common neurodegenerative disorder, affecting around 35 million people worldwide. One of the characteristic pathological hallmarks of AD is amyloid plaques; consist of beta-amyloid peptide aggregates. Today’s diagnosis depends essentially on neuropsychological tests and in highlighting change in brain structure such as cortical atrophy. A major issue is that symptoms appear only at a developed stage of the disease. Then in vivo detection of beta-amyloid deposits at an early stage could lead to earlier and more conclusive diagnosis of AD and help monitoring the effect of therapeutic interventions. In this work, we develop an innovative and early diagnosis method, able to target and detect beta-amyloid deposits aggregates both by magnetic resonance and fluorescence imaging. Thus we develop a new kind of smart contrast agent for multimodal imaging, based on magnetic nanoparticles on which are grafted luminescent conjugated polythiophenes (LCPs). LCPs on the surface of the magnetic nanoparticles bound to beta-amyloid aggregates selectively and specifically. Upon biding to beta-amyloid aggregates the conformational freedom of the backbone is restricted, leading to specific conformation-dependent emission spectra from the LCPs, opening the way for magnetic resonance and fluorescence imaging of the beta-amyloid plaques