Evaluation of the Dopaminergic System Using In Vivo PET Imaging and Post-Mortem Analyses in the Context of Mild Neurodegenerative and Neuroinflammatory PD Models - Molecular Imaging Research Center Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Evaluation of the Dopaminergic System Using In Vivo PET Imaging and Post-Mortem Analyses in the Context of Mild Neurodegenerative and Neuroinflammatory PD Models

Évaluation du système dopaminergique en utilisant l'imagerie TEP in vivo et des analyses post mortem dans le contexte d'un mod PD neurodégénératif et neuroinflammatoire léger

Résumé

The cerebral pathology of Parkinson’s disease is characterized by a progressive loss of dopaminergic neurons of the substantia nigra, and an accumulation of α-synuclein aggregates. neuroinflammation and genetic predisposition contribute to PD as the main confounding factors. In this PhD thesis, I aimed to evaluate, in vivo and post-mortem, the effects of three factors on the dopaminergic system: 1) α-synuclein overexpression, 2) α-synuclein and LRRK2 co-expression, and 3) mild neuroinflammation, on the dopaminergic system and dopaminergic neuronal cell loss.To this end, positron emission tomography (PET) imaging and behavioural studies have been selected as the main in vivo tools. I have used [18F]LBT999 and [18F]FMT PET imaging to evaluate striatal levels of dopamine transporter (DAT) and the dopamine-synthesising AADC enzyme, respectively. To assess neuroinflammation, I have used [18F]DPA714 to evaluate 18kDa TSPO binding. The in vivo data were validated by post-mortem techniques evaluating the expression of genes (qPCR) and proteins (immunohistochemistry).The results of my work show that overexpression of human WT-α-synuclein in the substantia nigra through viral vectors (AAV2/6-PGK-WT-α-synuclein) does not generate detectable neuronal loss in the substantia nigra, nor does it generate in vivo motor deficits or changes in the dopaminergic system as seen by in vivo PET imaging. On the other hand, I have demonstrated here that overexpression of A53T-α-synuclein in the substantia nigra, using an AAV2/6-PGK-A53T-α-synuclein viral vector approach, resulted in significant α-synuclein aggregation in the substantia nigra as soon as 8wpi, but not in the striatum. Quantitative microscopic analyses show that A53T-α-synuclein aggregation induced a mild but progressive degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra. The loss of dopaminergic fibres in the striatum as detected by immunohistochemistry of tyrosine hydroxylase (TH) remains, however, moderate. DAT-PET imaging, but not AADC-PET imaging, was able to measure the progressive neuronal loss. Taken together, our in vivo and post-mortem data suggest that DAT-PET does not only reflect neuronal loss induced by α-synuclein accumulation, but also functional compensation mechanisms of the dopaminergic synapse. A reduction in DAT levels, combined with normal TH and AADC levels, could normalise the synaptic dopamine concentrations in the striatum. In addition, this dopaminergic neuronal loss coincided with in initially moderate, followed by a more pronounced microglial response. Finally, in a viral vector model of co-overexpression of AAV2/6-PGK-A53T-α-synuclein and AAV2/6-PGK-G2019S-LRRK2, we did not observe added neurotoxicity of G2019S mutated LRRK2 to A53T-α-synuclein toxicity.In an acute neuroinflammatory model following LPS injection in the striatum, post-mortem analysis revealed the absence of dopaminergic neuronal loss in the substantia nigra and synaptic loss in the striatum. Nevertheless, I observed a significant inverse correlation between inflammation markers (TSPO-PET and IBA1 expression) and markers for dopamine production (TH) and storage (VMAT2). These data support the hypothesis that neuroinflammation may impair the functionality of the dopaminergic system, regardless of the presence dopaminergic neuron loss.In summary, my thesis results confirm the interest of PET in demonstrating functional damage in vivo, which cannot be demonstrated post-mortem in animal models of PD.
La pathologie cérébrale de la maladie de Parkinson (MP) est caractérisée par une perte neuronale progressive des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNc) et une accumulation d'α-synucléine agrégée. L’inflammation et la prédisposition génétique contribuent à la MP en tant que facteurs principaux de comorbidité. Dans cette thèse, j’ai étudié, in vivo et post mortem, les effets de trois facteurs sur le système dopaminergique: 1) l’agrégation d’α-synucléine, 2) la toxicité additionnelle des mutations LRRK2 et 3) une neuroinflammation modérée. Pour ce faire, l'imagerie par Tomographie par Emission de Positons (TEP) et des tests comportementaux ont été utilisés. J’ai utilisé les radiotraceurs [18F]LBT-999 et [18F]FMT pour mesurer respectivement les taux cérébraux du Transporteur de la dopamine (DAT) et de l’AADC, l’enzyme de synthèse de la dopamine. Pour évaluer l’inflammation j’ai utilisé le [18F]DPA714, un radiotraceur de référence pour la neuroinflammation radioligand du TSPO 18kDa,. Les résultats obtenus ont été validés par des techniques post mortem évaluant l'expression des gènes (qPCR) et des protéines (immunohistochimie). Les résultats de mes travaux montrent que la surexpression de l’α-synucleine humaine « sauvage » obtenue par transduction de la substance noire par des vecteurs viraux (AAV2/6-PGK-WT-α-synuclein) ne génère ni perte neuronale détectable dans la substance noire, ni déficits moteur, ni changements majeurs du système dopaminergique observé par imagerie TEP in vivo. D'autre part, utilisant cette même stratégie d’expression par vecteur viral (AAV2/6-PGK-A53T-α-synucléine), j'ai démontré une agrégation significative de l’α-synucléine mutée (A53T) dans la substance noire dès 8 semaines post-injection, celle-ci restant très faible dans le striatum. Les analyses quantitatives en microscopie montrent que la surexpression de l’α-synucléine induit une dégénérescence modérée mais significative des neurones dopaminergiques, s’aggravant au cour du temps. La perte des fibres dopaminergiques détectées par l’immunohistochimie de la Tyrosine Hydroxylase (TH) reste cependant très modérée dans le striatum. Les résultats obtenus par imagerie TEP montrent une réduction du DAT dans le striatum, au contraire de l’AADC dont les niveaux restent stables. Ainsi, les données in vivo combinées aux observations post-mortem suggèrent que l’imagerie TEP du DAT ne reflète pas seulement la perte neuronale induite par l’α-synucléine, mais aussi une dérégulation fonctionnelle de la synapse dopaminergique. Celle-ci pourrait permettre, via la baisse du transporteur, et en présence de niveau normaux de TH et AADC le maintien des concentrations synaptiques de dopamine dans le striatum. J’ai également montré que cette perte neuronale coïncidait avec une réponse inflammatoire initialement modérée, suivie d'une réponse microgliale plus prononcée. Enfin, dans le modèle viral de co-expression des vecteurs AAV2/6-PGK-A53T-α-synucléine et AAV2/6-PGK-G2019S-LRRK2, nous n’avons pas observé que la présence de LRRK2 mutée augmentait la toxicité de l’α-synucléine.Dans le modèle de neuroinflammation induite par l’injection de LPS, l’imagerie TEP et les analyses post-mortem montrent l’absence de perte des neurones dopaminergiques. Néanmoins, j'ai mis en évidence une corrélation inverse significative entre les marqueurs de sévérité de l'inflammation (l’imagerie TEP des TSPO, expression IBA1) et les marqueurs de production (TH) et de stockage (VMAT2) de la dopamine. Ces données renforcent l'hypothèse que la neuroinflammation altère la fonctionnalité du système dopaminergique, indépendamment de la perte neuronale dopaminergique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03702252 , version 1 (23-06-2022)

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  • HAL Id : tel-03702252 , version 1

Citer

Pauline Roost. Evaluation of the Dopaminergic System Using In Vivo PET Imaging and Post-Mortem Analyses in the Context of Mild Neurodegenerative and Neuroinflammatory PD Models. Neurobiology. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASS086⟩. ⟨tel-03702252⟩
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