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La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative dévastatrice qui touche environ 1 personne sur 400 au cours de sa vie. La maladie se manifeste initialement par une déficience des motoneurones supérieurs et inférieurs et finit par évoluer vers la paralysie et la mort à la suite d’une insuffisance respiratoire dans les 2 à 5 ans suivant l’apparition des symptômes1. La SLA peut être héréditaire, avec plus de 30 mutations génétiques différentes, mais seulement 4 variantes génétiques (C9orf72, FUS, SOD1, TARDBP) représentant environ 55 % de la SLA familiale. La majorité des cas de SLA, soit environ 90 %, représentent une SLA sporadique, dont les principales causes ne sont pas encore entièrement comprises2. Il est urgent de démêler les mécanismes de la SLA en utilisant les outils et les organismes modèles appropriés. Dans cette collection de méthodes, nous donnons un aperçu des progrès récents de la recherche en termes d’imitation de cette maladie et, espérons-le, de recherche d’options de traitement. Par exemple, l’application de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) qui peuvent être différenciées en motoneurones ou en astrocytes offre un système modèle humanisé 3,4,5. De plus, dans cette collection de méthodes, des modèles animaux sont présentés, tels que la drosophile pour étudier l’absorption du glucose et la jonction neuromusculaire (JNM) in vivo 6,7, les souris pour étudier les neurones corticaux8, et C. elegans ou le poisson zèbre pour étudier les déficiences motrices 9,10 et les tissus des patients post-mortem11.
Les larves de poisson-zèbre sont transparentes et leurs motoneurones sont directement visibles, ce qui en fait un outil parfait pour les études in vivo non invasives. Asakawa et al. montrent la transition de phase de TDP-43 exprimée optogénétiquement dans des motoneurones spinaux uniques9. Après irradiation, la relocalisation cytoplasmique de TDP-43 peut être observée et analysée. L’agrégation de la TDP-43 cytoplasmique est une caractéristique de la dégénérescence des motoneurones dans la SLA. Cette méthode permet l’étude fonctionnelle et l’analyse des protéines associées à la SLA de manière subcellulaire et temporelle.
À l’aide de la microscopie à illumination structurée (SIM) à super-résolution, Coyne et Rothstein détaillent un protocole qui isole les noyaux et décrivent comment étudier les complexes de nucléoporine11. Les complexes nucléoporines sont constitués de plusieurs copies d’environ 30 protéines nucléoporines différentes (Nups). Il a été démontré que l’altération du transport nucléocytoplasmique (TCN) et les altérations de Nup sont des caractéristiques précoces de nombreuses maladies neurodégénératives, y compris la SLA. En extrayant les noyaux, il est possible d’étudier les protéines Nup individuelles au sein du NPC et du nucléoplasme en 3D. Il est intéressant de noter que cela peut être appliqué non seulement aux cellules dérivées d’iPSC, mais également aux tissus post-mortem.
Currey et Liachko décrivent deux tests pour distinguer les déficiences motrices légères, modérées et sévères dans les modèles C . elegans de la SLA10. Dans le test de locomotion radiale, le rampement sur une surface est mesuré, ce qui en fait un test facile et rentable. Dans leur deuxième méthode, le test de nage, les mouvements de battement peuvent être mesurés à l’aide d’une méthode de suivi informatisée. Les auteurs l’utilisent pour étudier la TDP-43 et la protéine tau.
Hayes et al. décrivent également une méthode pour étudier NCT8. Ils appliquent une méthode de perméabilisation à des cultures neuronales. À l’aide de neurones corticaux primaires de souris, ils décrivent une méthode qui maintient l’intégrité de la membrane nucléaire en utilisant la lyse hypotonique combinée à un coussin d’albumine sérique bovine. Ce faisant, l’importation nucléaire fonctionne toujours de manière dépendante de l’énergie, fournissant ainsi une plate-forme de microscopie et d’analyse à haut contenu. Cette plateforme aura une large applicabilité à l’avenir pour l’étude du transport nucléaire passif et actif dans les neurones primaires.
L’évaluation rapide de l’impact de la manipulation, des protéines liées à la maladie ou de l’ARN sur les processus synaptiques et de la capacité des médicaments thérapeutiques à restaurer ces fonctions est essentielle pour la recherche sur la SLA. En utilisant des motoneurones dérivés d’iPSC ainsi que des neurones primaires de souris, Krishnamurthy et al. présentent un protocole qui permet la surveillance en temps réel de la dynamique de l’afflux de calcium présynaptique et de la fusion de la membrane des vésicules synaptiques3. Les auteurs démontrent que la transfection C9orf72-(GA)50 altère la transmission synaptique, soulignant l’adéquation de ces méthodes pour détecter les différences basées sur la mutation dans la fonction synaptique.
L’altération de l’absorption du glucose est l’une des caractéristiques pathobiologiques de la SLA. Dans ce modèle de drosophile , Loganathan et al. décrivent une méthode basée sur le FRET pour mesurer les changements intracellulaires dans l’absorption du glucose dans des cellules spécifiques6. À l’aide d’un capteur de glucose FRET codé génétiquement, ils valident leur méthode avec des neurones d’expression TDP-43, qui présentent une absorption de glucose plus élevée. Dans la lignée mutante TDP-43G298S , l’augmentation de l’absorption de glucose n’est détectable qu’après stimulation du glucose. Cette méthode fournit un outil important pour étudier la glycolyse non seulement dans la SLA, mais aussi généralement en relation avec la régénération des motoneurones.
Les techniques de dissection préservant l’architecture de la NMJ sont de la plus haute importance pour étudier les changements dans les motoneurones le long de la jambe de la drosophile au fil du temps. Stilwell et Agudelo utilisent une technique qui permet de caractériser la JNM pour identifier les arborescences des motoneurones à l’aide de l’immunocytochimie7. Fait intéressant, les neurones adultes sont présents tout au long de la vie d’une mouche, soit environ 90 jours. En comparant une mutation SOD1H71Y à celle du type sauvage, les auteurs mettent en évidence différents marqueurs de gonflement des boutons dépendant de l’âge, d’agrégats de protéines et d’hypertrophie des mitochondries.
L’innovation d’imiter une JNM à l’aide d’un système de co-culture répond au besoin urgent d’étudier la dissociation entre les motoneurones et les myotubes. En ce qui concerne cette méthode, Stoklund Dittlau et al. décrivent comment cultiver des motoneurones humains dérivés d’iPSC et des myotubes primaires humains dérivés de mésoangioblastes pour former des NMJ fonctionnellement actifs4. Les auteurs montrent leur fonctionnalité par l’activation des motoneurones avec le chlorure de potassium et l’afflux de calcium dans les myotubes marqués au Fluo-4 par la suite, ce qui a été aboli par l’administration de bloqueurs de la JNM.
Récemment, les systèmes de co-culture ont fait l’objet d’une attention croissante. L’étude non pas d’un mais de plusieurs types de cellules dans une boîte présente l’avantage d’imiter les conditions physiologiques mieux que les méthodes utilisant des cellules en monoculture. La pathobiologie liée à la SLA, comme la toxicité induite par les astrocytes et l’hyperexcitabilité neuronale, peut être étudiée à l’aide de cette approche. Dans la vidéo de Taga et al., la génération de neurones corticaux et d’astrocytes dans une co-culture combinée à une configuration de réseau multi-électrodes (MEA) est montrée pour la surveillance de l’électrophysiologie5. L’activité fonctionnelle peut être surveillée au fil du temps, ce qui permet une flexibilité dans la composition cellulaire ainsi que dans différentes conditions de culture. Cela fournit en outre une plate-forme pour tester le potentiel thérapeutique des médicaments et leur influence sur l’activité fonctionnelle.
À l’heure actuelle, il n’existe que trois traitements approuvés par la FDA pour la SLA, tous avec un potentiel d’application limité. Pour trouver des traitements plus prometteurs, les recherches futures doivent mieux comprendre la pathobiologie en utilisant plusieurs systèmes et approches modèles. Sans aucun doute, les modèles humains dérivés d’iPSC fourniront une plate-forme intéressante pour étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents. Ceci, combiné à des systèmes modèles tels que le poisson zèbre, C. elegans, la drosophile ou les rongeurs, conduira à des progrès dans le domaine. De plus, les recherches épidémiologiques futures fourniront, espérons-le, plus d’informations sur la façon dont les facteurs environnementaux jouent un rôle dans le développement de la SLA12. Avec l’expansion des ensembles de données et le développement rapide de la bioinformatique, il deviendra plus facile de démêler les dénominateurs communs des maladies neurodégénératives à l’avenir. Cela mènera à de nouvelles avenues de thérapie, voire de prévention.