Exploration de voies relatives à l’immunité dans des formes familiales de la maladie de Parkinson – IMMUNE-PARK

Étudier les microglies en laboratoire

Les microglies sont les cellules immunitaires du cerveau, jouant un rôle clé dans la protection et le soutien des neurones. Pour mieux comprendre leur implication dans la maladie de Parkinson, nous avons développé deux modèles in vitro :

1. iMACs – Ces cellules ressemblent aux premières cellules immunitaires qui migrent vers le cerveau au cours du développement.

2. hMDMi – Issues de cellules sanguines, elles ont été modifiées pour agir comme des microglies.

Nous avons utilisé des techniques avancées pour vérifier que ces cellules se comportent comme de véritables microglies. Ensuite, nous avons exposé des cellules microgliales dérivées de patients (portant des mutations liées à Parkinson, comme PRKN ou LRRK2) à des stimuli inflammatoires et analysé leurs réponses pour comprendre l'impact de ces mutations sur l'activité immunitaire.

Un modèle combiné de cellules cérébrales pour étudier Parkinson

Afin d’explorer les interactions entre différents types cellulaires dans la maladie de Parkinson, nous avons développé un modèle combinant trois cellules essentielles du cerveau :

• Neurones producteurs de dopamine (les cellules qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson)

• Astrocytes (cellules de soutien qui aident au bon fonctionnement des neurones)

• Microglies (cellules immunitaires du cerveau)

Ces cellules ont été dérivées de cellules souches de patients, puis cultivées ensemble dans un environnement contrôlé. Après stimulation inflammatoire, nous avons analysé l’activité des gènes pour observer les réponses des microglies et des autres cellules. Nos résultats montrent des altérations dans des gènes associés à l’inflammation et aux dysfonctionnements microgliaux, suggérant que les mutations liées à Parkinson perturbent la communication entre les cellules du cerveau.

Un modèle cérébral 3D plus avancé avec des organoïdes

Pour aller plus loin, nous avons mis au point un modèle 3D du mésencéphale (région du cerveau qui dégénère dans la MP), intégrant à la fois des neurones et des microglies, afin de mieux reproduire les conditions réelles du cerveau.

• Nous avons cultivé des structures cérébrales en laboratoire pendant 45 jours, puis introduit des cellules microgliales.

• Nous avons observé comment ces cellules immunitaires se déplacent, changent de forme et interagissent avec les neurones au fil du temps.

• Nous avons analysé l’impact de ces interactions sur la santé neuronale, la connectivité cérébrale et l’inflammation, en nous concentrant sur des processus comme le stress oxydatif et la fonction mitochondriale, tous deux liés à la maladie de Parkinson.

Ces modèles nous aident à mieux comprendre l’effet des mutations génétiques sur les cellules immunitaires du cerveau et leur rôle dans la maladie de Parkinson, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Nous avons étudié l’impact des mutations dans deux gènes associés à la maladie de Parkinson (LRRK2 et PRKN) sur les microglies, les cellules immunitaires du cerveau qui protègent le système nerveux central. En analysant l’activité des gènes dans des cellules dérivées de patients, nous avons observé que :

• Chez les patients porteurs de la mutation LRRK2, les gènes impliqués dans la réponse immunitaire sont plus actifs, tandis que ceux régulant la division cellulaire sont moins actifs après exposition à des molécules inflammatoires.

• Lorsqu’elles sont exposées à des toxines bactériennes (LPS), ces cellules montrent une forte réponse inflammatoire, qui reste élevée après l’ajout d’un autre stimulus (BzATP). Les gènes liés à la production d’énergie sont également affectés, suggérant un déséquilibre métabolique.

• Les cellules issues de patients PRKN montrent une activité accrue des gènes impliqués dans la réponse au stress cellulaire. Après stimulation, d’autres voies liées au stress cellulaire et au transport intracellulaire sont perturbées.

• Des recherches supplémentaires sont en cours avec un plus grand groupe de patients PRKN pour confirmer ces résultats.

• L’analyse des molécules de signalisation immunitaire (cytokines) a révélé une augmentation des marqueurs inflammatoires dans tous les groupes après stimulation, confirmant l’idée que les réponses immunitaires sont altérées chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.

Comprendre comment les mutations de Parkinson perturbent la communication entre les cellules du cerveau

Nous avons développé un modèle in vitro combinant trois types de cellules cérébrales humaines : des cellules immunitaires (microglies), des cellules de soutien (astrocytes) et des neurones dopaminergiques (qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson). En étudiant la mutation LRRK2-G2019S, nous avons découvert que:

• Les microglies porteuses de cette mutation sont moins réactives aux signaux extérieurs et présentent des anomalies de mobilité.

• Les neurones dopaminergiques et les astrocytes montrent des altérations dans leur développement et leur communication, ce qui pourrait contribuer aux dysfonctionnements cérébraux observés dans la maladie de Parkinson.

• Une analyse des réseaux cellulaires a révélé qu’alors que le nombre d’interactions entre les cellules augmente, leur communication devient plus faible, en particulier en raison des changements affectant les microglies et un type spécifique d’astrocytes.

Avancées et perspectives de la recherche sur la maladie de Parkinson

Les premiers résultats de ce projet ouvrent de nouvelles perspectives sur les mécanismes à l’origine du dysfonctionnement des microglies et son impact sur la communication entre les cellules du cerveau dans la maladie de Parkinson (MP). Grâce à des modèles cellulaires avancés, nous avons identifié des altérations spécifiques dans l'expression des gènes et les signaux échangés entre les microglies, les astrocytes et les neurones dopaminergiques, notamment en lien avec les mutations LRRK2-G2019S et PRKN. Ces modèles offrent une plateforme puissante pour explorer l’inflammation cérébrale et les interactions cellulaires, avec des implications directes pour le développement de nouveaux traitements.

Nos axes de recherche pour la suite du projet

Validation des gènes clés impliqués dans la MP : Nous allons approfondir l’étude des gènes dont l’activité est altérée dans la MP. En utilisant des techniques de modification génétique (CRISPR) et des approches pharmacologiques, nous analyserons leur rôle dans le mouvement, l’activation et la réponse des microglies aux signaux extérieurs. Cela nous aidera à mieux comprendre comment leur dysfonctionnement contribue à la progression de la maladie.

Amélioration et validation des modèles : Pour se rapprocher encore plus des conditions réelles du cerveau, nous intégrerons d’autres types de cellules, comme les cellules endothéliales, afin de mieux reproduire l’environnement cérébral. Nous comparerons également nos résultats avec des analyses de tissus cérébraux prélevés post-mortem chez des patients atteints de la MP, garantissant ainsi la pertinence clinique de nos recherches.

Identification de nouvelles cibles thérapeutiques : L’un de nos objectifs à long terme est d’exploiter ces découvertes pour trouver de nouvelles cibles thérapeutiques. Nous testerons des milliers de petites molécules pour évaluer leur capacité à rétablir l’équilibre des microglies et améliorer la communication entre les cellules cérébrales affectées par la MP.

Vers une médecine de précision pour les maladies neurodégénératives : En résumé, ce projet a permis de créer des modèles cellulaires solides et représentatifs des processus inflammatoires et dégénératifs dans la MP. Nos efforts actuels visent à affiner ces modèles, valider nos découvertes et les traduire en stratégies thérapeutiques. À terme, ces avancées pourraient contribuer au développement d’une médecine de précision adaptée aux maladies neurodégénératives.

L’activation chronique de la microglie est un phénomène bien décrit dans la maladie de Parkinson (MP), mais le rôle précis joué par ces cellules dans le processus neurodégénératif qui l’accompagne reste mal compris. Les découvertes récentes relatives à la fonction des gènes PRKN et LRRK2, dont la mutation cause des formes familiales de MP, ont apporté des arguments forts en faveur d’une implication de mécanismes liés à l’immunité. Ces gènes régulent des processus importants dans les cellules immunitaires, et leur mutation dérègle des voies de l’immunité, en particulier les voies de l’interféron (IFN) et de l’inflammasome NLRP3. Nous faisons l’hypothèse que le dérèglement de ces voies dans la microglie contribue au processus pathologique qui conduit à la dégénérescence neuronale dans la MP.
La technologie des cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSC) a transformé la manière dont nous modélisons les maladies. Des protocoles ont été développés pour générer des neurones, des astrocytes et des cellules de type microglial avec des propriétés moléculaires et fonctionnelles similaires à la microglie humaine. Il est désormais possible de développer des systèmes de co-culture en 2D mimant la diversité cellulaire du cerveau, et des organoïdes en 3D enrichi en microglie, qui reproduisent la complexité cellulaire et architecturale de régions cérébrales spécifiques. Ces systèmes permettent d’étudier des mécanismes cellulaires autonomes et non autonomes dans un contexte qui se rapproche de celui du cerveau humain.
Dans ce projet, nous tirerons parti de nos investissements dans le domaine de la technologie des hiPSC, de nos expertises complémentaires reconnues dans l’exploration fonctionnelle des gènes PRKN et LRRK2, et de l’accès au matériel biologique de patients porteurs de mutations de ces gènes, pour développer des modèles innovants de co-cultures triples en 2D et d’organoïdes mésencéphaliques enrichis en microglie, afin d’étudier le rôle de la microglie dans la MP. Nous projetons de :
1. Etablir et caractériser, à l’échelle moléculaire et fonctionnelle, deux modèles complémentaires de cellules de type microglial, générées à partir d’hiPSC ou de monocytes de sang périphérique ; et déterminer dans quelles mesure leurs propriétés sont impactées par la mutation des gènes PRNK et LRRK2.
2. Développer des co-cultures triples dérivées d’hiPSC et des organoïdes mésencéphaliques incorporant ces cellules de type microglial, et déterminer comment cette composante impacte son environnement spécifique (proportions relatives, maturité, profil d’expression génique de neurones et astrocytes) ; et comment l’environnement 2D/3D affecte à son tour les propriétés moléculaires et fonctionnelles de la microglie.
3. Reproduire dans ces modèles des cascades neuro-inflammatoires liées aux gènes PRKN et LRKK2, tout particulièrement celles relatives aux voies de l’IFN et de l’inflammasome NLRP3 ; déterminer leurs effets sur les interactions neuro-immunes, la survie neuronale et les signatures moléculaires de chaque type cellulaire ; et évaluer leur interaction avec d’autres mécanismes pathologiques clés de la MP (synucléinopathie, dysfonction mitochondriale).
4. Utiliser ces modèles pour disséquer l’impact de mutations des gènes PRKN et LRRK2, exprimées sélectivement dans la microglie, sur les propriétés de ces cellules, les interactions neuro-immunes et d’autres phénotypes d’intérêt pour la MP.
Ce projet générera des modèles innovants pour l’exploration des interactions intercellulaires dans le cerveau humain normal et pathologique. Il éclairera de manière nouvelle notre compréhension des relations neuro-immunes et du rôle de la microglie dans la MP, et ouvrira la voie à des découvertes potentiellement transférables en clinique. Enfin il créera un cadre collaboratif synergique qui renforcera la visibilité académique, la leadership et la compétitivité dans le domaine de la technologie iPSC appliquée aux maladies neurodégénératives en Europe.