La maladie d’alzheimer : vers une detection precoce

Décrites pour la première fois en 1907 par le Docteur Alois Alzheimer [1], les pertes de mémoires, les démences, ainsi que la perte d’autonomie sont dès lors considérées comme la conséquence d’une pathologie de dégénérescence neurofibrillaire et non plus comme une fatalité du vieillissement normal de l’organisme humain. Le Docteur Alzheimer base ses observations après l’analyse de coupes histologiques mettant en avant la présence de plaques séniles à la surface des neurones et d’amas de plaques dans les neurones. Cette neuropathologie  se caractérise alors par des modifications structurelles du cerveau observables à l’œil nu ou au microscope après l’analyse de coupes histologiques postmortem.

Bien que l’origine de la maladie reste difficilement établie, certains critères ont été identifiés comme étant des facteurs à risque au déclenchement de la maladie d’Alzheimer. Le principal facteur à risque est l’âge. Les personnes de 65 ans ont de nos jours 1 chance sur 20 de développer la maladie, au-delà de 85 ans la probabilité de développer la pathologie passe à 1 sur 4 [2]. L’état cardiovasculaire du patient est également un point important [3]. Ainsi, l’hypertension artérielle [4], l’hypercholestérolémie et l’obésité sont des facteurs aggravant. Le diabète de type 2 est aussi un facteur de risque majeur de la maladie d’Alzheimer [5]. Un patient atteint de la maladie d’Alzheimer a en effet des difficultés d’assimilation du glucose, et présente souvent les symptômes d’une personne diabétique. Enfin, les antécédents familiaux, les gènes spécifiques des éléments biologiques pathogènes de la maladie d’Alzheimer [6] et l’état socio-professionnel (niveau d’étude et niveau social) sont des facteurs de risque.

Compte tenu du manque de traitement efficace et de l’allongement de la durée de vie des personnes, cette maladie attire aujourd’hui toutes les attentions. Outre l’enjeu économique, l’impact sociétal lié à la compréhension scientifique et médicale et de diagnostic précoce de cette maladie est majeur. Si l’on se réfère à une étude menée en 2011, le nombre de personnes atteintes par la maladie d’Alzheimer en France s’élevait à 900 000, avec 225 000 nouveaux malades diagnostiqués par an, soit environ un nouveau cas toutes les trois minutes. En France, la maladie d’Alzheimer représente moins de 2 % des personnes de moins de 65 ans, entre 2 et 4 % des personnes de plus de 65 ans, et le pourcentage de personnes touchées passe à 15% à partir de 80 ans. Une légère disparité est cependant observée entre les hommes et les femmes, avec respectivement 40 et 60 % de malades déclarés, les femmes ayant une espérance de vie supérieure de 10 ans par rapport à celle des hommes [7]. Avec un taux de survie moyen de 8,5 ans à partir de l’annonce du diagnostic cette maladie est devenue la quatrième cause de mortalité en France derrière les tumeurs, les maladies cardiovasculaires et les accidents [8], et près de 25 millions de personnes touchées dans le monde. De plus ces chiffres devraient quadrupler d’ici à 2020, du fait de l’amélioration des conditions de vie et des techniques de soin, permettant à la population de vivre plus longtemps.

Cependant, grâce aux progrès des outils de diagnostic, il est possible de détecter de façon plus précise et de manière plus précoce la pathologie. Les récentes avancées dans le domaine du diagnostic ont permis par exemple de mettre en évidence et de caractériser les lésions à l’origine de la maladie d’Alzheimer à différentes échelles d’observations.

Actuellement, le diagnostic « préclinique », c’est-à-dire sans symptôme, n’est possible que pour les formes génétiques héréditaires (1 % des cas). Afin de diagnostiquer la maladie d’Alzheimer, des critères de normes comportementales existent pour l’évaluation de l’état du patient et sont présentés en Annexe A. Mais aucun outil permettant de donner des indicateurs quantitatifs n’existe aujourd’hui. Les maladies conformationnelles dont la maladie d’Alzheimer sont étroitement liées au phénomène de la polymérisation de protéines. La compréhension de ces agrégations de protéines et la possibilité d’évaluer les stades de polymérisation ouvrirait des perspectives en termes de prédiction, de diagnostic et de thérapie. Ces travaux s’inscrivent dans cet objectif et focalisent l’étude sur la polymérisation de deux protéines liées à la maladie d’Alzheimer, la protéine tau et le peptide Aß.

Mécanisme initial des maladies conformationnelles 

La conformation spatiale des protéines dépend des sites de liaison disponibles et de leur positionnement spatial. Ceux-ci peuvent changer sans que leur composition biochimique varie. On sait aujourd’hui que ce phénomène de modification des protéines en particulier par des lipides est une voie importante du contrôle de l’activité cellulaire. Ce changement s’opère alors par un phénomène de transconformation post-traductionnelle (modification des rapports de voisinage des acides aminés d’une protéine, par fixation ou départ d’un ion ou d’un substrat). L’activité biologique de ces protéines modifiées dépend alors des espèces réactives et métaux fixés et des sites de fixation. Bien que l’ensemble des mécanismes ne soient pas totalement connus, il apparaît de manière schématique qu’une grande concentration de ces protéines conduit, dans un premiers temps, à la formation d’oligomères par agrégation de ces peptides. L’agrégation en chaine de ces oligomères peut être à l’origine de la propagation de la nouvelle conformation d’une molécule modifiée à sa voisine impliquant des plaques caractéristiques présentes dans le cerveau de patients malades [13].

Par exemple les peptides Aß ont tendance à s’agréger sous forme de fibrilles pour ensuite former les plaques amyloïdes avec l’aide d’autres éléments environnants (métaux, autres protéines, …) [14], [15]. Les propriétés d’hydrophobie dues à leur taille réduite précipitent le phénomène de polymérisation qui dépend également de la température, du pH et de la présence d’ions, ainsi que de la concentration en peptides. L’organisation structurelle des oligomères créés est d’ailleurs assez ordonnée et dépend de la proportion en structure secondaire de feuillets ß. Ces structures en feuillet interagissent par la suite pour s’associer en fibrilles torsadées ou elliptiques suivant les intermédiaires en jeu [16]. Ce type de structuration a été d’ailleurs visualisé en 3D par micro-imagerie cryo-électronique et reconstitué numériquement à partir de mesures RMN [17]. La Figure I-4 ci-après montre la structure 3D reconstituée d’une fibrille.

Matière molle et techniques de caractérisation associées

Du fait de la structure des protéines dans leur milieu biologique, les milieux protéinés font partie des systèmes de la matière molle. La physique de la matière molle est un intermédiaire entre la physique des liquides et la physique des solides. Multiphasiques, leurs comportements peuvent répondre au cours de leur polymérisation aux lois de la physique des liquides mais également à la physique des solides [19]. Ce qui caractérise la matière molle, appelée aussi matériau complexe ou fluide complexe, est la capacité de cette dernière à se déformer sous un faible cisaillement puis à revenir à son état d’équilibre (caractère élastique de la matière). L’organisation structurale des fluides complexes dépend des énergies d’interaction entre les objets élémentaires. Ces énergies d’interaction (interactions de Van der Waals, liaisons H, etc.) sont étroitement liées à l’énergie thermique à température ambiante [20]. Les effets enthalpiques, définissant la quantité de chaleur pour effectuer une transformation d’un système à pression constante tout au long d’un travail mécanique, sont proches des effets entropiques, qui définissent le degré de désordre moléculaire. De ce fait, ces systèmes complexes observent des modifications de structure sous l’effet de faibles variations environnementales (température, pression, concentration, pH, etc.) ou sous l’effet de faibles sollicitations extérieures (contraintes mécaniques, champ électrique, champ magnétique, etc.). Elle peut se trouver sous forme de suspensions colloïdales (incluant des cristaux liquides ou encore de fibres biologiques), de polymères incluant des brins d’ADN ou les fibres protéiques et des biofilms [21].

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : LA MALADIE D’ALZHEIMER : VERS UNE DETECTION PRECOCE
I.1 INTRODUCTION
I.2 MECANISME INITIAL DES MALADIES CONFORMATIONNELLES
I.3 MATIERE MOLLE ET TECHNIQUES DE CARACTERISATION ASSOCIEES
I.4 SYSTEMES INSTRUMENTAUX ASSOCIES A LA DETECTION DE LA MALADIE D’ALZHEIMER ET AU SUIVI DE POLYMERISATION DE PROTEINES
I.4.1 Détection de la maladie d’Alzheimer
I.4.2 Suivi de polymérisation
I.5 RHEOLOGIE ET GRANDEURS PHYSIQUES
I.6 ECHELLE D’INVESTIGATION ET MICRO-RHEOLOGIE
I.7 CONCLUSION
I.8 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE II : CONCEPTION ET FABRICATION DE TRANSDUCTEURS TSM
II.1 CONCEPTION DU CAPTEUR TSM A UNE ELECTRODE
II.1.1 Caractérisation de la composition chimique
II.1.2 Caractérisation électrochimique
II.1.3 Caractérisation morphologique
II.1.4 Caractérisation physico-chimique : énergies d’activation
II.1.5 Caractérisation de la propagation de l’onde acoustique
II.2 OPTIMISATION DU DESIGN POUR UN CAPTEUR A UNE ELECTRODE
II.2.1 Intérêt et paramètres optimisés
II.2.2 Résultats de l’optimisation
II.2.3 Caractérisation du capteur optimisé
II.3 DEVELOPPEMENT D’UN CAPTEUR MULTI-ELECTRODES
II.3.1 Etat de l’art et design d’un capteur TSM multi-électrodes
II.3.2 Développement d’un capteur multi-électrodes
II.4 CONCLUSION
II.5 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE III : SUIVI DE POLYMERISATION DE PROTEINES AVEC UN CAPTEUR UNE ELECTRODE
III.1 SUIVI DE LA POLYMERISATION DE LA PROTEINE TAU
III.1.1 Le peptide VQIVYK
III.1.2 Suivi des paramètres viscoélastiques du peptide VQIVYK à 22°C
III.1.3 Effet de la température sur la cinétique de polymérisation
III.1.4 Effet de la salinité du tampon sur la polymérisation
III.2 SUIVI DE POLYMERISATION DU PEPTIDE Aß
III.2.1 Mécanismes d’agrégation du peptide Aβ
III.2.2 Suivi rhéologique de la polymérisation du peptide Aβ
III.3 DETECTION EN MILIEU COMPLEXE
III.3.1 Milieux physiologiques pour les biomarqueurs
III.3.2 Sensibilité du capteur aux caractéristiques du milieu
III.4 DETECTION AVEC LE TRANSDUCTEUR A TROIS ELECTRODES
III.5 CONCLUSION
III.6 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION GENERALE

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