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Les maladies neurodégénératives ont une importance croissante dans nos sociétés, et représentent un défi thérapeutique majeur pour les années à venir. Cet article passe en revue l'état des connaissances actuelles sur les mécanismes impliqués dans la mort neuronale, en mettant un accent particulier sur la maladie de Parkinson. Les données de la littérature sont présentées de façon critique et discutées dans une perspective thérapeutique. En particulier, les stratégies faisant appel à des mécanismes de neuroprotection sont développées, de même que l'implantation de cellules souches, la production de facteurs de croissance et la thérapie génique.
L'importance médicale et socio-économique des maladies neurodégénératives ne cesse de croître dans nos sociétés vieillissantes, qui payent ainsi un lourd tribut en termes de morbidité et de mortalité. Il s'agit le plus souvent d'affections progressives qui conduisent à des limitations aux plans moteur et neuropsychologique, dont les exemples les plus fréquents et connus sont la maladie d'Alzheimer (MA) et la maladie de Parkinson (MP). Le dénominateur commun à ces maladies est la mort neuronale, dont la distribution anatomique détermine le type de symptomatologie qui est au premier plan. Ainsi, la compréhension des mécanismes impliqués dans la croissance, la survie et la mort neuronale est d'une importance fondamentale : elle permet d'approfondir nos connaissances des facteurs à l'origine des maladies neurodégénératives, et de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques.
En effet, dans la MP, les traitements actuels s'articulent autour des médicaments dopaminergiques et de la stimulation intracérébrale à haute fréquence, qui n'agissent pas sur l'évolution de la maladie. L'intérêt est ainsi grand de pouvoir développer des moyens pour inhiber la dégénérescence ou stimuler la régénérescence neuronale.
Cet article se propose de passer en revue les aspects principaux qui sous-tendent la survie et la mort des neurones, en particulier dans la MP, et d'aborder les conséquences présentes et futures sur le développement de nouveaux traitements.
La MP est caractérisée au plan pathologique par la dégénérescence sélective de certains systèmes neuronaux du tronc cérébral notamment, mais pas exclusivement, des neurones dopaminergiques situés dans la partie compacte de la substance noire (SNc), associée à l'apparition d'inclusions intracytoplasmiques composées de protéines agrégées, les corps de Lewy.1 Ces neurones se projettent sur le striatum, et le déficit dopaminergique induit par leur disparition conduit à une désinhibition du noyau sous-thalamique (NST), de la partie interne du globus pallidus (GPi) et de la substance noire réticulée (SNr), élément central dans le développement du parkinsonisme (figure 1).2
Son importance dans la dégénérescence nigrostriée a été suspectée par le fait qu'au cours du métabolisme physiologique de la dopamine (DA), des radicaux libres cytotoxiques et d'autres réactifs oxydants sont susceptibles d'être libérés. Ces radicaux peuvent être formés en excès dans certaines conditions, notamment lors d'une augmentation du métabolisme de la DA (formation d'H2O2), d'un déficit en glutathion (diminution de la transformation du H2O2) ou d'un excès en fer ferreux (Fe 2+). A l'état naturel, plusieurs molécules concourent à l'élimination de ces réactifs oxydés, notamment le glutathion, les enzymes glutathion peroxydase et superoxyde dismutase, l'acide ascorbique et la vitamine E. Parmi eux, la concentration de glutathion est clairement diminuée dans la SNc des patients parkinsoniens, ce qui pourrait altérer le métabolisme de H2O2 et promouvoir la production de radicaux libres, particulièrement en présence d'un excès de fer.3 L'origine de ce déficit en glutathion n'est pas connue dans le détail, mais l'on a notamment incriminé la buthionine sulfoximine, qui en inhibe la synthèse.
Le contenu total en fer est augmenté dans la SNc des patients parkinsoniens, et, compte tenu de ses propriétés oxydantes, il est suspecté qu'il s'agisse principalement de la forme Fe 2+.4 Enfin, de nombreux produits résultant de la peroxydation des lipides 5 et des protéines 6 sont retrouvés en excès dans la SNc des patients atteints de MP, témoignant de l'action des réactifs oxydants.
Une diminution de l'activité du complexe mitochondrial I a été rapportée à l'examen pathologique de cerveaux de patients parkinsoniens.7 Or, l'injection de 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP), une toxine qui provoque une atteinte qui mime la MP, induit la mort des cellules nigrostriées au travers d'une inhibition sélective de ce complexe,8 suggérant un rôle dans la MP. D'autres inhibiteurs du complexe I, notamment la roténone et le paraquat, sont aussi capables d'induire la mort des cellules nigrostriées.
Ce mécanisme de mort neuronale s'exerce avant tout en présence d'une transmission glutamatergique augmentée, menant à un afflux intracellulaire de calcium, et à l'activation d'enzymes qui conduisent à la mort de la cellule. La SNc est riche en récepteurs glutamatergiques. Or, dans la MP, le déficit dopaminergique conduit à une désinhibition du NST, dont les projections glutamatergiques sur la SNc se trouvent ainsi fortement stimulées, ce qui induirait la perte de neurones nigrostriés.9 L'excitotoxicité est également favorisée par des molécules telles que l'oxyde nitrique (NO), dont les concentrations intracellulaires sont augmentées par l'action du glutamate.10
Il existe des évidences en faveur d'une activation de la microglie et des astrocytes chez les patients parkinsoniens. Or, l'activation des astrocytes par le lipopolysaccharide provoque la libération de cytokines, de glutamate, de NO et de réactifs oxydants, et induit une diminution parallèle de production des facteurs neurotrophiques BDNF (Brain cell line-derived) et GDNF (Glial cell line-derived neurotrophic factors).11 En outre, l'administration de GDNF par vecteur lentiviral protège les singes de la dégénérescence nigrostriée induite par le MPTP.12
L'apoptose, ou «mort neuronale programmée» est déclenchée in vivo entre autre par la diminution des facteurs trophiques. In vitro, elle peut être induite par diverses substances, souvent en faibles concentrations, notamment la lévodopa (LD), la DA, une déplétion en glutathion, un excès de fer, le MPTP, la 6-hydroxydopamine (6-OHDA), divers produits pro-oxydants, et les inhibiteurs du complexe mitochondrial I. Les voies impliquées convergent vers l'activation de protéines telles que les caspases 3 et 7, aboutissant à la mort de la cellule.13 Dans le cerveau adulte, où il est nécessaire que les neurones survivent durant toute la vie de l'organisme, ces mécanismes sont inhibés par de nombreux «freins», tels que les protéines des familles bcl 2 ou HSP40 et HSP70. Ces dernières constituent autant de cibles pour de nouvelles stratégies thérapeutiques, notamment par l'apport de gènes induisant ou favorisant leur synthèse, au travers de substances ressemblant à ces molécules, ou par des facteurs neurotrophiques.
L'équilibre homéostatique de la cellule est intimement lié à sa capacité de se débarrasser de certaines protéines, afin d'éviter leur agrégation et la formation d'inclusions intracellulaires pouvant conduire à la mort neuronale. Le système ubiquitine-protéasome (UPS) permet de lier les protéines marquées, de les dégrader en peptides réutilisables, et de recycler les monomères d'ubiquitine (figure 2). Le système peut subir une régulation positive en cas d'augmentation de la quantité de protéines à éliminer. Dans certains cas, ces dernières forment des amas (agrésomes) afin de minimiser leur impact homéostatique. Il est intéressant de noter que les corps de Lewy, qui ont longtemps été considérés comme la cause de la mort neuronale dans la MP, ont également un rôle protecteur pour la cellule, par «l'emballage» de protéines qui n'ont pas pu être dégradées de façon adéquate.
Plusieurs formes génétiques de MP découvertes au cours des dernières années, dont les mutations de l'a-synucléine (PARK 1),14 fournissent des arguments additionnels à l'hypothèse d'un dysfonctionnement ou d'une insuffisance de l'UPS, provoquant l'accumulation de protéines et la mort de la cellule.15 Dans le cas de la parkine (PARK 2), dont les nombreuses mutations sont responsables d'un parkinsonisme juvénile autosomique récessif, l'activité ubiquitine ligase E3 favorise la poly-ubiquitination des protéines, étape nécessaire à leur dégradation par le protéasome (figure 2).16 Une forme particulière de MP autosomique dominante est induite par la mutation du gène UCHL-1 (PARK 5). Le produit est une ubiquitine C terminal hydrolase, impliquée dans le recyclage de poly-ubiquitine en monomères d'ubiquitine, qui sont dès lors réutilisables et disponibles pour un nouveau cycle de catabolisme protéique.17 Finalement, des évidences existent qui suggèrent un dysfonctionnement de l'UPS dans les formes sporadiques de la MP, où l'on peut notamment démontrer une réduction de la sous-unité a du protéasome 20S.18
Les études qui tentent de démontrer un effet neuroprotecteur dans la MP se heurtent à la difficulté majeure de le séparer, s'il existe, d'un éventuel effet symptomatique de la substance, et de la progression naturelle de la maladie. Dans les années 80-90, de grands espoirs sont nés des études sur la sélégiline. Il s'agit d'un inhibiteur irréversible de la monoamine oxydase B (MAO-B), qui est l'un des deux enzymes qui catabolisent la DA. L'observation d'un effet préventif sur le parkinsonisme induit par injection de MPTP est à l'origine de la grande étude Deprenyl and tocopherol antioxidative therapy of parkinsonism (DATATOP).19,20 Cependant, et bien que le débat ne soit pas complètement clos, l'effet bénéfique rapporté au début de l'étude correspond le plus probablement au faible effet symptomatique du médicament, et non à un véritable effet neuroprotecteur. Il a été suggéré que cette absence d'effet neuroprotecteur de la sélégiline soit liée au fait que son métabolisme génère des dérivés amphétaminiques, qui contrent ses effets antiapoptotiques.21 La rasagiline est une substance proche de la sélégiline, dont le métabolisme présente l'avantage de ne pas générer de dérivés amphétaminiques. Elle a ainsi récemment été évaluée avec des résultats encourageants,22 mais une étude critique des résultats a montré qu'aucun effet sur la progression de la maladie ne pouvait être démontré.
Le coenzyme Q-10, une substance aux propriétés accepteuses d'électrons du complexe mitochondrial I, a montré des résultats prometteurs dans une étude.23
Le rationnel en faveur de l'utilisation de substances aux propriétés antiglutamatergiques, mentionné plus haut, a conduit à l'évaluation notamment de l'amantadine, de la mémantine et de la budipine avec des résultats prometteurs bien que sujets à discussion.
Le National institute of neurological disorders and stroke (NINDS) aux Etats-Unis encourage actuellement des programmes d'évaluation de plusieurs substances desquelles l'on peut espérer une modification de l'histoire naturelle de la MP, notamment la caféine, le coenzyme Q-10, la créatine, les œstrogènes, le ganglioside GM1, la minocycline, la nicotine, la rasagiline, la sélégiline, le ropinirole et le pramipexole.24
Il s'agit d'un facteur qui a un puissant effet neuroprotecteur et régénérateur sur les cellules dopaminergiques. In vivo, il protèges ces cellules contre les lésions produites par l'administration de 6-OHDA, ainsi que de MPTP.25,26 Suite à des résultats encourageants chez le singe,27 une étude à large échelle chez l'homme a été réalisée en 1999 par administration intraventriculaire de GDNF, mais elle a dû être interrompue en raison d'effets secondaires et surtout de l'absence d'amélioration clinique des patients.28 Suite à cela, une étude ouverte a montré des résultats excellents par l'administration de GDNF directement dans le striatum chez cinq patients, avec une amélioration de 39% à une année du score UPDRS moteur (score de sévérité du parkinsonisme), de 61% des activités de la vie quotidienne, et de 64% des dyskinésies.29 Malheureusement, une étude randomisée en double aveugle réalisée par la suite sur 34 patients n'a montré aucun bénéfice.30
Délivré de façon continue directement dans le parenchyme striatal, à partir de cellules modifiées génétiquement et encapsulées, le GDNF a permis de prévenir la perte d'immunoréactivité thyrosine hydroxylase (TH) dans la SNc de rats après axotomie unilatérale du faisceau basal médian, et de diminuer le comportement de rotation de l'animal après administration d'amphétamines, un effet attribué au sprouting des dendrites de la SNc.31 Cette technique fait appel à l'implantation de microcapsules dont la perméabilité est déterminée de façon à laisser sortir le GDNF, à laisser entrer les substances nutritives, mais sans permettre d'interaction avec le système immunitaire du sujet, évitant ainsi les phénomènes de rejet.32 Chez le rat, un effet favorable durable peut se développer même lorsque la période de libération du GDNF est raccourcie par l'ablation prématurée des capsules.33
Une autre stratégie pour délivrer du GDNF dans le striatum repose sur l'utilisation d'un vecteur viral, sous forme de virus modifiés pour produire du GDNF humain et dont la réplication est réprimée.34 Par l'utilisation d'un vecteur lentiviral pour délivrer le GDNF dans le striatum de singes rendus parkinsoniens par l'administration de MPTP, on a pu démontrer une réversibilité de l'atteinte clinique, une augmentation de la fonction dopaminergique, et la prévention de la dégénérescence nigrostriée.12
Les cellules souches ont le potentiel de se diviser et de se différencier en cellules spécialisées. Contrairement à ce qui a longtemps été rapporté, le cerveau adulte comporte une faible proportion de cellules toujours capables de se diviser et de se différencier en neurones, principalement au niveau de la zone subventriculaire et dans le gyrus dentelé de l'hippocampe. Les principales stratégies thérapeutiques utilisant des cellules souches sont le recrutement (stimulé par différents moyens, notamment des facteurs de croissance, la division et la différenciation de cellules souches de l'hôte), et le remplacement (transplantation de cellules souches). Les cellules souches présentent l'avantage d'être cultivables et peuvent ainsi être produites en grande quantité. Des résultats encourageants ont été rapportés concernant leur différenciation en cellules dopaminergiques.35
La MP se prête particulièrement bien à la stratégie d'implantation de cellules souches en raison du caractère très localisé de la dégénérescence neuronale du moins au début, par opposition à la perte plus diffuse dans la MA. Il a été montré que des cellules embryonnaires dopaminergiques implantées pouvaient non seulement survivre, stocker de la DA et faire des synapses autour d'elles, mais également apporter un bénéfice cliniquement mesurable.36 Dans une étude randomisée en double aveugle, une amélioration de 18% de la partie motrice du score UPDRS off medication a été retrouvée à douze mois chez les patients implantés, et non chez les patients non implantés.37 Cette amélioration atteignait même 34% chez les sujets implantés de moins de 65 ans. Des dyskinésies importantes sont survenues dans l'évolution chez 15% des patients, malgré une réduction ou un arrêt du traitement de LD. Dans la seconde étude randomisée publiée à ce jour, il n'y a pas eu de bénéfice significatif chez les patients traités. Par contre, des dyskinésies importantes ont également constitué un problème majeur, cette fois chez 56% des patients.38 De façon intéressante, ces dyskinésies semblent survenir aussi dans les phases off medication, ce qui n'est pas l'habitude. L'une des hypothèses avancées est une croissance incontrôlée des fibres du greffon aboutissant à un excès de DA. A noter que dans ces deux études, les examens PET à la fluoro-dopa ont démontré une captation plus importante chez les patients opérés, témoignant de cellules greffées fonctionnelles.
Les principales stratégies de thérapie génique se divisent en ex vivo (un vecteur modifie des cellules qui ne seront transplantées à l'hôte que dans un deuxième temps) et in vivo (le vecteur est directement introduit dans les cellules de l'hôte). Parmi les vecteurs viraux, les virus adénoassociés (Recombinant adenoassociated virus = AAV) sont des adénovirus auxquels on a enlevé plus de 90% de leur matériel génétique, et qui ont la capacité d'infecter des cellules mitotiques et postmitotiques, ce qui les rend très intéressants pour les maladies du SNC. Les lentivirus présentent des avantages similaires. Les connaissances croissantes des voies métaboliques et des protéines impliquées dans la neurodégénérescence, en particulier pour la MP, ont permis d'identifier plusieurs cibles prometteuses, et plusieurs protocoles ont été réalisés chez l'animal, avec parfois des résultats très encourageants. Cependant, une seule étude préliminaire a débuté chez l'homme, qui a tenté le transfert dans le noyau sous-thalamique (NST) du gène GAD (Glutamic acid decarboxylase), dans le but de stimuler ces neurones à produire davantage de GABA, un neurotransmetteur inhibiteur, à la place du glutamate, excitateur, afin de diminuer les conséquences de l'hyperactivité de ce noyau dans la MP.39 Cette étude est cependant très controversée pour des motifs de sécurité, en raison du manque de données chez l'animal, et surtout car l'on dispose déjà, avec la stimulation à haute fréquence du NST, d'un moyen sûr et efficace d'inhiber le NST.
Il s'agit de l'administration intraveineuse d'un vecteur contenant du matériel génétique, et apte à le délivrer spécifiquement dans le parenchyme cérébral, en passant au travers de la barrière hémato-encéphalique. Chez le rat rendu parkinsonien par l'administration de 6-OHDA, le développement d'un vecteur immunoliposomique de 100 nm contenant le DNA de l'enzyme TH (nécessaire à la synthèse de dopamine) a permis, suite à son injection intraveineuse, de normaliser les taux d'activité TH au niveau striatal.40
Plusieurs remparts existent au développement d'essais humains de thérapie génique dans les maladies neurodégénératives (tableau 1). Cependant, les travaux de recherche en cours dont les résultats préliminaires sont prometteurs permettront vraisemblablement à moyen terme d'en surmonter un certain nombre, ce qui devrait engendrer un essor considérable pour ces traitements prometteurs.
Au cours des dernières décennies, des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension des mécanismes impliqués dans la dégénérescence et la régénérescence des neurones, ouvrant la perspective de traitements préventifs, voire curatifs pour les maladies neurodégénératives. Jusqu'à présent, aucun médicament ou traitement chirurgical n'a démontré d'effet neuroprotecteur qui soit accepté de façon unanime dans la MP. Cependant, de nombreuses études sont en cours, et la révolution thérapeutique qui verra un changement de paradigme dans les stratégies de traitement des maladies neurodégénératives est en marche !