Une nouvelle recherche menée par des scientifiques de l’Arizona State University a révélé certains des premiers indices moléculaires détaillés associés à l’une des principales causes de décès et d’invalidité, une condition connue sous le nom de lésion cérébrale traumatique (TBI).
Le TBI est un problème de santé publique croissant, affectant plus de 1,7 million d’Américains pour un coût annuel estimé à 76,5 milliards de dollars. Il s’agit de l’une des principales causes de décès et d’invalidité chez les enfants et les jeunes adultes dans les pays industrialisés, et les personnes qui subissent un TBI sont plus susceptibles de développer des déficits cognitifs et comportementaux graves et à long terme.
« Malheureusement, les mécanismes moléculaires et cellulaires de la progression des lésions TBI sont multiformes et n’ont pas encore été complètement élucidés », a déclaré Sarah Stabenfeldt, professeure à l’ASU et chef de file et auteur correspondant de l’étude, qui apparaît dans la revue. Avancées scientifiques. « Par conséquent, cette complexité affecte le développement d’options de diagnostic et de traitement pour le TBI ; le but de notre recherche était de répondre à ces limitations actuelles. »
Leur approche de recherche consistait à effectuer une recherche « biopanning » pour révéler plusieurs signatures moléculaires clés, appelées biomarqueurs, identifiées directement après immédiatement après l’événement traumatique (la phase aiguë), ainsi que les conséquences à long terme (la phase chronique) du TBI.
Pour le TBI, la pathologie évolue et change avec le temps, ce qui signifie qu’une seule protéine ou un seul récepteur peut être régulé positivement à une phase de la blessure, mais pas deux semaines plus tard. Cet environnement dynamique complique le développement d’une stratégie de ciblage efficace. »
Sarah Stabenfeldt, professeur ASU
Pour surmonter ces limites, les scientifiques de l’ASU, dirigés par Sarah Stabenfeldt, utilisent un modèle de souris pour leur étude afin de commencer à étudier les causes profondes du TBI en identifiant des biomarqueurs — des empreintes digitales moléculaires uniques trouvées avec une blessure ou une maladie donnée.
« La communauté de recherche en neurotraumatologie est un domaine bien établi qui a développé et caractérisé des modèles animaux précliniques pour mieux comprendre la pathologie TBI et évaluer l’efficacité des interventions thérapeutiques », a déclaré Stabenfeldt. « L’utilisation du modèle de souris établi nous a permis de découvrir par biomarqueur où la complexité et l’évolution de la pathologie de la blessure progressaient. »
Les scientifiques peuvent souvent commencer à concevoir des agents thérapeutiques ou des dispositifs de diagnostic basés sur la découverte de biomarqueurs. L’équipe de Stabenfeldt a utilisé une approche « ascendante » pour la découverte de biomarqueurs.
Les méthodes de découverte « descendantes » se concentrent sur l’évaluation des biomarqueurs candidats en fonction de leur implication connue dans la condition d’intérêt », a déclaré la première auteure de l’étude, Briana, récemment diplômée d’un doctorat du laboratoire de Stabenfeldt. « En revanche, une méthode « ascendante » analyse les changements dans la composition des tissus et trouve un moyen de relier ces changements à la condition. C’est une approche plus impartiale mais qui peut être risquée car vous pouvez éventuellement identifier des marqueurs qui ne sont pas spécifiques à la condition ou à la pathologie d’intérêt. »
Ensuite, ils ont utilisé plusieurs outils et techniques de « biopanning » de pointe pour identifier et capturer des molécules, y compris une technique d’« appât » pour pêcher des molécules cibles potentielles appelée système d’affichage de phages, en plus d’un système d’affichage à grande vitesse. Séquençage de l’ADN pour identifier les cibles protéiques dans le génome et spectromètres de masse pour séquencer les fragments peptidiques des expériences d’affichage de phase.
Un autre obstacle à la découverte est la physiologie unique d’un réseau maillé conçu pour protéger le cerveau des blessures ou des produits chimiques nocifs, appelé barrière hémato-encéphalique (BBB).
« La barrière hémato-encéphalique (BBB) est une barrière entre les tissus vasculaires et cérébraux », explique Stabenfeldt. « Chez un individu en bonne santé, la BHE régule étroitement l’échange de nutriments et de déchets du sang vers le cerveau et vice versa, compartimentant essentiellement le cerveau/système nerveux central. »
«Cependant, cette barrière complique également l’administration de médicaments au cerveau, de sorte que la plupart des molécules/médicaments ne traversent pas passivement cette barrière; par conséquent, le domaine de la délivrance de médicaments a cherché des moyens de moduler à la fois les mécanismes d’entrée et de délivrance. De même, pour les biomarqueurs sanguins pour le TBI ou d’autres maladies neurodégénératives, la spécificité à la pathologie et le transfert de la molécule (si elle provient du cerveau) du cerveau au sang est un défi. »
Lorsqu’un TBI survient, la blessure initiale peut perturber la BHE, ce qui déclenche une cascade de mort cellulaire, de tissus déchirés et perturbés et de débris.
La blessure à long terme provoque une inflammation et un gonflement, et entraîne une réponse immunitaire à entrer en action, mais peut également entraîner une altération des sources d’énergie du cerveau, ou peut étouffer l’approvisionnement en sang du cerveau, entraînant davantage de mort des cellules neuronales et un handicap permanent.
Un avantage clé de leur suite d’outils et de techniques expérimentaux du système d’affichage de phages est que les molécules et les biomarqueurs potentiels identifiés sont suffisamment petits pour se glisser à travers les minuscules trous dans le maillage de la BHE — ouvrant ainsi la voie à des thérapies basées sur sur ces molécules.
Ainsi, malgré tous ces obstacles, l’équipe a trouvé un moyen.
« Notre étude exploite la sensibilité et la spécificité des phages pour découvrir de nouveaux motifs de ciblage », a déclaré Stabenfeldt. « La combinaison du phage et du NGS [next-generation sequencing] a été utilisé précédemment, tirant ainsi parti de l’analyse bioinformatique. La contribution unique de notre étude rassemble tous ces outils spécifiquement pour un modèle in vivo de TBI. »
Ils ont trouvé une suite de biomarqueurs uniques associés uniquement aux phases aiguës ou chroniques du TBI. Dans la phase aiguë, le motif de ciblage TBI reconnaissait des cibles associées à un dysfonctionnement principalement métabolique et mitochondrial (la centrale électrique de la cellule), tandis que le motif TBI chronique était largement associé à des processus neurodégénératifs.
« Notre méthode de découverte de biomarqueurs était suffisamment sensible pour détecter les lésions cérébrales qui ont été collectées à différents moments des expériences », a déclaré la première auteure de l’étude, Briana Martinez, récemment diplômée d’un doctorat du laboratoire de Stabenfeldt. « C’était vraiment intéressant de voir que les protéines impliquées dans les maladies neurodégénératives étaient détectées 7 jours après la blessure, mais pas au plus tôt, 1 jour après la blessure. Le fait que nous ayons pu observer ces différences montre vraiment à quel point il est utile cette méthode pourrait consister à explorer divers aspects des lésions cérébrales. »
Cela peut également commencer à expliquer pourquoi les personnes qui ont subi un TBI sont plus susceptibles de développer des maladies neurodégénératives comme la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer plus tard dans la vie.
Ce pipeline de découvertes réussi servira désormais de base aux thérapies et diagnostics TBI ciblés de nouvelle génération.
Ensuite, le groupe prévoit de poursuivre ses collaborations avec les partenaires cliniques d’ASU et d’étendre leurs études pour commencer à rechercher ces mêmes molécules dans des échantillons humains.
