Plus de sept millions d'Américains vivent avec la maladie d'Alzheimer (AD) et la bataille quotidienne déchirante avec les effets du déclin cognitif. Selon l'Association d'Alzheimer, les changements de cerveau qui provoquent la maladie commencent en fait 20 ans ou plus avant le début des symptômes, mettant en évidence le besoin critique d'un diagnostic précoce et précis. Cependant, les outils de diagnostic actuels impliquent des robinets vertébraux douloureux, des analyses coûteuses et des tests cognitifs qui peuvent être limités dans leur précision.
De nouvelles recherches menées par des ingénieurs biomédicaux de l'USC Viterbi School of Engineering ont révélé le rôle clé que jouent la dynamique du flux sanguin du cerveau dans la MA, offrant un outil de diagnostic plus simple et non invasif qui pourrait remodeler des décennies de réflexion conventionnelle sur la façon dont cette maladie débilitante est comprise et traitée. Dirigée par Vasilis Marmarelis, professeur de Dean dans le département d'Alfred E. Mann de génie biomédical, l'œuvre a été publiée dans la revue Alzheimer et démence: diagnostic, évaluation et surveillance des maladies.
Pendant des années, le consensus dominant dans la recherche d'Alzheimer et les soins cliniques a été «l'hypothèse de la cascade amyloïde». Cette théorie suggère qu'un fragment de protéines appelé bêta amyloïde est le principal coupable d'Alzheimer. Lorsque trop de bêta amyloïde s'accumule dans le cerveau, il déclenche l'accumulation d'une autre protéine, Tau, qui forme des touffes tordues appelées « tangles de tau » dans les cellules cérébrales. On pense alors que ces enchevêtrements provoquent un dysfonctionnement des cellules cérébrales et finissent par mourir, conduisant au déclin cognitif observé chez Alzheimer.
Les méthodes de diagnostic actuelles tournent en grande partie autour de la détection de ces pathologies amyloïdes et tau. Cela nécessite souvent des robinets vertébraux inconfortables et risqués pour dessiner du liquide céphalo-rachidien pour analyse. Plus récemment, l'imagerie de la tomographie par émission de positrons (TEP), ou «amyloïde ou Tau PET», a émergé, où un traceur radioactif est injecté pour visualiser des plaques amyloïdes ou des tangles de tau dans le cerveau, un test qui est si coûteux qu'il est généralement limité aux milieux de recherche académique. Plus récemment, les biomarqueurs sanguins qui servent le même objectif sont prometteurs pour l'avenir.
Les médecins prennent les émissions de ce traceur radioactif pour animaux de compagnie comme une mesure approximative de la quantité d'amyloïde ou de tau la personne dans leur cerveau. Parlant par expérience, après avoir vu des données dans ma propre étude, je vous dis que c'est très inadéquat. Mais c'est l'étalon-or, bien que la plupart des médecins ne le fassent pas parce que c'est très cher. «
Vasilis Marmarelis, Département des ingénieurs biomédicaux, Université de Californie du Sud
Sans ces tests biologiques coûteux et invasifs, de nombreux neurologues se tournent vers des tests d'évaluation cognitive comme l'examen mini-état mental (MMSE) et l'évaluation cognitive de Montréal (MOCA), les questionnaires basés sur les entretiens comportementaux visant à tester la fonction cognitive.
« Le MOCA vous donne une idée des capacités cognitives d'une personne », a déclaré Marmarelis. « Mais ce ne sont pas des tests biologiques ou physiologiques. Ce ne sont que des tests comportementaux qui sont soumis à toutes sortes de biais, d'imperfections et d'erreurs. »
Retourner le script: un nouveau focus sur la « plomberie » de notre cerveau
Au lieu de regarder les plaques amyloïdes du cerveau, Marmarelis et ses collaborateurs se sont concentrés sur la façon dont le flux sanguin dans le cerveau est autorégulé afin d'oxygéner le tissu cérébral, et si une éventuelle dérégulation peut provoquer une trouble cognitif. Pensez-y comme une inspection méticuleuse du fonctionnement du système de plomberie de votre maison plutôt que de simplement regarder la rouille sur les tuyaux.
L'étude des National Institutes of Health (NIH) de l'équipe de recherche (NIH) a exploité les données de 200 participants sur cinq ans, étudiant la relation dynamique complexe entre les changements naturels de la pression artérielle, des niveaux de dioxyde de carbone (CO₂) dans le sang et les fluctuations qui en résultent du flux sanguin cérébral et de l'oxygénation des tissus corticaux.
« Lorsque nous exerçons des efforts cognitifs, nous générons du co₂ du métabolisme dans nos cellules cérébrales, qui doit évidemment être emportée par notre sang pour éviter l'acidose », a déclaré Marmarelis. « Notre corps est doté de ce mécanisme de régulation appelé réactivité vasomotrice, qui se dilate (élargit) nos vaisseaux cérébraux lorsque le CO₂ monte dans le sang, afin que plus de sang puisse passer par l'excès de co₂. »
Il y a quinze ans, Marmarelis a fait une observation fortuite: les patients d'Alzheimer présentent une réactivité vasomotrice altérée. « Ils ne peuvent pas dilater les vaisseaux cérébraux pour apporter plus de sang et fournir une perfusion sanguine adéquate au cerveau. Cela signifie qu'ils n'obtiennent pas l'oxygène, les nutriments et le glucose dont nous avons besoin pour la cognition en temps opportun », a-t-il déclaré.
Dans leur nouvelle étude, l'équipe de Marmarelis a testé cette observation, développant un nouveau « Marker physio » appelé The Cerebrovascular Dynamics Index (CDI). Ce test non invasif utilise une échographie Doppler non invasive pour mesurer la vitesse du flux sanguin dans certaines artères principales du cerveau et une spectroscopie proche infrarouge pour mesurer l'oxygénation dans la partie avant du cortex du cerveau. Ce « type d'entrée-sortie de conceptualisation » utilise des méthodes sophistiquées « de modélisation dynamique » développées dans notre laboratoire pour quantifier la rapidité et la manière efficace que l'approvisionnement en sang du cerveau réagit à des changements subtils de pression et de CO₂.
Précision sans précédent et nouvel espoir de traitement
L'équipe de recherche a obtenu des résultats encourageants – le CDI a montré d'excellentes performances diagnostiques, différenciant les individus souffrant de troubles cognitifs légers (MCI) ou d'Alzheimer de sujets témoins cognitivement normaux avec une zone sous la courbe (AUC) de 0,96.
L'AUC est une mesure statistique commune des performances diagnostiques; Une valeur de 1,0 est parfaite et 0,5 est un hasard. Pour le contexte, le test de TEP amyloïde n'a obtenu un ASC de seulement 0,78, tandis que les tests cognitifs MOCA et MMSE étaient respectivement de 0,92 et 0,91.
Marmarelis a souligné que la différence entre 0,78 et 0,96 s'est traduite par une « amélioration très substantielle » de la capacité du test à identifier correctement celles avec et sans condition.
« Ce que nous avons que les autres n'avaient pas auparavant, c'est une méthodologie pour quantifier ces relations dynamiques qui sont extrêmement robustes et précises », a déclaré Marmarelis. « Nous pouvons désormais différencier les patients atteints de troubles cognitifs légers et d'Alzheimer des contrôles cognitivement normaux bien mieux que la mesure des TEP et encore mieux que le test neurocognitif du MOCA. Cela indique que l'aspect particulier de la dérégulation de la régulation de la perfusion cérébrale peut être le Aspect critique de la pathogenèse de cette maladie, probablement en conjonction avec d'autres facteurs, notamment l'accumulation d'amyloïdes. «
Ce changement profond dans la compréhension de l'Alzheimer pourrait ouvrir la voie à de nouvelles stratégies de traitement et de prévention axées sur l'amélioration de la régulation du flux sanguin et de l'oxygénation du cerveau. Marmarelis a déclaré que cela pourrait impliquer plusieurs avenues prometteuses qui sont toujours en cours d'évaluation pour leur efficacité potentielle:
- Changements de style de vie: Marmarelis a déclaré qu'une bonne approche impliquerait un exercice aérobie régulier, aussi simple qu'une promenade quotidienne de 20 à 30 minutes pour activer des mécanismes qui restaurent la régulation saine des flux sanguins. Cela serait également sauvegardé avec une alimentation saine, évitant les graisses sanguines excessives et les sucres, ainsi que la réduction du stress. Marmarelis a noté qu'une étude récente de l'Association d'Alzheimer corrobore fortement cette approche thérapeutique, avec des résultats montrant des avantages cognitifs marqués chez les participants qui ont participé à un programme de deux ans d'exercice aérobie et d'adhésion au régime alimentaire mental, qui met l'accent sur les légumes-feuilles, les berries, les noix, les grains entiers, l'huile d'olive, et les limites de sucre et de graisses non saintes.
- Hypoxie et hypercapnie intermittentes induites: Cela implique l'inhalation contrôlée d'oxygène légèrement réduit et d'augmentation du CO2 en utilisant un masque. Semblable aux méthodes d'entraînement que les athlètes utilisent pour améliorer les performances, les données préliminaires montrent qu'elle peut améliorer la régulation du flux sanguin cérébral.
- Neurostimulation vagale auriculaire transcutanée (TAVNS): Cette technique sûre et non invasive stimule la branche auriculaire du nerf vague (le nerf clé du corps qui aide à réguler de nombreuses fonctions corporelles) à travers un écouteur. Les résultats préliminaires suggèrent que cela peut également avoir un impact positif sur la régulation du flux sanguin cérébral.
D'autres interventions bénéfiques peuvent être développées et testées à l'avenir. Marmarelis a déclaré qu'en plus de la maladie d'Alzheimer, ces résultats ont des implications plus larges pour le traitement et le diagnostic d'autres démences.
La recherche a été soutenue par des subventions NIH. Les autres co-auteurs du journal comprenaient Helena C. Chui, directrice du Centre de recherche sur les maladies d'Alzheimer à la Keck School of Medicine of USC, et Sandy Billinger, professeur de neurologie au Kansas University Medical Center, ainsi que des collaborateurs du Département de neurologie du Centre médical de l'Université du Southwester Southwestern.
