Les motoneurones dérivés de cellules souches pluripotentes induites de patients atteints de sclérose latérale amyotrophique (SLA) portant différentes mutations de la superoxyde dismutase 1 reproduisent les caractéristiques pathologiques de la SLA
La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative rapidement progressive et mortelle, sans traitement efficace actuellement disponible. Sa pathogenèse exacte reste mal comprise, mais des découvertes moléculaires et génétiques récentes ont éclairé les processus pathologiques communs sous-jacents. Parmi les mutations génétiques associées à la SLA, celles affectant le gène de la superoxyde dismutase 1 (SOD1) ont été largement étudiées en raison de leur identification précoce et de leur utilisation dans des modèles murins. Les mutations de SOD1 contribuent à la SLA via des mécanismes toxiques tels que l’agrégation protéique, la dysfonction mitochondriale et la dérégulation calcique. Cependant, la traduction des observations expérimentales en thérapies efficaces reste difficile, en partie à cause du manque de modèles cellulaires humains reproduisant fidèlement les mécanismes de la maladie.
Les cellules souches pluripotentes induites (iPSC) offrent une alternative prometteuse. Les iPSC dérivées de patients SLA portant des mutations génétiques naturelles peuvent exprimer des phénotypes pathologiques, constituant un outil précieux pour étudier les mécanismes de la maladie et identifier des cibles thérapeutiques. Dans cette étude, des iPSC ont été générées à partir de deux patients atteints de SLA familiale (SLA-F) portant des mutations SOD1 distinctes (SOD1-V14M et SOD1-C111Y), puis différenciées en motoneurones (MN). L’objectif était d’explorer l’expression de la protéine SOD1 mutante, les niveaux intracellulaires de calcium et l’activité de la lactate déshydrogénase (LDH) lors de la différenciation. Les résultats montrent que les MN dérivés des iPSC de patients reproduisent des aspects clés de la pathogenèse de la SLA, offrant un modèle cellulaire pour élucider les mécanismes de la maladie et explorer des thérapies.
Introduction
La SLA se caractérise par la dégénérescence progressive des motoneurones, entraînant une faiblesse musculaire, une paralysie et le décès. Bien que la majorité des cas soient sporadiques (SLA-S), environ 10 % sont familiaux (SLA-F), avec des mutations SOD1 parmi les causes les plus fréquentes. La SOD1, enzyme clé dans la protection contre le stress oxydatif, convertit les radicaux superoxydes en oxygène et peroxyde d’hydrogène. Les mutations SOD1 induisent des agrégats protéiques toxiques, une dysfonction mitochondriale et une perturbation de l’homéostasie calcique, contribuant à la dégénérescence des MN.
Les modèles animaux, notamment les souris transgéniques exprimant SOD1 mutante, ont été essentiels pour étudier la SLA. Cependant, ils ne reproduisent pas entièrement la complexité de la maladie humaine, soulignant le besoin de modèles cellulaires humains. Les iPSC dérivées de patients SLA permettent d’étudier la maladie dans un contexte humain, en se différenciant en types cellulaires affectés comme les MN.
Méthodes
Conformément à la déclaration d’Helsinki, cette étude a été approuvée par le Comité d’éthique de l’Hôpital Third de l’Université de Pékin. Des fibroblastes cutanés ont été prélevés chez deux patients SLA-F portant les mutations SOD1-V14M et SOD1-C111Y, ainsi que chez quatre témoins sains. Les iPSC ont été générées via des vecteurs rétroviraux codant les facteurs de Yamanaka (OCT4, SOX2, KLF4, c-MYC), puis différenciées en MN par formation de corps embryoïdes et exposition à l’acide rétinoïque et à la sonic hedgehog (SHH).
La pluripotence des iPSC a été confirmée par l’expression de marqueurs (SSEA-4, TRA1-60, TRA1-81, Nanog, OCT3/4, SOX2), le séquençage bisulfite et la formation de tératomes chez des souris immunodéficientes. La différenciation en MN a été vérifiée par immunofluorescence pour les marqueurs TUJ1, HB9 et ISL1. Les niveaux de SOD1 ont été mesurés par Western blot, le calcium intracellulaire par le colorant Fluo 3-AM, et l’activité LDH par un kit spécifique.
Résultats
Les iPSC des patients SLA-F ont été différenciées avec succès en MN exprimant les marqueurs spécifiques. Aucune différence significative n’a été observée dans le nombre de MN HB9+ ou ISL1+ entre patients et témoins, indiquant que les mutations SOD1 n’altèrent pas la capacité de différenciation.
Les MN dérivés des patients présentaient des niveaux de SOD1 plus élevés que les témoins, corroborant l’hypothèse d’une accumulation de SOD1 mutante. Aucune différence d’activité LDH n’a été détectée, suggérant que les mutations SOD1 n’augmentent pas la mort cellulaire lors de la différenciation. En revanche, les MN des patients montraient une élévation significative du calcium intracellulaire, soutenant le rôle clé de la dérégulation calcique dans la SLA, potentiellement liée à une dysfonction mitochondriale.
Discussion
Cette étude démontre que les MN dérivés d’iPSC de patients SLA-F portant des mutations SOD1 reproduisent des caractéristiques pathologiques majeures, dont l’accumulation de SOD1 et la dérégulation calcique. Ces modèles cellulaires humains sont précieux pour étudier les mécanismes de la SLA et tester des interventions thérapeutiques.
L’accumulation de SOD1 mutante dans les MN est cohérente avec les études antérieures sur la formation d’agrégats toxiques. L’élévation du calcium intracellulaire pourrait exacerber le stress oxydatif et la mort neuronale, faisant de l’homéostasie calcique une cible thérapeutique prometteuse. Les limites incluent un faible effectif (deux patients, quatre témoins) et la focalisation sur deux mutations SOD1. Des études plus larges intégrant d’autres mutations génétiques sont nécessaires.
Conclusion
En conclusion, les MN dérivés d’iPSC de patients SLA-F avec mutations SOD1 reproduisent des aspects clés de la pathologie, soulignant l’importance de la dérégulation calcique et offrant un modèle pour explorer de nouvelles thérapies. Cibler l’homéostasie calcique pourrait constituer une stratégie prometteuse. Les travaux futurs devront élargir l’échantillonnage et étudier l’impact d’autres mutations associées à la SLA.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000001693