Utilisation de MALDI-MSI et colocalisation histologique pour découvrir la colocalisation des gangliosides avec les plaques de β-amyloïdes dans la maladie d’Alzheimer

La maladie d’Alzheimer (Alzheimer’s Disease, AD) est une maladie neurodégénérative progressive caractérisée par une altération des fonctions cognitives et des changements comportementaux. Historiquement, la recherche sur l’AD s’est concentrée principalement sur les protéines mal repliées, mais avec les progrès de la technologie de spectrométrie de masse, l’étude de la lipidomique dans l’AD attire de plus en plus l’attention. La régulation anormale des lipides est considérée comme jouant un rôle clé dans la pathogenèse de l’AD. Les gangliosides sont une classe de glycolipides enrichis dans le système nerveux central. Des études antérieures ont indiqué que la conversion des gangliosides complexes GM1 en gangliosides plus simples GM2 et GM3 pourrait être associée à l’évolution des maladies neurodégénératives. Les gangliosides complexes (particulièrement ceux avec une chaîne lipophile de 20 carbones) augmentent significativement dans le cerveau vieillissant.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a utilisé la technologie de l’imagerie par spectrométrie de masse assistée par désorption/ionisation laser (MALDI-MSI) pour examiner la relation in situ des gangliosides de série a avec des chaînes de 18 ou 20 carbones (d18:1 ou d20:1) dans le cerveau de défunts atteints d’AD. Les résultats ont montré que le rapport GM1 d20:1/GM1 d18:1 diminuait significativement dans les régions de gyrus dentelé (dentate gyrus) et de cortex entorhinal du cerveau des sujets AD. Ils ont également observé que GM3 se colocalisait avec les plaques de β-amyloïdes confirmées histologiquement, et que GM1 et GM3 augmentaient significativement autour de ces plaques. Ceci indique une perturbation possible de la distribution des gangliosides dans l’AD et valide la faisabilité de la méthode combinant MALDI-MSI et les colorations histologiques classiques dans les mêmes coupes tissulaires, promouvant ainsi l’intégration d’un cadre de pathologie numérique basé sur l’imagerie de la spectrométrie de masse.

Contexte académique

La maladie d’Alzheimer (AD) est une maladie neurodégénérative dévastatrice caractérisée cliniquement par une perte progressive de mémoire, une diminution des fonctions cognitives et des changements comportementaux. Chaque année, environ 9,9 millions de nouveaux cas d’AD sont diagnostiqués dans le monde. Les caractéristiques neuropathologiques incluent le dépôt de plaques de protéine β-amyloïde (Aβ) et l’agrégation de protéines tau hyperphosphorylées (enchevêtrements neurofibrillaires, NFTs) accompagnés d’une dégénérescence synaptique et d’une mort cellulaire. Pour la majorité des patients atteints d’AD, le processus dégénératif suit un certain modèle, sur lequel repose la stadification neuropathologique de la maladie.

Avec l’application des nouvelles techniques d’imagerie de la spectrométrie de masse, la recherche sur les anomalies du métabolisme lipidique dans l’AD s’est progressivement développée. Les études montrent que les changements dans le transport des lipides, le métabolisme et l’homéostasie coexistant avec les caractéristiques pathologiques de l’AD pourraient être des facteurs importants contribuant à la progression de l’AD. Dans ce contexte, l’équipe de recherche a utilisé la technologie MALDI-MSI pour explorer davantage la localisation spatiale des gangliosides dans l’AD et leur relation avec les marqueurs protéiques connus afin de mieux comprendre les interactions complexes entre la lipidomique et la protéomique dans la pathogenèse de l’AD.

Source de l’étude

Cette étude, intitulée « Co-registration of MALDI-MSI and Histology Demonstrates Gangliosides Co-localize with Amyloid Beta Plaques in Alzheimer’s Disease », a été réalisée par Nikita Ollen-Bittle, Shervin Pejhan, Stephen H. Pasternak, C. Dirk Keene, Qi Zhang et Shawn N. Whitehead, des institutions telles que la Western University, le London Health Sciences Centre et l’University of Washington. Le papier a été publié en 2024 dans « Acta Neuropathologica ».

Fléprocessus de recherche

Cette recherche comprend principalement plusieurs étapes clés :

Collecte et traitement des échantillons

1. Sélection des échantillons tissulaires et approbation éthique : Les échantillons proviennent essentiellement de patients décédés atteints d’AD et de contrôles sains, comprenant à la fois des tissus fixés au formol et des tissus frais congelés, et ont été approuvés par le London Health Sciences Centre et les banques de tissus et laboratoires de neuropathologie de l’University of Washington.

2. Découpage et préparation des blocs tissulaires : Les blocs sont fixés dans des cadres de congélation pour la préparation des coupes tissulaires à différentes étapes, à la fois pour les tranches fraîches et congelées, et ensuite scannés par MALDI-MSI.

Acquisition des données MALDI-MSI

1. Application de la matrice et scanner : Une matrice diluée de 1,5-diaminonaphtalène est appliquée par sublimation sur une plaque chauffante pour assurer un dépôt uniforme sur le tissu. Ensuite, des scanners d’imagerie par spectrométrie de masse sont réalisés à l’aide du système SCiEX 5800 TOF/TOF.

2. Scanner à basse résolution : Un scanner à basse résolution préliminaire est effectué pour observer la distribution des gangliosides dans le bloc tissulaire entier. Il a été observé que le rapport GM1 d20:1/GM1 d18:1 diminuait significativement dans l’hippocampe du cerveau AD, notamment dans les couches moléculaires du gyrus dentelé et de la région CA.

Scanner à haute résolution et coloration histologique

1. Combinaison du scanner à haute résolution et de la coloration histologique : Une carte détaillée de la distribution des gangliosides dans des régions spécifiques est obtenue grâce à des scanners à haute résolution. Ensuite, une coloration aux thioflavines S est réalisée pour les plaques de β-amyloïdes.

2. Analyse et statistiques des données : Les données des scanners de spectrométrie de masse des régions d’intérêt (ROI) sont analysées avec des logiciels spécialisés pour calculer la proportion de surface des pics correspondant aux gangliosides et pour effectuer des comparaisons statistiques.

Principaux résultats de l’étude

1. Résultats du scan MALDI-MSI à basse résolution : Il a été découvert que le rapport GM1 d20:1/GM1 d18:1 dans l’hippocampe baissait significativement dans la couche moléculaire du gyrus dentelé et la région CA. Une diminution significative du GM1 d20:1 a aussi été observée dans les couches moléculaires du cortex entorhinal et du gyrus dentelé.

2. Résultats du scan MALDI-MSI à haute résolution : Après un scan à haute résolution de cerveaux AD avec une charge de plaques significative, il a été découvert que GM3 d20:1 et GM3 d18:1 se colocalisaient avec les plaques de β-amyloïdes colorées à la Thioflavine S. De plus, GM3 d18:1, GM3 d20:1, GM1 d18:1 et GM1 d20:1 augmentaient significativement dans la région des plaques amyloïdes.

Conclusion et signification de l’étude

1. Validation de la recherche : Cette étude a validé avec succès la méthode combinant MALDI-MSI et les colorations histologiques classiques, jetant les bases pour la fusion de l’imagerie par spectrométrie de masse et la pathologie numérique.

2. Nouveaux aperçus pathologiques : Les résultats ont révélé la relation spatiale entre les gangliosides et les plaques de β-amyloïdes dans le cerveau AD, fournissant un nouveau point de vue pour comprendre la lipidomique de l’AD.

3. Innovation technologique et perspectives d’application : La combinaison de l’imagerie par spectrométrie de masse à haute résolution et de la coloration histologique pourrait faciliter l’application des changements moléculaires aux niveaux de la pathologie tissulaire, potentiellement servant à la découverte de marqueurs et de cibles thérapeutiques.

Points forts de l’étude

1. Innovation technologique : Cette étude a développé et validé un nouveau flux de travail combinant MALDI-MSI et coloration histologique, améliorant l’applicabilité de l’imagerie par spectrométrie de masse en pathologie.
2. Fourniture de nouvelles perspectives : L’étude a révélé une colocalisation spatiale significative des gangliosides avec les plaques de β-amyloïdes dans l’AD, fournissant de nouvelles idées pour comprendre les changements lipidomiques dans l’AD.

Grâce à des techniques expérimentales innovantes et à des analyses de données détaillées, cette étude a révélé une colocalisation significative des gangliosides et des plaques de β-amyloïdes dans le cerveau AD, proposant de nouveaux aperçus pathologiques et des directions de recherche, et a démontré le potentiel énorme de l’intégration de l’imagerie par spectrométrie de masse avec la pathologie numérique.