Étude d’imagerie du métabolisme du glucose dans le cerveau des patients atteints de déficience en pyruvate déshydrogénase

Introduction

Dans la médecine mitochondriale moderne, l’évaluation des maladies cérébrales reste un défi limitant. Cette limitation entrave notre compréhension des mécanismes des phénotypes d’imagerie cérébrale chez les patients atteints de maladies mitochondriales, ainsi que notre capacité à identifier de nouveaux biomarqueurs et cibles thérapeutiques. En particulier pour la déficience en pyruvate déshydrogénase (PDHD), une maladie mitochondriale typique, les patients présentent généralement des déficits neurologiques sévères. Les études sur des modèles murins de PDHD montrent qu’avec la progression de la maladie, la capture cérébrale de glucose et la glycolyse augmentent considérablement. Le propionate s’est révélé être un substrat anaplérotique important dans ce contexte, et son association avec un régime cétogène a significativement prolongé la durée de vie des souris PDHD, tout en améliorant leur neuropathologie et leurs déficits moteurs.

Origine de l’étude

Cet article a été rédigé par Isaac Marin-Valencia et ses collaborateurs, issus du laboratoire Abimael de neurométabolisme de l’École de médecine Icahn de Mount Sinai à New York, de l’Université Rockefeller, du Memorial Sloan Kettering Cancer Center de New York, et d’autres institutions. L’article a été publié dans le journal Cell Metabolism en 2024.

Objectif de l’étude

L’objectif principal de l’étude est d’analyser, à travers une imagerie multimodale et un traçage isotopique, les réseaux métaboliques qui régissent les caractéristiques structurelles et métaboliques du cerveau des souris PDHD, de révéler le rôle du métabolisme du glucose dans ces animaux, et d’explorer comment des substrats alternatifs au glucose contournent la PDH pour maintenir l’activité du cycle de Krebs.

Déroulement de l’étude

Méthodes

Génération et validation phénotypique du modèle murin

L’expérience a utilisé un modèle murin déficient en PDHA1, formé par croisement, ces souris présentant des caractéristiques neuropathologiques similaires à celles des patients atteints de PDHD. Les niveaux d’expression de PDHA1 dans le cerveau des souris et l’état de mort cellulaire ont été confirmés par immunofluorescence, coloration Tunel et western blot.

Analyse du métabolisme du glucose et du propionate in vivo et in vitro

L’étude a analysé en détail le métabolisme du glucose et du propionate dans le cerveau des souris PDHD à l’aide de diverses techniques d’imagerie, notamment l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la spectrométrie de masse et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les étapes expérimentales spécifiques incluent :

1. IRM et ^1H-MRS : Pour détecter la structure cérébrale et le spectre métabolique de base.
2. FDG-PET : Pour évaluer l’absorption du glucose dans le cerveau à l’aide de la tomographie par émission de positons (TEP) avec le [^18F]fluorodésoxyglucose.
3. Autoradiographie au 14C-2DG : Pour détecter la distribution du glucose dans le cerveau à l’aide du 14C-2-désoxyglucose.
4. Analyse isotopique instable au ^13C : Pour évaluer le basculement de la glycolyse et le fonctionnement du cycle de Krebs à l’aide de l’imagerie par [1-^13C]pyruvate hyperpolarisé.
5. Analyse de la taille des pools métaboliques et de l’enrichissement en ^13C : Pour mesurer la concentration totale des métabolites et l’étiquetage isotopique à l’aide de la spectrométrie de masse.

Résultats expérimentaux

Résultats de l’analyse in vivo et in vitro du métabolisme des glucides

À travers ^1H-MRS et la spectrométrie de masse, il a été constaté que les niveaux de glucose, de glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) et de lactate étaient significativement plus élevés dans le cerveau des souris PDHD par rapport au groupe témoin, reflétant une accélération de la glycolyse. Cependant, les métabolites en aval du cycle de Krebs ont considérablement diminué dans le cerveau des souris PDHD, indiquant un manque d’entrée d’acétyl-CoA.

Propionate en tant que substrat anaplérotique

L’étude a révélé que le métabolisme du propionate augmentait de manière significative dans le cerveau des souris PDHD, se produisant principalement dans les cellules gliales. Ce phénomène a été confirmé par l’analyse de la distribution isotopique par résonance magnétique nucléaire et la PCR quantitative (qPCR), qui ont montré une expression élevée des gènes des enzymes du métabolisme du propionate dans les cellules gliales du cerveau des souris PDHD.

Conclusion et signification

Il existe un reprogrammation métabolique dans le cerveau des souris PDHD, où le propionate, en tant que substrat anaplérotique, parvient à contourner la déficience en PDH et à maintenir l’activité du cycle de Krebs. L’association du propionate avec un régime cétogène a significativement amélioré la neuropathologie et les performances motrices des souris PDHD, augmentant leur taux de survie. Ces découvertes approfondissent notre compréhension des mécanismes métaboliques cérébraux dans les maladies mitochondriales et offrent de nouvelles perspectives thérapeutiques potentielles pour la PDHD.

Points forts et innovations

1. Première confirmation du rôle métabolique du propionate dans le cerveau des souris PDHD : L’étude a résolu pour la première fois la question du métabolisme du propionate dans le cerveau, révélant son rôle en tant que principal substrat anaplérotique dans le cerveau des souris PDHD, avec une signification biologique importante.
2. Combinaison de techniques d’imagerie multimodale et de traçage isotopique : En utilisant des technologies d’imagerie avancées et d’étiquetage isotopique, l’étude a fourni une vue d’ensemble des voies métaboliques du glucose et du propionate dans le cerveau des souris PDHD, offrant une référence méthodologique importante pour les futures recherches sur les maladies mitochondriales.
3. Potentiel thérapeutique de l’association propionate et régime cétogène : L’étude a découvert que l’association du propionate avec un régime cétogène pouvait significativement améliorer le taux de survie et les comportements neurologiques des souris PDHD, offrant une nouvelle possibilité de traitement clinique pour cette maladie.

Limites de l’étude et directions futures

Bien que l’étude ait révélé l’importance du propionate dans le métabolisme cérébral des souris PDHD, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer le moment optimal d’administration et la dose maximale tolérée de ce substrat pendant la grossesse et la lactation. De plus, il est nécessaire d’explorer les effets secondaires potentiels systémiques et neurologiques liés à une exposition prolongée au propionate, qu’il soit combiné ou non à un régime cétogène. L’objectif final est de traduire ces découvertes précliniques en applications cliniques pour les patients atteints de PDHD.

Cette étude non seulement révèle les mécanismes de reprogrammation métabolique dans le cerveau des souris PDHD, mais offre également de nouvelles perspectives thérapeutiques, revêtant une importance scientifique et clinique significative.