Investigation of the roles of ghrelin in experimental models of early stages of Parkinson’s disease : towards a clarification of ghrelin’s diagnostic and therapeutic potentials
Etude du rôle de la ghréline dans des modèles expérimentaux de stades précoces de la maladie de Parkinson : vers une clarification des potentiels diagnostique et therapeutique de ce peptide orexigène
Résumé
Parkinson’s disease (PD) is the second most frequent neurodegenerative disease in the world. It is characterized by motor symptoms such as bradykinesia, rigidity and resting tremor. Its definite diagnosis relies on the identification of specific neuropathological hallmarks at autopsy including severe neuronal death within the substantia nigra (SN) and the presence of Lewy bodies in the surviving neurons. PD progresses slowly and the first motor symptoms appear when more than 50% of the SN has degenerated. Therefore, the clinical diagnosis is established late in the course of the disease, thus restricting the therapeutic window for clinicians. In addition, the currently available therapeutic options can only temporarily alleviate PD motor symptoms. The challenges of current PD research are: 1) to anticipate the diagnosis and be able to identify the disease as early as possible, when the SN is still intact enough to implement a disease-modifying/neuroprotection strategy to prevent the appearance of motor symptoms, and 2) to improve current medications and/or develop new therapeutic strategies able to stop the disease before the motor phenotype is installed. The decade preceding PD clinical diagnosis is of particular interest since patients often complain about non-motor symptoms such as anosmia, depression or constipation. Moreover, recent evidences suggest that PD-characteristic lesions could first appear in the peripheral nervous system and slowly progress towards the brain. Thus PD earlier stages and their characteristics deserve better investigations using appropriate experimental models. In this regard, recent studies realized in animal and cellular models of advanced parkinsonism have suggested that ghrelin, an orexigenic peptide mainly produced in the stomach, could play a neuroprotective role in PD. Indeed, exposure to ghrelin has shown a protective effect against the neuronal death in animal and cellular models of parkinsonism. In addition, in a rodent model of parkinsonism, ghrelin was shown to alleviate the L-DOPA-induced worsening of gastro-intestinal symptoms, L-DOPA being the current main therapeutic option in PD. Moreover, ghrelin plasma concentrations have shown alterations in early stages of the disease in small cohorts of PD patients. We therefore hypothesized that ghrelin might play an important role in PD early stages and could serve as a biomarker and a neuroprotective agent in PD. In this context, the aim of my PhD was to investigate the roles of ghrelin in PD early stages using both in vitro and in vivo approaches.We first studied the effects of ghrelin in primary mesencephalic cells exposed to the pesticide rotenone, a potent inhibitor of mitochondrial complex I known for its association with PD. Contrary to the data of the literature, we show a dose and time-dependant deleterious effect of ghrelin on mesencephalic cells exposed to rotenone. This does not confirm the neuroprotective potential of ghrelin in our experimental conditions. In parallel, we investigated the potential of ghrelin as a biomarker in a rodent model of parkinsonism mimicking early stages of the disease after chronic oral exposure to low doses of rotenone. We first validated this model in our animal facility and confirmed that mice exposed to such a regimen develop progressive non-motor alterations but no dopaminergic neuronal death in the SN after 1.5 months. Our initial results do not show a modification of plasma ghrelin levels in rotenone-exposed mice at early stages of the pathological condition. However, confounding factors such as anxiety might have altered ghrelin levels. This should therefore be further ascertained in animals stratified for their anxiety levels and/or in longer exposures. In conclusion, these results challenge the suggested role of ghrelin as a disease-modifying agent in PD and set the bases for future investigations of ghrelin in the context of PD.
La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative caractérisée par trois symptômes moteurs principaux : la bradykinésie, la rigidité et le tremblement de repos. Son diagnostic définitif repose sur l’identification post-mortem d’une importante mort des neurones dopaminergiques de la substance noire (SN) et la présence de corps de Lewy dans les neurones survivants. Cette maladie progresse lentement et les premiers symptômes moteurs n’apparaissent qu’après la dégénérescence de plus de 50% de la SN. Le diagnostic clinique de MP est donc établi tardivement, réduisant ainsi la fenêtre d’action thérapeutique. De plus, les traitements actuels ne soulagent que temporairement les symptômes moteurs. Les défis de la recherche actuelle pour la MP sont donc : 1) d’anticiper le diagnostic de la MP à un stade où la SN est encore suffisamment intacte pour mettre en place des stratégies neuroprotectrices, et 2) d’améliorer les traitements actuels et/ou développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour stopper la progression de la maladie avant que le phénotype moteur ne soit installé. Le stade clinique de la MP est précédé d’une phase prémotrice durant laquelle les patients présentent souvent des symptômes non moteurs tels que l’anosmie, la dépression ou la constipation. Des travaux récents suggèrent que les lésions caractéristiques de la MP pourraient d’abord apparaître dans le système nerveux périphérique puis progresser lentement jusqu’au cerveau. Ces stades précoces de la MP sont cependant mal connus et leurs caractéristiques méritent d’être étudiées dans des modèles expérimentaux appropriés. Ainsi, des études récentes ont montré que la ghréline, un peptide gastro-intestinal, protège les neurones dopaminergiques de la SN contre la mort dans des modèles in vivo et in vitro de syndrome parkinsonien. De plus, dans un modèle animal de syndrome parkinsonien, la ghréline prévient l’aggravation des symptômes gastro intestinaux par la L-DOPA, traitement médicamenteux principal de la MP. Enfin, des altérations des concentrations plasmatiques de ghréline ont également été observées chez les patients aux stades précoces de la maladie. Dans ce contexte, nous avons émis l’hypothèse que la ghréline pourrait jouer un rôle important aux stades précoces de la maladie et donc être utilisée comme biomarqueur et/ou agent neuroprotecteur dans la MP. Ainsi, l’objectif de ma thèse était d’étudier les rôles de la ghréline aux stades précoces de la MP par des approches in vitro et in vivo.La première étape a consisté à déterminer les effets de la ghréline dans des cultures primaires de cellules mésencéphaliques exposées au pesticide roténone, un inhibiteur du complexe I mitochondrial connu pour son association avec la MP. Contrairement aux données de la littérature, nous montrons un effet délétère en fonction de la dose et du temps sur les cellules exposées à la roténone. Nous ne confirmons donc pas l’effet neuroprotecteur de la ghréline dans nos conditions expérimentales. En parallèle, nous avons étudié le potentiel de la ghréline en tant que biomarqueur dans un modèle murin de syndrome parkinsonien reproduisant les stades précoces de la maladie après exposition orale chronique à de faibles doses de roténone. Nous avons d’abord validé ce modèle et confirmé le développement des altérations non motrices et l’absence de mort neuronale au sein de la SN après 1.5 mois de ce régime. En revanche, nos résultats ne montrent pas de modification des taux plasmatiques de ghréline chez les souris exposées 1.5 mois à la roténone. Cependant, des facteurs tels que l’anxiété pourraient avoir affecté les taux de ghréline. Ces données devront donc être confirmées avec des animaux stratifiés selon leur niveau d’anxiété et/ou de plus longues expositions. En conclusion, nos résultats interrogent le rôle neuroprotecteur de la ghréline dans la MP et posent les bases pour de futures recherches sur l’implication de cette hormone orexigène dans la MP.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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