Faculté des sciences de la vie SV, Section des sciences du vivant, Institut des neurosciences INS (Laboratoire d'étude sur la neurodégénérescence LEN)

Huntington's disease modeling and treatment : from primary neuronal cultures to rodents

Zala, Diana ; Aebischer, Patrick (Dir.) ; Déglon, Nicole (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3137.

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    Summary
    Huntington's disease (HD) is a mid-life-onset neurodegenerative disorder characterized by involuntary movements, personality changes and dementia. It progresses to death within 10-20 years after onset. There is currently no cure to treat this fatal disease. In HD patients, the protein huntingtin contains an abnormal expansion of a polyglutamine tract, which leads to the selective death of striatal neurons. The functions of huntingtin, as well as the dysfunctions induced by the mutation are still poorly understood. The first chapter of this thesis describes the state of the art in the study of Huntington's disease: huntingtin (htt), the protein which induces the disease; the hypothesis of toxic pathways induced by the mutant htt and the proposed therapeutic strategies to interfere with them; the available cellular and animal models and finally; the promise of gene therapy for neurodegenerative diseases such as Huntington's disease. The second chapter presents a new cellular model of the developed by infecting primary cultures with lentiviral vectors expressing a mutant htt fragment. This model is characterized by generalized neuronal transgene chronic pathology, expression, neuronal dysfunction and finally cell death. The slow progression in this model allows the study of the cascade of events leading to cell death. These unique characteristics allow the investigation of the pathological events induced by htt expression with analytical techniques on the entire neuronal population. The chapter ends with the description of an experiment showing the neuroprotective effects of ciliary neurotrophic factor (CNTF) and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) on thiese neurons. The third chapter describes the delivery of CNTF in transgenic HD mice which express the human full-length htt (YAC72). CNTF was delivered directly to the affected neurons by striatal lentiviral injection. The sustained one-year delivery was not associated with side effects; it was correlated to reduced hyperactivity and a reduction in degenerating neurons. However, a neuroprotective effect was difficult to establish, due to the very mild and subtle pathology occurring in these animals. The fourth chapter considers delivery of BDNF in two genetic rodent HD models: in the mild phenotypic HD mice (YAC128) and a more severe rat model based on the lentiviral delivery of mutant htt in the striatum. No neuroprotective effect of BDNF could be detected in either animal model. The conclusions of this thesis discuss the potential of lentiviral vectors in modeling neurodegenerative diseases in vitro and in vivo, as well as their potential role in the treatment of such diseases. The perspective gained by the developed cellular model toward the understanding of the molecular events induced by mutant huntingtin is discussed, as well as the difficulties in testing neuroprotective approaches on animal models of HD.
    Riassunto
    Riassunto La corea di Huntington (HD) è una malattia genetica neurodegenerativa caratterizzata da movimenti involontari, cambiamenti di personalità e da demenza. La malattia progredisce fino alla morte del paziente, da 10 a 20 anni dopo la manifestazione dei primi sintomi. Non esiste nessuna cura in grado di arrestare o rallentare il corso della malattia. Nei pazienti affetti da HD, la proteina huntintina contiene un'espansione anormale di una ripetizione di poliglutamine che induce la morte neuronale dei neuroni dello striato. Le funzioni dell'huntintina e le disfunzioni indotte dalla mutazione sono ancora sconosciute. Il primo capitolo descrive lo stato attuale della ricerca sulla corea di Huntington, la proteina coinvolta nella malattia: la huntintina mutata; le ipotesi sui meccanismi della sua tossicità e le possibilità terapeutiche, seguono i modelli cellulari e animali disponibili ed infine le possibilità di terapia genica per delle malattie neurodegenerative. Il secondo capitolo descrive un nuovo modello cellulare ottenuto infettando delle culture primarie striatali con dei vettori lentivirali che esprimono un frammento della huntintina mutata. Questo modello è caratterizzato da una patologia cronica, un'espressione generalizzata a tutti i neuroni e da una disfunzione seguita da morte neuronale. Queste caratteristiche proprie al nuovo modello lo rendono idoneo allo studio della patologia con tecniche analitiche su tutta la popolazione neuronale, non più limitate a singole osservazioni cellulari. In oltre, la sua progressione rende possibile discernere la sequenza dei differenti avvenimenti. Il capitolo termina mostrando come questi neuroni destinati alla morte possono essere salvati da due fattori neurotrofici, il CNTF ed il BDNF. Il terzo capitolo descrive la somministrazione di CNTF in topi transgenici YAC72, i quali esprimono l'huntintina umana mutata in tutta la sua lunghezza. Abbiamo dunque iniettato direttamente nello striato di topi transgenici il vettore lentivirale CNTF. L'espressione di CNTF costante per almeno un anno, non è stata correlata da effetti collaterali, ma ha cambiato l'attività locomotrice dei topi rendendoli meno iperattivi. Lo studio istologico ha dimostrato che il numero di neuroni in degenerazione è ridotto alla metà. Purtroppo l'effetto protettivo non si è potuto provare dato l'esiguo numero di casi di morte neuronale. Il quarto capitolo descrive un esperimento analogo: il BDNF è stato amministrato in topi transgenici YAC128. Questi topi avrebbero dovuto manifestare una patologia più acuta dei topi utilizzati in precedenza. Le stesse difficoltà legate alla mancanza di patologia neuronale ci hanno impedito di determinare l'efficienza del BDNF. Abbiamo dunque utilizzato un modello molto più severo, l'espressione di un frammento della huntintina mutata tramite vettori lentivirali nello striato di ratti, infatti il BDNF non è neuroprotettore in questo paradigma sperimentale. La conclusione di questa tesi di ricerca discute la capacità dei vettori lentivirali di modellare in vitro ed in vivo le malattie neurodegenerative e la loro potenzialità per curare le stesse malattie. I risultati insoddisfacenti ottenuti sui modelli animali inducono a sviluppare nuovi paradigmi sperimentali per verificare le potenzialità di fattori terapeutici non soltanto su modelli cellulari ma anche animali.