Pour la première fois, des scientifiques ont développé une simulation informatique de la façon dont les amas de protéines défectueuses dans les maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer se propagent dans le cerveau, la plupart du temps en mode furtif, sur aussi longtemps que 30 ans.

« Nous espérons que la capacité de modéliser les troubles neurodégénératifs inspirera de meilleurs tests de diagnostic et, finalement, des traitements pour ralentir leurs effets, " a déclaré Ellen Kuhl, ingénieure en mécanique de Stanford, qui décrit le travail dans un article du 12 octobre dans Lettres d'examen physique co-écrit avec Johannes Weickenmeier du Stevens Institute of Technology et Alain Goriely de l'Université d'Oxford.

Les simulations portent sur la maladie d'Alzheimer, Parkinson et sclérose latérale amyotrophique (SLA, ou la maladie de Lou Gehrig), mais les chercheurs pensent que leur technique est suffisamment générale pour fonctionner pour d'autres troubles cérébraux impliquant des protéines déformées, y compris l'encéphalopathie traumatique chronique.

Suivez les protéines

Le groupe savait que chacune des trois maladies qu'ils étudiaient produisaient des touffes caractéristiques de maladies défectueuses, protéines mal repliées qui s'accumulent dans le cerveau. Pour voir comment ces touffes toxiques se propagent dans le temps, Kuhl et ses collègues ont examiné des tranches de cerveau prélevées sur des personnes décédées après avoir développé l'une des trois maladies. Des chercheurs antérieurs avaient coloré ces tranches de cerveau pour révéler la présence des différentes protéines d'intérêt.

Lorsque l'équipe de Kuhl a mis les données résultantes dans un ordinateur, ils ont également effectué la modélisation mathématique pour simuler la façon dont le modèle de protéines défectueuses se propage des amas relativement clairsemés chez les personnes qui étaient au début de la maladie à des amas beaucoup plus répandus chez les personnes atteintes d'une maladie avancée - un processus qui peut prendre jusqu'à 30 ans.

"Imaginez un effet domino, " dit Kuhl, qui fait partie du Stanford Neurosciences Institute et de Stanford Bio-X. "Ce que fait notre modèle, c'est connecter les points entre les points de données statiques, mathématiquement, pour montrer la progression de la maladie avec des détails sans précédent."

Dans le cas de la maladie d'Alzheimer, les scientifiques ont modélisé la progression de deux protéines mal repliées - connues sous le nom de tau et bêta-amyloïde - qui changent toutes deux de forme et forment des amas toxiques dans le cerveau des personnes atteintes de la maladie. Les chercheurs précédents avaient coloré des tranches de cerveau à la fois pour les protéines et, avec le nouveau modèle, L'équipe de Kuhl a pu créer deux simulations montrant la manière différente dont chacune de ces variantes de cette maladie se propage.

Répandre le défaut

Les neuroscientifiques ne savent pas précisément comment un amas de protéines défectueuses affecte ses voisins pour propager le mauvais repliement, bien que Kuhl ait déclaré qu'il existe trois théories dominantes. La vertu du modèle, elle a dit, est qu'il prédit le cheminement de la maladie, quelle que soit la théorie correcte.

Kuhl prévoit maintenant de travailler avec des neuroscientifiques pour mieux comprendre les mécanismes du mauvais repliement des protéines. Ces informations amélioreraient leur modèle et conduiraient peut-être à de meilleurs moyens de diagnostiquer la maladie alors qu'elle est encore en mode furtif.

"Le vrai défi est que la mort cellulaire due aux protéines toxiques se produit des années, sinon des décennies, avant que les premiers symptômes commencent à apparaître, ", a déclaré Kuhl.

Kuhl prévoit également de mettre le logiciel de modélisation gratuitement à la disposition d'autres scientifiques, répéter ce qu'elle a fait il y a une décennie avec des modèles similaires pour étudier le cœur - un travail maintenant connu sous le nom de Living Heart Project. Aujourd'hui, Kuhl a dit, plus de 150 laboratoires universitaires et commerciaux utilisent le logiciel Living Heart pour tester des procédures chirurgicales ou concevoir des dispositifs tels que des valves cardiaques. Le logiciel du cerveau sera connu sous le nom de Living Brain Project.

« Vu le vieillissement de la population, d'ici le milieu du siècle, 135 millions de personnes dans le monde auront une forme de démence, " a déclaré Kuhl. " Nous devons trouver de nouvelles façons de stimuler la recherche vers des diagnostics et des interventions, et la modélisation informatique peut jouer un rôle clé dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques."