Département MlRCen, Molecular lmaging Research Center

Le projet BrainMicroWiring explorera le lien entre le microbiote et la microglie dans le développement du cerveau humain, en se concentrant sur les circuits inhibiteurs corticaux. Au cours des trois premières années de vie, le microbiote colonise l'intestin tandis que le cerveau se développe par synaptogenèse et élagage synaptique. L'objectif est de déterminer si les signaux du microbiote intestinal régulent l'activité microgliale. Une attention particulière sera portée aux Lactobacilli, influencés par l'alimentation postnatale. Bien que la microglie soit essentielle à l'élagage synaptique chez les animaux, son rôle dans le cerveau humain reste incertain. La signalisation microbiote-microglie pourrait réguler la formation des circuits neuronaux, en particulier des interneurones, durant les trois premières années de vie de l'enfant. Une communication perturbée entre microbiote et microglie pourrait contribuer aux malformations corticales. Pour valider cette hypothèse, le projet utilisera des biopsies cérébrales pédiatriques et des analyses de microbiote d'enfants de 0 à 3 ans, avec ou sans malformations corticales. Les expériences incluront des enregistrements électrophysiologiques et de l'imagerie des microglies dans des tranches corticales humaines et des cultures organotypiques. En collaboration avec l'Hôpital Necker, nous corrélerons les antécédents cliniques des patients avec leur microbiote pour traduire les résultats en pratique clinique. Un modèle de primate non humain (macaque) sera également utilisé pour valider ces mécanismes, permettant d'étudier le rôle du microbiote dans les interactions microglie-neurone à des stades spécifiques du développement cérébral. Ces études, représentent une étape cruciale vers la compréhension de l'axe microbiote-microglie dans le développement du cerveau humain et pourraient révéler de nouveaux mécanismes des malformations cortical ouvrant la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Since the establishment of EATRIS as an ERIC in 2014, the infrastructure has developed a growing portfolio of services and collaborative projects serving several user groups including industry (large pharma and SME), academia, research funders and patients. EATRIS has progressed from proposing a strong proof of concept service portfolio, to building and delivering innovative tools for translational research and is now advancing its strategy to further exploit these tools for the extended research and innovation community. EATRIS-CONNECT will accelerate this strategy by focusing specifically on advancing the digital readiness of EATRIS to support biomedical challenges in Europe and provide translational solutions for the benefit of personalised medicine. Through curated access to novel digital tools and services, as well as node strengthening, EATRIS-CONNECT will equip EATRIS across the entire distributed research infrastructure to address bottlenecks and challenges for the application of digital solutions in the context of use. Moreover, the project will ensure this digital transformation is environmentally sound by improving energy, resource, and material efficiency, supporting the environmental goals of the European Green Deal. The project will promote the cross-border alignment in the adoption and application of digital tools and help consolidate the European RI landscape by fostering interdisciplinary collaborations between cross-sector RI and exploring how RI can together unlock innovation in the digital domain. EATRIS-CONNECT will provide the pathway for the evolution of EATRIS. All 14 national EATRIS nodes form the central pillar of EATRIS-CONNECT, facilitating the alignment of strategic national priorities across the infrastructure and empowering EATRIS widening nodes to strengthen their digital competencies, ultimately ensuring the long-term sustainability of EATRIS.

Les lésions de la moelle épinière (LME) touchent plus de 2,5 millions de personnes dans le monde. La majorité des lésions se produit au niveau cervical, altérant la locomotion mais aussi la fonction respiratoire. Après une lésion haute (en C4 ou au-dessus), les patients peuvent devenir ventilo-dépendants, ce qui compromet considérablement la qualité de vie et augmente le taux de mortalité. A ce jour, la ventilation mécanique (VM) est l’unique solution pour ces patients, incapables de respirer par eux-mêmes. Les rares alternatives à la VM, comme l’implantation d’un stimulateur phrénique, ne peuvent être mises en place que des mois ou années après la LME, avec un très faible taux de succès (10%). L’électrostimulation des muscles extra-diaphragmatiques pourrait être une solution pour induire une neuroplasticité et améliorer/ préserver la structure et la fonction du diaphragme, mais les dispositifs actuellement accessibles sur le marché ne sont pas conçus pour ces effets. Le PARTENAIRE 1 a développé un système de stimulation non-invasive des muscles extra-diaphragmatiques (les intercostaux et les abdominaux), chez la souris, de façon synchronisée à la respiration (rSynES). Les résultats préliminaires suggèrent que le diaphragme et la fonction respiratoire récupèrent suite à cette stimulation indirecte du diaphragme. Ainsi, les réseaux neuronaux pourraient être activés et une régénération axonale pourrait apparaitre, représentant un espoir de traitement chez les patients dépendants de la VM. Cependant, le système rSynES doit être optimisé pour être parfaitement synchronisé à la respiration spontanée et/ou sous VM et le lien entre la stimulation extra-diaphragmatique et la fonction du diaphragme démontré. Le PARTENAIRE 2 a une expertise reconnue dans le développement de méthodes d’acquisition et d’analyse de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (fIRM) du cerveau, et a récemment développé un dispositif pour l’IRM de la moelle épinière chez la souris. Cette approche permettrait de mettre en évidence une activation neuronale au cours d’une session de rSynES et aider à l’optimisation fonctionnelle du système. Le PARTENAIRE 3 a développé une expertise en imagerie de Transfert de Saturation par Échange Chimique (CEST) du glutamate (IMR-GluCEST) chez la souris. Cette approche émergeante permet de cartographier la distribution du glutamate dans la moelle épinière, informant ainsi sur l’intégrité neuronale. Le projet RECOVDIA vise à optimiser le développement de rSynES chez la souris et à obtenir une preuve de concept de l’efficacité de cette thérapie. Les objectifs sont : 1/ d’optimiser le développement de rSynES, 2/ d’obtenir une preuve de concept de l’efficacité de rSynES sur la fonction respiratoire, tout en identifiant de nouveaux biomarqueurs de neuroplasticité, et, enfin, 3/ de déterminer les mécanismes d’action de rSynES. Des approches standardisées seront utilisées pour étudier la fonction respiratoire et l’activité diaphragmatique au côté d’analyses structurales et moléculaires et par IRM fonctionnelle et métabolique (GluCEST) de la moelle épinière. Le consortium combine des expertises complémentaires en physiologie respiratoire, neurobiologie et en imagerie pour développer une approche à haut potentiel de transfert clinique. En outre, ce projet sera déterminant pour le succès d’un projet de maturation associé à un algorithme récemment breveté, et ayant pour but l’adaptation du dispositif à l’humain. Au cours du projet RECOVDIA, nous avons également espoir d’identifier les paramètres d’IRM qui pourront servir de biomarqueurs en médecine régénérative. Ce projet est une opportunité unique d’associer le développement technologique de la stimulation neuromusculaire et des biomarqueurs d’IRM à des objectifs à la fois clinique -développer une nouvelle approche thérapeutique visant à réduire le handicap respiratoire chez des patients dépendants à la VM – et scientifique - d’améliorer les concepts de neuromodulation.

a-Synuclein pathology is inextricably linked to the pathogenesis of Parkinson’s disease (PD), yet we have very limited understanding why specific neuronal populations are vulnerable to a-Syn-related PD pathology while others are much more resistant. Likewise, we have very limited knowledge of whether neurons may transition from a resistant state to a vulnerable state, how neuronal vulnerability manifests itself during disease development, how it defines distinct stages of a-Syn pathology, and how other non-neuronal cells (astroglia, microglia, infiltrating immune cells) contribute to these processes. 4DPD-Omics is a consortium of experts in a-Syn biochemistry, neuroanatomy and neuropathology, translational a-Syn disease models, spatial and single cell omics profiling, bioinformatics and systems biology who are ideally positioned to perform an unprecedented, integrated, spatiotemporal transcriptome and proteome analysis of neuronal and non-neuronal responses to a-Syn pathology. The consortium has already collaboratively generated rich sets of bulk transcriptomics and proteomics data in preclinical models and post mortem human samples with a-Syn pathology. Using these data and subsequent bioinformatics and functional interrogations, the 4DPD-Omics consortium members have identified mitochondrial dysfunction, rewiring of metabolic networks, defects in mitophagy/autophagy, proinflammatory processes and altered synaptic vesicle trafficking as key mechanisms contributing to a-Syn pathology. However, it remains unresolved which cell types display these changes, how these processes are altered over time in the context of development and spreading of targeted a-Syn pathology and neurodegeneration, and which signalling pathways trigger these alterations. 4DPD-Omics will avail of well-characterised preclinical mouse models developed by consortium partners (striatal injections of a-Syn fibrils with progressive disease-like pathology), as well as clinically and genetically annotated human post mortem samples of defined Braak stages (0-VI), to perform an in-depth cell-specific spatial transcriptomics and proteomics analysis. We will avail of spatial transcriptomics, mass spectrometry, and CellDIVE multiplexing platforms to determine whole transcriptome/proteome changes at spatial tissue level and single cell level in neuronal and non-neuronal cell populations over time, and correlate these alterations to the progression and spreading of a-Syn pathology. We will create a 4D dynamic atlas of the distribution of specific cell subpopulations, correlate their transcriptome/proteome changes to their vulnerability to pathogenic processes, and characterise the spatial cellular landscape in relation to a-Syn pathology. Integrative bioinformatics analyses, including network modelling and master regulator analyses, will identify biomarkers, pathways, and signatures in cellular sub-types susceptible and resistant to a-Syn pathology that may precede appearance of the pathological phenotype. Utilising systems biology approaches such as genome scale modelling, previously identified disease pathways will be systematically investigated in the context of disease progression and the cell types in which they occur, and mapped to master regulators. Identified signalling pathways and master regulators will be validated in clinical samples using multiplexing approaches that enable the quantification of up to 50 markers in ±10,000 individual cells within a single tissue section/region, providing unprecedented insights into disease patterns in humans at single cell resolution. Collectively, by generating spatial tissue profiles and more than 10,000,000 single cell profiles and by analysing the spatiotemporal responses of vulnerable and less vulnerable neurons and non-neuronal cells to a-Syn pathology, we will identify biomarkers of disease progression and endophenotypes in PD patients, representing novel cell-specific targets and strategies for drug development.

Problem: Increasing evidence shows that individuals affected by idiopathic REM sleep behavior disorder (iRBD) have a high risk of conversion to Parkinson’s disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB) or multiple system atrophy (MSA), conditions that have a common cellular pathological hallmark, the aggregation of alpha-synuclein (aSYN). Despite phenotypic similarities in the early stages, clinical phenotypes differ significantly in later stages with substantial therapeutic and prognostic consequences. Goal and methodology: DEEPEN-iRBD aims to develop a proof of concept for phenoconversion based on pre-clinical/clinical research and data analysis to implement correct diagnosis and accurate prognosis and facilitate personalized interventions. To achieve this goal, we will integrate existing and new data, including both advanced clinical assessments and molecular markers to deepen iRBD and reveal PD, MSA and DLB specific profiling. Clinical electrophysiological signals from polysomnographic recordings, continuous electrocardiographic and arterial blood will determine autonomic functions. A comprehensive genetic screening will be applied to identify genetic modifiers. Patient samples as body fluids, skin biopsy, and iPSC-derived brain cells will be employed to determine structure and properties of aSYN aggregates and disease-specific cellular pathways. Pathogenicity model, a system for prediction and description of diseases, will be implemented and applied for diagnosis and patient stratification. On this basis, a personalized symptomatologic therapeutical approach combined with early rehabilitative intervention will be offered to iRBD patients. Finally, ethical and social aspects related to communication and screening issues will be analyzed. Benefit: DEEPEN-iRBD consortium of multidisciplinary experts will address secondary and tertiary prevention, mainly through individual risk assessment and strategies to develop tailored interventions and care in iRBD.

BACKGROUND: Multiple system atrophy (MSA) is a rare neurodegenerative synucleinopathy, which predominantly shows alpha-synuclein (a-syn) aggregation in oligodendrocytes (OL). There is no effective treatment and etiopathogenesis is vastly unknown. There are two theories explaining the aberrant localization of a-syn in OL. One theory first postulates a pathogenic overexpression of a-syn in OL; however, gene expression studies in brain have failed to show a-syn overexpression. A second theory, considers there is an abnormal up-take of neuronal a-syn by OL, mainly supported by mouse models. These studies have demonstrated that a-syn, can redistribute from neuron to OL and spread by prion-like mechanisms; however, this has not been replicated in human OL. Using patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSC), and their subsequent differentiation into specific cell types (such as OL) enables generating scalable quantities of disease-relevant tissue (iPSC-OL). OBJECTIVES: (i) To generate MSA-specific iPSC from MSA fibroblasts collected at FCRB, and subsequent differentiation into OL. (ii) To investigate alterations in fibroblasts and iPSC-OL from MSA subjects vs. controls at a transcriptomic, epigenomic, and proteomic level. (iii) To assess the uptake and seeding propensity of structurally distinct a-syn fibrillar strains (amplified from MSA brains) by MSA-derived iPSC-OL. (iv) To identify the interactome of a-syn in iPSC-OL. (v) To create an a-syn/OL molecular network model by computational analysis and predict therapeutic candidates (vi) To create a complimentary humanized mouse model parallel to the iPSC-OL model (vii) To test therapeutic candidates in both in vitro and in vivo models. METHODS: Fibroblasts (MSA=6) will be reprogrammed to iPSC using the non-integrative Sendai virus strategy. OL differentiation will be obtained following Douvaras and Fossatti 2015 Nature protocol. A fully functional ‘OMIC’ iPSC-OL characterization will be performed by RNA sequencing and mass spectrometry. Structurally distinct a-syn fibrillar strains will be amplified from MSA using PMCA. iPSC-OL cell lines will be exposed to a-syn fibrillar strains. The binding of the strains to the plasma membranes, uptake, seeding, and accumulation propensities will be assessed quantitatively using STORM imaging and biochemical assays. The plasma membrane and cytosolic interactomes will be determined by mass spectrometry after pull-down experiments. In coordination with Dr.Douglas Armstrong's lab we will create a molecular network model by clustering algorithms. Network target predictions will be validated in the iPSC-OL and the novel humanized rodent model for MSA. IMPACT: We expect our work to significantly impact MSA's field shedding light on disease mechanisms and creating a warranted cell and animal model for drug discovery. By assessing distinct a-syn fibrillar strains in oligodendrocytes, identifying pathogenic interactions within these cells, and the epigenomic/transcriptomic/proteomic changes that affect them, we will understand the pathological events leading to MSA to an unprecedented level. This should allow modulating disease progression through proteins that interact with pathogenic a-syn fibrillar strains, yielding novel therapeutic tools and strategies.

Le glucose est la principale source de production d'énergie, en particulier dans le cerveau. Des preuves convaincantes indiquent le rôle clé que pourraient jouer les défauts du métabolisme du glucose dans plusieurs maladies neurodégénératives. La tomographie par émission de positrons est l'examen de référence pour évaluer de façon non invasive la consommation du glucose par les cellules du cerveau, mais cette technique souffre d’une résolution spatiale intrinsèquement faible. Ceci limite ses applications, en particulier pour l'étude des maladies neurodégénératives dans les modèles murins. Une nouvelle modalité d'imagerie par résonance magnétique (appelée transfert de saturation par échange chimique ou CEST en anglais) a été proposée pour imager le glucose de façon non-invasive avec des résolutions spatiale et temporelle élevées. Cette méthode d'imagerie par résonance magnétique (IRM) appelée glucoCEST pourrait offrir un nouvel outil pour cartographier le métabolisme énergétique dans le cerveau de souris, aussi bien en conditions saines que pathologiques. Cependant, cette méthode est actuellement limitée par le manque de spécificité. En effet, seuls les changements relatifs du signal glucoCEST sont rapportés. Cependant, de telles mesures fournissent relativement peu d'informations sur les variations absolues de la concentration en glucose et de ses produits de dégradation par voie glycolytique dans le cerveau. En plus de l'aspect méthodologique des acquisitions CEST, l'aspect quantitatif est actuellement l'une des limites majeures de l'imagerie CEST qui empêche le transfert de cette technique en clinique pour des applications chez des patients. Dans ce contexte, les objectifs de ce projet ambitieux sont d'abord de repousser les limites de l’imagerie CEST grâce à des développements méthodologiques pointus. Ensuite, nous développerons des outils innovants pour quantifier le signal glucoCEST afin d'établir des cartes quantitatives de l'utilisation du glucose in vivo en utilisant des modèles pharmacocinétiques. Enfin, nous démontrerons que notre méthode peut constituer un biomarqueur pertinent des altérations du métabolisme énergétique cérébral dans la maladie d'Alzheimer en utilisant un modèle de souris déjà bien caractérisé. Avec le projet nrjCEST, nous nous efforçons d'offrir un nouvel outil non invasif à la communauté préclinique pour étudier les dérégulations du métabolisme énergétique cérébral impliqués dans bon nombre de modèles murins de maladies neurodégénératives. De plus, ce projet améliorera considérablement la méthode d'imagerie CEST et accélérera le transfert de la technique pour des applications cliniques permettant ainsi d’étudier sous un nouvel aspect les maladies neurodégénératives et en particulier la maladie d'Alzheimer.