262 | La Lettre du Neurologue Nerf & Muscle • Vol. XVI - n° 8 - octobre 2012

MISE AU POINT

Marqueurs radiologiques et biologiques de la sclérose latérale amyotrophiqueBiological and radiological markers of amyotrophic lateral sclerosisP.F. Pradat*

* Département des maladies du système nerveux et UMR-678, Inserm-UPMC, hôpital de la Pitié-Salpêtrière, Paris.

E n pratique clinique, en l’absence de marqueur spécifique, le diagnostic de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) reste fondé

sur l’anamnèse et l’examen clinique, l’électro-myogramme et le diagnostic différentiel. Comme dans d’autres maladies neurodégénératives, l’iden-tification de biomarqueurs − à visée diagnostique mais aussi pour évaluer la progression de la maladie − est une priorité de la recherche. Il y a également un intérêt majeur à disposer de marqueurs de substitution (surrogate endpoint) pour évaluer l’effet des traitements modificateurs de la maladie. On distingue habituellement 2 catégories de bio marqueurs :

➤ les marqueurs biologiques solubles (wet biomar-kers), que l’on peut doser dans les fluides de l’orga-nisme, comme le sang ou le liquide céphalorachidien (LCR), et qui le plus souvent correspondent à la modulation par le processus pathologique d’une substance endogène ;

➤ les marqueurs “solides” (dry markers), qui peuvent correspondre à des paramètres d’imagerie, des tests cliniques (échelles fonctionnelles, échelles analogiques, etc.) ou encore à des mesures électro-physiologiques.Nous tenterons ici de faire le point sur les direc-tions de recherche qui émergent afin d’identifier de nouveaux marqueurs biologiques ou radiologiques. Nous n’aborderons pas les marqueurs électrophysio-logiques de la SLA, qui tiennent une place également primordiale, avec notamment le développement des méthodes de comptage des unités motrices, qui nécessiteraient à elles seules une mise au point spécifique.

Marqueurs radiologiques

IRM conventionnelle

Les IRM cérébrale et médullaire conventionnelles tiennent une place importante dans le diagnostic différentiel de la maladie. Des signes directs traduisant une dégénérescence du faisceau pyramidal à l’étage cérébral peuvent parfois être identifiés. Il peut s’agir d’une atrophie corticale prédominant au niveau frontal ou d’un aspect en hyposignal T2 ou FLAIR au niveau du cortex moteur primaire (1). De nombreuses études en IRM, en utilisant diverses techniques (fast spin echo en T1, T2 et densité de protons ; technique d’inversion-récupération ; transfert de magnétisation, imagerie de diffusion), ont retrouvé un hypersignal focal de la substance blanche, sur le trajet du faisceau corticospinal, depuis les centres semi-ovales jusqu’au tronc cérébral (figure 1). Toutefois, ces anomalies sont incons-tantes, tardives et non spécifiques et ont l’inconvé-nient de ne pas être quantifiables. En pratique, leur présence ne joue qu’un rôle très marginal dans le diagnostic de la SLA.

Imagerie par tenseur de diffusion

L’imagerie par tenseur de diffusion (Diffusion Tensor Imaging [DTI]) constitue une technique prometteuse pour évaluer la dégénérescence des faisceaux de la substance blanche (figure 2). De nombreuses études ont ainsi montré une baisse de la fraction d’anisotropie (Fractional Anisotropy [FA]) au niveau

Figure 1. IRM conventionnelle dans la SLA (séquences FLAIR). Hypersignal visible sur le trajet du faisceau cortico-spinal, depuis les centres semi-ovales jusqu’au tronc cérébral.

Figure 2. Principe de l’IRM du tenseur de diffusion. Dans la substance blanche, la diffusion des molécules d’eau se fait préférentiellement le long de l’axe d’orien-tation des faisceaux de fibres (anisotropie).

Diffusion libre des molécules d’eau (LCR)

Substance blanche : diffusion le long des fibres

Isotrope

Anisotrope

Diffusion des molécules

Fibre nerveuse

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Points forts » En dehors des formes familiales où le gène causal a été identifié, il n’existe pas de marqueur spécifique

de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). » La surexpression de la protéine Nogo-A dans le muscle des patients souffrant de SLA constitue un marqueur

prometteur, mais sa valeur pour le diagnostic de la maladie nécessite d’être évaluée par d’autres études. » Les approches à haut débit (transcriptomique, protéomique, métabolomique, etc.) font l’objet de nombreux

travaux de recherche mais, pour le moment, n’ont pas conduit à l’identification de biomarqueurs appli-cables en clinique.

» L’imagerie du tenseur de diffusion, à l’étage cérébral et médullaire, a montré sa sensibilité pour détecter des anomalies dans la SLA.

Mots-clésSclérose latérale amyotrophiqueBiomarqueursImagerie par résonance magnétiqueTranscriptomiqueNogo-A

Highlights » Studies in blood or cerebral

spinal fluid have shown biolog-ical changes that are neither sensitive nor specific enough to provide a diagnostic tool in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The ectopic expression of Nogo-A in muscle biopsy appears as a promising marker but further studies are needed to demonstrate its value as a diagnostic tool in ALS. Studies in series of ALS patients have shown that diffusion tensor imaging can detect cortico-spinal degeneration. In the future, a combination of biological, radiological and electrophysiological markers, rather than a single marker, may provide a useful tool for the diagnosis and follow-up of ALS patients.

KeywordsAmyotrophic lateral sclerosis

Biomarkers

Magnetic resonance imaging

Transcriptomic

Nogo-A

de la portion intracrânienne du faisceau cortico-spinal à différents étages (substance blanche sous-corticale, capsule interne et tronc cérébral) [2]. Les méthodes de tractographie permettent de recons-truire la géométrie tridimensionnelle du faisceau pyramidal. Ce type d’approche est susceptible de permettre d’établir un profil de FA le long du faisceau pyramidal (3). Par ailleurs, en utilisant une approche voxel par voxel qui consiste à comparer des groupes de patients sans a priori sur une région d’intérêt prédéfinie, il a été montré que des anomalies en DTI étaient retrouvées en dehors des régions motrices primaires, ce qui confirme que la SLA est une maladie dégénérative multisystémique (figure 3, p. 264) [4]. La valeur diagnostique de la DTI à l’étage encépha-lique reste toutefois limitée par l’existence de chevau-chements importants entre les valeurs mesurées chez les patients atteints de SLA et les sujets témoins. Dans une étude (5), la sensibilité de la mesure de la FA dans la capsule interne pour détecter une atteinte du motoneurone central par rapport à des sujets sains était de 95 %, mais la spécificité n’était que de 71 %, avec une valeur prédictive positive de 82 %.

Figure 3. Imagerie du tenseur de diffusion (analyse voxel par voxel) comparant un groupe de patients atteints de SLA à un groupe de sujets témoins. Les anomalies radiologiques dans la SLA ne sont pas limitées au système moteur primaire.

Figure 4. Les progrès de l’imagerie au niveau médullaire permettent de segmenter la moelle épinière pour analyser séparément les régions motrices et sensorielles (6).

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L’imagerie médullaire offre l’avantage de permettre d’évaluer à la fois l’atteinte du faisceau corticospinal et celle des motoneurones périphériques situés dans les cornes antérieures de la moelle. L’imagerie par tenseur de diffusion au niveau médullaire a toutefois longtemps été limitée par des difficultés techniques en raison de plusieurs facteurs :

➤ le faible calibre de la moelle, qui rend nécessaire des voxels de petite taille et donc un faible rapport signal/bruit ;

➤ l’interférence des mouvements physiologiques comme la respiration, les battements cardiaques ou encore la déglutition ;

➤ la présence d’artéfacts de susceptibilité magné-tique liée à la proximité de la moelle avec les struc-tures osseuses et discales et le LCR.Récemment, l’optimisation des séquences d’ima-gerie a permis de contourner un certain nombre

de ces difficultés, en utilisant, par exemple, des méthodes de synchronisation (gating) avec les mouvements cardiaques et respiratoires. Nous avons montré qu’il était possible de segmenter la moelle épinière pour distinguer les régions latérales de la moelle, contenant le faisceau corticospinal, des régions dorsales, contenant des faisceaux véhiculant la sensibilité proprioceptive et épicri-tique (figure 4). Par ailleurs, la sensibilité de l’IRM médullaire est augmentée en utilisant une approche multiparamétrique combinant plusieurs paramètres issus de l’IRM et qui incluent l’imagerie par tenseur de diffusion, la mesure de l’atrophie médullaire et le transfert de magnétisation (une séquence sensible à la présence de macromo-lécules, notamment lipidiques et permettant donc de détecter des lésions de démyélinisation) [6]. Nous avons montré qu’il était possible de détecter l’atteinte du faisceau corticospinal liée à la maladie, et que celle-ci était corrélée à la fois à la sévérité clinique et aux anomalies à la stimulation magnétique transcrânienne. Par ailleurs, l’atrophie médullaire est corrélée au testing et à l’atteinte du motoneurone périphérique mesurée en électro-physiologie. La sensibilité de l’IRM est attestée par la détection d’anomalies infracliniques des voies sensitives, celles-ci ayant été auparavant suggérées par des études autopsiques.

Techniques d’imagerie fonctionnelle

Les techniques d’imagerie fonctionnelle en TEP et en IRM (IRMf fondées sur l’analyse du signal BOLD) constituent essentiellement des outils de recherche qui permettent d’étudier la réorganisation corticale. Les modifications du débit sanguin cérébral régional ont été étudiées lors des tâches motrices de la main. Il a été montré que l’activation cérébrale intéressait des régions corticales plus étendues que chez les sujets témoins et mettait également en jeu le cortex controlatéral. Ce phénomène semble traduire un mécanisme de compensation fonction-nelle de l’atteinte du cortex moteur dans la SLA. Récemment, ces modifications précoces de l’activité neuronale ont été corrélées au taux de progression de la maladie à 1 an et à la survie (7).

Spectroscopie RMN

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) permet de mesurer in vivo le

Figure 5. Imagerie de perfusion en SPECT. Diminu-tion importante de la perfusion au niveau des régions operculo-insulaires et rolandiques, et plus modérée au niveau du cortex préfrontal mésial et dorsolatéral.

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profil neurochimique d’une région du cerveau. Le pic principal est le N-acétyl-aspartate (NAA), un marqueur de l’intégrité neuronale. Plusieurs études ont montré une baisse du NAA et/ou des ratios NAA/choline et NAA/créatinine au niveau du cortex moteur de patients présentant une SLA (8). L’apport diagnostique reste toutefois faible, en raison des chevauchements importants entre les valeurs chez les sujets sains et chez les patients atteints de SLA.

Techniques d’imagerie nucléaire

La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomographie d’émission monophotonique (Single Photon Emission Computed Tomography [SPECT]) sont des techniques d’imagerie nucléaire utilisant divers traceurs qui peuvent soit refléter directement le dysfonctionnement ou la perte neuronale, soit être associés à un mécanisme patho-génique impliqué dans la maladie. En SPECT, après injection d’hexaméthyl-propylène amine oxime (HMPAO) marqué au technétium 99, plusieurs études ont mis en évidence une diminution du débit sanguin cérébral, reflétant les variations de l’activité neuronale sous-jacente, au niveau du cortex moteur primaire des patients atteints de SLA, pouvant également s’étendre de façon plus antérieure dans les lobes frontaux, particulièrement en cas de troubles cognitifs associés (figure 5) [9]. Une étude utilisant un ligand exprimé par la microglie activée a permis de détecter une activation microgliale, dont l’implication dans la physiopathologie de la maladie a été démontrée, au niveau du cortex moteur, ainsi que du thalamus, de la protubérance et du cortex préfrontal dorsolatéral de patients souffrant de SLA (10). Cet outil pourrait ainsi s’avérer intéressant pour mesurer l’effet du traitement ciblant l’inflam-mation dans la SLA.

Marqueurs biologiques

Marqueurs dans le sang et le LCR

À ce jour, les seuls marqueurs biologiques spéci-fiques de la SLA sont les mutations causales identi-fiées dans des formes familiales. Les cas familiaux de SLA représentent 10 à 20 % des patients. En dehors de ces cas particuliers, de nombreuses anomalies biologiques ont été décrites dans le sang et le LCR.

Plusieurs études ont ainsi montré la présence d’ano-malies concernant des voies physiopathologiques variées comme l’excitotoxicité (augmentation du glutamate), le stress oxydant (augmentation du 4-hydroxy-2,3-nonénal, par exemple), ou encore l’inflammation (augmentation de la monocyte chemoattractant protein 1). Récemment, il a également été mis en avant l’existence d’anomalies des métabolismes glucidique (11) et lipidique (12) chez les patients atteints de SLA. Toutefois, les anomalies biologiques ne peuvent être considérées comme des marqueurs sensibles et spécifiques de la maladie.Le développement des approches à haut débit (“omique”), en même temps que la réduction de leur coût, a révolutionné la recherche dans le domaine des biomarqueurs. L’approche protéo-mique a ainsi été appliquée dans le LCR. L’analyse du protéome des cellules mononucléées circu-lantes constitue également une voie prometteuse, puisque ces cellules présentent certains traits de la maladie, comme le stress oxydant ou encore le dysfonctionnement glutamatergique (13). L’analyse du métabolome dans le LCR constitue une autre méthode permettant l’identification de bio marqueurs, comme l’a montré un travail récent (14). Par rapport à des sujets témoins, les patients atteints de SLA présentaient des concen-trations diminuées d’acétate et des concentrations augmentées d’acétone, de pyruvate et d’ascorbate. Une analyse discriminante réalisée sur la base des niveaux de 17 métabolites a révélé que les patients étaient correctement classés par rapport aux sujets témoins dans 81,6 % des cas.

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Marqueurs musculaires

Une autre piste pour l’identification de biomarqueurs dans la SLA repose sur la mise en évidence d’ano-malies musculaires. Puisque le muscle constitue la cible des motoneurones, il est aisé de comprendre qu’il s’agit d’un site privilégié pour l’identification de biomarqueurs. Des travaux menés dans des modèles animaux de SLA ont montré que l’atteinte de la jonction neuromusculaire était un événement précoce, la dégénérescence du motoneurone se produisant de façon rétrograde (dying-back). Des signaux provenant du muscle pourraient être impliqués dans ce processus. Une expression ectopique de Nogo-A dans les muscles est observée au cours de la SLA. La protéine Nogo-A est physio-logiquement exprimée par les oligodendrocytes et constitue un inhibiteur de la croissance axonale dans le système nerveux central. La présence de la protéine Nogo-A dans les échantillons de biopsie musculaire permet de prédire l’évolution vers une SLA typique avec une valeur prédictive positive de 88 % et une valeur prédictive négative de 94 % (15). D’autre part, il existe une corrélation entre les niveaux de Nogo-A musculaire et l’atteinte fonction-nelle, ce qui suggère que cette protéine pourrait également constituer un marqueur évolutif. La spéci-ficité de la Nogo-A reste toutefois à déterminer, et d’autres études sont nécessaires afin d’évaluer sa valeur comme outil diagnostique dans la SLA.Les travaux actuels s’orientent vers l’identifi-cation d’une combinaison de marqueurs muscu-

laires afin d’augmenter la sensibilité. L’analyse du transcriptome musculaire constitue une méthode puissante pour atteindre cet objectif. Des travaux ont ainsi été réalisés dans un modèle animal de la maladie et, récemment, chez l’homme (16). Nous avons montré que cette approche permettait de fournir des marqueurs évolutifs de la maladie. En effet, la mesure de l’expression d’une combi-naison de 9 gènes, qui sont également modifiés dans un modèle animal, est très étroitement corrélée à la sévérité de l’atteinte musculaire liée à la maladie (16). Ces résultats ouvrent la voie à l’utilisation de marqueurs musculaires pour évaluer l’effet de traitements modificateurs, qu’ils ciblent les motoneurones ou, plus spécifiquement, la jonction neuromusculaire ou le muscle.

Conclusion

Le bilan des marqueurs de la SLA peut sembler décevant puisque, à ce jour, aucun marqueur n’est encore applicable en pratique clinique. Toutefois, les développements technologiques (neuro-imagerie, approches à haut débit) et la mise en place de travaux collaboratifs permettant d’inclure des cohortes importantes de patients laissent présager des progrès importants dans les années à venir. Il est probable que l’on se dirige vers l’utilisation combinée de plusieurs marqueurs en associant des outils biologiques, radiologiques et électrophysio-logiques. ■

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Références bibliographiques