La surprenante entrée des poissons dans le challenge de l’épilepsie

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En rayures ou tacheté, Danio rerio, alias le poisson-zèbre, fait ses preuves dans la recherche contre l’épilepsie. Les laboratoires commencent à tirer parti des nombreux avantages de ce petit animal dans l’étude et de la compréhension de cette pathologie.

Danio rerio (F. Hamilton, 1822) (zebra danio) – Auteur : Pogrebnoj-Alexandroff

Vous voulez savoir quel est le rapport entre un aquarium, des rayures de zèbre et la recherche contre l’épilepsie ? Il s’agit du poisson-zèbre ! Dans la féroce compétition pour l’étude de cette maladie, ce petit poisson se confronte à d’autres célèbres concurrents de laboratoire… Alors, vous pouvez vous demander : “un poisson pour étudier une maladie humaine ? Vraiment ?” Oui, vraiment ! Pour comprendre cela, revenons sur les détails de la compétition pour la recherche contre l’épilepsie.

L’épilepsie : un challenge de taille

C’est un de ces samedi soirs barbants, où l’irrépressible envie de ne rien faire s’empare de vous… Vous zappez, mais rien de spécial. Quand d’un coup, un programme vous interpelle : “des challengers du tonnerre” ? Une sorte de Jeux Olympiques pour les animaux ? De quoi égayer la soirée, que les épreuves commencent !

Nommé “epilēpsía” en Grèce antique signifiant “attaque, interception, arrêt soudain”(1), le grand challenge qui nous intéresse aujourd’hui n’est autre qu’une des affections les plus anciennement connues de l’humanité(2). Les animaux challengers participant à cette épreuve présentent diverses caractéristiques. Tout comme les patients humains, estimés à 50 millions dans le monde(1), ils peuvent :

  • perdre connaissance ou avoir des absences, c’est-à-dire des périodes où ils ne réagiront plus du tout (ce qu’on appelle symptômes du “petit mal”))(3)(4)
  • convulser de façon plus ou moins sévère (symptômes du “grand mal”)(4)

On parle plus communément de “crises” qui peuvent être plus ou moins fréquentes et qui résultent de décharges électriques soudaines, et souvent brèves, au niveau des neurones dans le cerveau.(1) Ces impulsions électriques peuvent causer des dommages cérébraux, une neurodégénérescence (perte de fonction ou mort des neurones endommagés par le choc)(5) et affecter des fonctions cognitives comme l’apprentissage, la mémoire, les mouvements et les sensations (visuelles, auditives…). Mais ce n’est pas tout : elles peuvent aussi être à l’origine de troubles comme l’anxiété ou la dépression(1)(A).

Etendue des crises – Auteur : Hardy Alexis

L’origine de ces crises dépend d’une multitude de facteurs, qui sont tout autant de sujets d’étude dans ce challenge contre l’épilepsie. Voilà de complexes épreuves pour la suite : nos animaux compétiteurs devront être capables de relever le défi.

Un programme qui s’annonce chargé…

Le programme du challenge “Recherche contre l’épilepsie” prévoit un panel complet de facteurs à étudier.

Le premier point à prendre en compte chez un athlète n’est autre que son mode de vie, qui peut être corrélé avec une augmentation de la fréquence des crises(4) :

L’environnement augmente la fréquence des crises – Auteur : Hardy Alexis

Voilà qui réduit l’envie de passer des nuits blanches à faire la fête…

D’autre part, le risque de développer cette pathologie peut être augmenté par d’autres facteurs(4) tels que :

  • L’âge (les enfants et les personnes de plus de 60 ans)
  • Les blessures à la tête, les infections cérébrales (telles que des méningites…)
  • Les crises cardiaques
  • La démence

Malheureusement, ça ne s’arrête pas là : la génétique peut prédisposer à l’épilepsie ! On parle alors d’épilepsie idiopathique(6), c’est-à-dire sans cause déterminée mais liée à la génétique. Mais attention, il ne faut surtout pas penser qu’il existe “un gène de l’épilepsie”. En fait, la part de la génétique dans l’apparition de l’épilepsie s’ajoute aux autres facteurs cités ci-dessus : la pathologie peut alors apparaître par interaction de la génétique avec ces facteurs (âge, mode de vie…).

Pour résumer, nos challengers sont soumis à des facteurs environnementaux et/ou génétiques pouvant prédisposer leur participation au combat. Ainsi, afin d’aider ces challengers à surmonter ces épreuves, les scientifiques ont fait appel à nos compétiteurs de haut niveau, j’ai nommé… les “organismes modèles” !

Challenge contre l’épilepsie : un jury international

Avant de nous intéresser aux épreuves du challenge, il est important de revenir sur les qualifications, ainsi que sur les choix du jury quant aux animaux sélectionnés pour la compétition dans la recherche sur l’épilepsie.

Il est important de savoir que les organismes modèles permettent de réaliser des expériences afin de comprendre des mécanismes cellulaires précis comparables à ceux de l’humain. Être un organisme modèle pour un type de maladie est une discipline difficile. Il faut pouvoir passer de nombreuses qualifications pour prétendre être à la hauteur et participer à la compétition(7):

  • Être intéressant d’un point de vue génétique : il est préférable que le génome soit de petite taille avec des outils de biologie moléculaire disponibles, simples et rapides pour l’étudier.
  • Il est nécessaire que le développement embryonnaire soit court : si on veut regarder la descendance, les épreuves risquent d’être sans fin avec un développement à vitesse d’escargot.
  • Il est important que l’organisme ait beaucoup de descendants pour avoir un maximum d’individus issus d’un même parent. Cela est primordial pour la reproductibilité des expériences, c’est-à-dire pour refaire les mêmes expériences afin de vérifier les résultats obtenus.

De nombreux organismes ont cependant réussi à regrouper toutes les qualifications imposées par les scientifiques et sont aujourd’hui utilisés dans la course contre l’épilepsie.

Les animaux compétiteurs : à vos marques, prêts… partez !

Dans l’équipe des vers, il y a Caenorhabditis elegans, qui a dès le XIXe siècle séduit les chercheurs par son hermaphrodisme(B).

Caenorhabditis elegans – Auteur : Kbradnam

Avec un régime alimentaire des plus surprenants (il se nourrit exclusivement de bactéries), et ses 1mm de long, C.elegans est facilement élevé et stocké en laboratoire. C’est un compétiteur honnête, pas de risque de dopage : sa transparence et son nombre de cellules invariant ne lui permettent aucune triche. Avec un nombre de neurones fixe et déterminé à 302 au sein des 959 cellules de l’adulte, ce ver apparaît comme un modèle de taille. Et malgré sa simplicité morphologique, il présente des comportements permettant l’étude des symptômes épileptiques(C), comme des convulsions accompagnées de balancements de la tête.(D)

Malheureusement, quelques détails mettent ce ver hors course : son système nerveux très simple et ses neurones assez différents de l’Homme rendent les découvertes réalisées difficilement exploitables à l’échelle humaine. D’autre part, les techniques permettant de mesurer des potentiels électriques au niveau du cerveau sont difficilement utilisables chez C.elegans (C).

Dans l’équipe des petits mammifères, nous avons Mus Musculus ou bien… la souris domestique ! Avec un nom digne des plus grands haltérophiles, ce rongeur est un organisme modèle crucial dans les laboratoires. Il est d’ailleurs utilisé depuis le XVIème siècle (a)!

Mus musculus – Auteur : George Shuklin

Petit, facile à élever, avec un cycle de développement rapide (environ 2 mois) et un cycle reproductif qui dure toute l’année (pas mal pour l’épreuve d’endurance), il n’y a pas de doute sur ses avantages. Un autre intérêt important est qu’il y a une homologie de 99% des gènes entre l’humain et la souris. D’ailleurs, sa proximité avec l’humain permet d’observer des comportements épileptiques similaires telles que des absences par exemple.(E) Ayant été l’un des premiers modèles pour étudier cette pathologie, de nombreuses données expérimentales sont disponibles chez ce petit rongeur(a) qui est bien connu par la communauté scientifique.

Cependant, il est important de souligner que la variation du fond génétique chez la souris (= l’expression d’autres gènes interférant avec la fonction du gène que l’on étudie) peut aussi mener à des résultats opposés ou contradictoires(C) dans l’étude de l’épilepsie.

D’autre part, le coût de la recherche peut devenir élevé et la participation de ce rongeur implique des techniques invasives(a) (ou micro-destructives) : des lésions sont nécessaires pour analyser les résultats (prélèvement de la queue, dissection…). Et pour finir, une autre difficulté chez la souris est l’aspect éthique : même si ce serait le sujet d’une autre discussion(a), il est primordial de souligner que c’est un point important.

Ainsi, même étant la plus proche de l’humain, la souris n’est pas toujours la mieux adaptée pour étudier l’épilepsie, mais bien la plus présente dans la compétition ! Ceci étant dit, revenons à nos moutons… enfin, à nos poissons.

Le poisson-zèbre : en tête de course

La troisième et dernière équipe dont nous allons parler est celle des poissons, avec Danio rerio, le poisson-zèbre, comme représentant ! Venu tout droit d’Inde(8), il est tout petit, très facile à élever et peut produire à chaque ponte plus d’une centaine d’oeufs donnant des embryons transparents. Il se place donc aussi très bien dans la course(9). Chez ce challenger, le relais des événements déclenchant des crises épileptiques est similaire à celui qui induit des crises chez les mammifères(C) : on peut alors facilement comparer les résultats obtenus chez le poisson-zèbre avec l’humain !

Et enfin, avantage non négligeable, pour tester l’effet de diverses molécules sur le poisson-zèbre, il suffit de les ajouter dans l’aquarium. Comme les embryons sont perméables, on peut alors faire agir un même type de molécule sur des centaines de poissons en même temps ! De cette manière, il est possible de tester bon nombre de traitements qui, s’ils s’avèrent concluants, pourraient passer à l’étape suivante : celle des essais cliniques chez les humains(9).

Mais l’épilepsie chez un poisson, comment ça se manifeste ? En fait, être “épileptique” pour un poisson ne veut pas dire qu’il présente tous les types de symptômes possibles. Ses crises sont caractérisées par (F):

  • Le comportement + activité motrice : si ses mouvements sont anormaux et rapides, on observe une augmentation de sa vitesse moyenne. Pour cela, on utilise des caméras pour suivre ses déplacements en 3D !
  • L’activité du cerveau : quand le poisson a des crises (spontanément ou induites par des agents pro-épileptiques), une intensité électrique plus forte ou brutale au niveau du cerveau est mesurée grâce à une électrode. Comme eau et électrode ne font pas bon ménage, les poissons sont anesthésiés et la mesure est réalisée hors de l’eau (Danio rerio peut vivre quelques minutes à l’air libre)(G) Les scientifiques peuvent aussi utiliser comme indicateur des gènes exprimés plus fortement après les crises.
  • Enfin, la morphologie : les crises peuvent affecter la croissance du poisson et son cerveau, on alors mesurer si sa croissance est ralentie ou si certaines zones de son cerveau sont endommagées ou rétrécies. (par imagerie : fluorescence, immunohistochimie…)

Au final, un poisson épileptique, à quoi ça ressemble ? Sachez qu’un poisson ayant une crise, c’est bien plus visible qu’un simple mouvement de tête :

(Modifications par Alexis Hardy)

Simultaneous measurement of brain activity and tail movement – Auteur : Turrini L et al.

Poisson-zèbre à 4 jours après fécondation
CTRL : condition contrôle, c’est-à-dire sans traitement.
1mM PTZ / 15mM PTZ : concentrations croissantes de PTZ (aussi appelé le Pentylènetétrazole), un agent capable d’induire des crises épileptiques.

Les mouvements du poisson-zèbre, qui a été rendu fluorescent par les chercheurs, peuvent alors être enregistrés via des caméras ! Sauf qu’ici, on a une image résumant les mouvements (une sorte de moyenne) qui sont tracés au cours de la vidéo. Par exemple, si la queue est immobile (ou presque) dans la vidéo, elle sera nette au niveau de l’image, qui est formée par des clichés dans le temps qui sont ensuite superposés. Au contraire, avec de nombreux mouvements, une superposition des images donnera une image semblant être “floue”.

Sous l’effet d’un agent convulsant, comme le PTZ dans l’exemple montré plus haut, on peut voir que la vitesse moyenne du poisson est fortement augmentée et que la fluorescence est plus intense au niveau du cerveau. Ces deux paramètres sont caractéristiques de convulsions : on a alors un poisson épileptique, chez lequel on pourra étudier facilement de nombreux facteurs.(H)

Il est donc possible d’étudier l’épilepsie avec des paramètres très simples sur de nombreux individus, offrant alors à notre challenger une large avance sur le peloton des organismes modèles.

Médaille d’or pour le poisson “épileptique”

Et c’est à l’issue de cette compétition très serrée que nous attribuons la médaille d’or à… Danio rerio !

(Modifications par Alexis Hardy et Veronica Teixeira)

Copyright Showeet.com + Caenorhabditis elegans – Auteur : Kbradnam + Mus musculus – Auteur : George Shuklin + Danio rerio (F. Hamilton, 1822) (zebra danio) – Auteur : Pogrebnoj-Alexandroffs

Les résultats ne se font pas attendre : début 2017, l’équipe de Scott C. Baraban à San Francisco, a réussi à préciser les effets bénéfiques d’une molécule, le Clemizole, déjà utilisée pour la perte de poids (par réduction dela sensation de faim), mais cette fois en tant que possible traitement pour l’épilepsie. Cette équipe a également montré que le Clemiszole pourrait aussi réduire la fréquence des crises chez les patients atteints du syndrome de Dravet, l’une des nombreuses formes d’épilepsies infantiles affectant le développement et avec un taux de mortalité élevé(I)(10).

Copyright – Droits Réservés : Graph showing the velocity of untreated scn1Laa mutants (blue bars) and subsequent treatment with stiripentol (stp), diazepam (dzp), clemizole (clem) and lamotrigine (ltg)) (yellow bars) – Auteur : Aliesha Griffin et al.

Vitesse moyenne des poissons scn1Laa (poissons épileptiques) avant l’exposition à certains traitements (barres bleues) et après exposition (barres jaunes). La vitesse moyenne de déplacement des mutants scn1Laa est réduite lorsqu’ils sont traités au Clemizole (clem).

Pour arriver à ces résultats, l’équipe de chercheurs a testé le Clemizole sur un type muté de poisson-zèbre, les mutants scn1Laa, présentant des caractéristiques épileptiques. Un des effets bénéfiques de cette molécule ayant été observé chez notre athlète Danio rerio scn1Laa est notamment la diminution de sa vitesse moyenne de déplacement : souvenez-vous, une augmentation de cette vitesse est l’une des caractéristiques de notre poisson épileptique !(I)

Et ça ne s’arrête pas là ! Notre compétiteur rafle les victoires puisqu’en juin 2017 à New Taipei City, au nord de Taiwan, l’équipe de Yau-Hung Chen a démontré que le topiramate, un agent antiépileptique utilisé chez les adultes et les enfants, peut avoir des effets secondaires importants. Il affecte notamment la formation des ovules, ou ovogenèse, chez le poisson-zèbre et provoque des malformations (osseuses et cartilagineuses) chez les nouveaux nés. Ce traitement est pourtant prescrit chez les patients épileptiques afin de prévenir les crises, car il empêche la propagation du signal électrique qui est à l’origine de la crise dans le cerveau. Mais les effets secondaires sont à prendre en compte dans l’attribution du topimarate chez l’humain : il est contre-indiqué en cas de grossesse. Après la défaite de Mus musculus dans ce domaine à cause d’une variabilité trop importante au sein des souris, notre meilleur compétiteur a encore une fois été à la hauteur, en permettant la mise en évidence des effets secondaires du topimarate !(J)

Si le poisson-zèbre nous a prouvé qu’il était une graine de champion pour nous aider à comprendre l’épilepsie, il est actuellement l’un des meilleurs candidats pour s’imposer dans de nombreux autres domaines. Ainsi, il existe de nombreuses autres compétitions en neurosciences telles que les recherches sur les syndromes d’Alzheimer ou de Parkinson qui sont tout aussi olympiques ! Notre petit poisson est bien décidé à relever le défi qu’elles représentent et à remporter de nouveaux trophées dans ces domaines très importants.

Alexis Hardy, Clio Dalmaz et Veronica Teixeira.

Références :

Sites web :

  1. Wikipédia, “Epilepsie” . https://fr.wikipedia.org/wiki/Épilepsie#.C3.89tymologie
  2. OMS, “Épilepsie”. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs999/fr/
  3. AboutKidsHealth, “Absences épileptiques” . http://www.aboutkidshealth.ca/fr/resourcecentres/epilepsy/understandingepilepsydiagnosis/typesofseizures/pages/absence-seizures.aspx
  4. Inserm, “Dossier d’information Epilepsie”, 2012 https://www.inserm.fr/thematiques/neurosciences-sciences-cognitives-neurologie-psychiatrie/dossiers-d-information/epilepsie
  5. JPND, “What?”. http://www.neurodegenerationresearch.eu/about/what/
  6. Sciences et Avenir, “L’épilepsie : définition, symptômes, traitement”, 2017 https://www.sciencesetavenir.fr/sante/cerveau-et-psy/l-epilepsie-definition-symptomes-traitement_12855
  7. ACCES (ENS Lyon), “Les organismes modèles”, 2002 http://acces.ens-lyon.fr/biotic/biomol/enjeux/appligen/html/modeles.htm
  8. VetoFish, “Le poisson-zèbre, un organisme modèle pour la recherche”, 2013 https://www.vetofish.com/actu/poisson-zebre-organisme-modele-recherche
  9. EFOR, “Poisson-zèbre”. http://www.efor.fr/pages/organisms/?id=36
  10. WebMD, “Belviq Oral : Uses, Side Effects, Interactions, Pictures, Warnings & Dosing”. https://www.webmd.com/drugs/2/drug-164439/belviq-oral/details

Livre :

  1. Daniel Boujard et al, “Biologie du développement”, Dunot, p.28-29, 2016. https://books.google.fr/books?hl=fr&lr=&id=qn2JDAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR5&dq=Biologie+du+développement+Daniel+Boujard+Vincent+Leclerc&ots=RsS_VgJyoJ&sig=z8_l3QKCpNd6CbKiqcIX5P-ezu4#v=onepage&q=Biologie%20du%20développement%20Daniel%20Boujard%20Vincent%20Leclerc&f=false

Articles :

  1. Gregory L. Holmes et Yehezkiel Ben-Ari, “The Neurobiology and Consequences of Epilepsy in the Developing Brain”, 2001. https://www.nature.com/pr/journal/v49/n3/full/pr200150a.html
  2. Carole Couillault, et Léopold C. Kurz, “Du nématode Caenorhabditis elegans et de son utilisation en laboratoire.”, 2010. http://www.afstal.com/medias/File/sta-39252-w-4-articles-c-elegans-6012011.pdf
  3. Vincent T. Cunliffe et al, “Epilepsy research methods update: Understanding the causes of epileptic seizures and identifying new treatments using non-mammalian model organisms”, 2015 . http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1059131114002726
  4. Scott C. Baraban, “Emerging epilepsy models: insights from mice, flies, worms and fish”, 2007 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4362672/
  5. Jeffrey L. Noebels et Richard L. Sidman, “Inherited epilepsy: spike-wave and focal motor seizures in the mutant mouse tottering”, 1979 . http://science.sciencemag.org/content/204/4399/1334
  6. Adam M. Stewart et al, “Zebrafish models for translational neuroscience research: from tank to bedside”, 2014. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166223614000277
  7. Alexandros Kyriakatos et al. “Initiation of locomotion in adult zebrafish.”, 2011 . http://www.jneurosci.org/content/31/23/8422
  8. Lapo Turini et al, “Optical mapping of neuronal activity during seizures in zebrafish”, 2017 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5465210/
  9. Aliesha Griffin et al, “Clemizole and modulators of serotonin signalling suppress seizures in Dravet syndrome”, 2017. https://academic.oup.com/brain/article-lookup/doi/10.1093/brain/aww342
  10. Yu-Heng Lai et al, “Teratogenic Effects of Topiramate in a Zebrafish Model.” 2017 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5578111/