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In vivo gamma-aminobutyric acid increase as a biomarker of the epileptogenic zone: An unbiased metabolomics approach

le 21 janvier 2021
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CONTEXTE

Pour les 30 % de patients épileptiques pharmaco-résistants, qui souffrent principalement d'épilepsie focale, une résection chirurgicale de la zone épileptogène (ZE) peut être proposée, qui nécessite, pour être efficace, d’avoir identifié le plus précisément possible la zone épileptogène. À cette fin, les explorations préopératoires comprennent généralement un vidéo-électroencéphalogramme (EEG), une imagerie par résonance magnétique (IRM) morphologique et fonctionnelle, une tomographie par émission monophotonique et une tomographie par émission de positrons. Une exploration plus poussée à l'aide d'électrodes EEG intracrâniennes (IEEG) est souvent utilisée, mais le faible échantillonnage spatial de chaque électrode et/ou une implantation malencontreuse peuvent entraîner la résection d'une zone insuffisante du cerveau. Cela explique en partie la rechute pour 20 à 50 % des patients. Par conséquent, la mise au point de méthodes non invasives permettant de mieux identifier la ZE et de guider l'implantation des électrodes reste un défi à relever.

La métabolomique, qui combine des méthodes analytiques haute résolution avec des approches statistiques avancées, est une méthode puissante pour classer les métabolites selon leur pouvoir discriminant. Parmi les méthodes d'analyse, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (SRM) est la méthode la plus robuste pour la métabolomique, et elle permet, sous certaines conditions, l’analyse de biopsies intactes sans extraction chimique et sans destruction de l'échantillon, ce qui constitue un atout certain pour le suivi clinique et la traçabilité. De plus, elle est, du fait de sa non destructivité, la seule méthode transposable in vivo. Dans cette étude, nous avons émis l'hypothèse que la métabolomique basée sur la SRM pourrait efficacement identifier la ZE in vivo dans l'épilepsie focale pharmacorésistante.

Nous avons développé une stratégie sans a priori, en 2 étapes :

  1. Sélection du ou des métabolites les plus discriminants de la ZE par métabolomique non ciblée basée sur la SRM ex vivo de biopsies cérébrales
  2. Métabolomique ciblée basée sur la SRM in vivo du (des) métabolites discriminants

RESULTATS

Nous avons abordé cette question dans l'épilepsie du lobe mésio-temporel (MTLE), caractérisée par des crises focales récurrentes initiées dans les structures du lobe mésio-temporel et souvent traitées par une chirurgie résective. Pour modéliser la MTLE, nous avons utilisé des souris KA-MTLE obtenues par injection unilatérale d'acide kaïnique (KA) dans l'hippocampe dorsal, ce qui entraîne des crises épileptiques focales spontanées enregistrées par l'IEEG et une sclérose de l'hippocampe similaire à celle de l'homme.

Dans un premier temps, nous avons observé, par SRM ex vivo, que 15 métabolites étaient sévèrement dérégulés dans la ZE, et nous avons utilisé une stratégie de sélection du(es) métabolite(s) le(s) plus discriminant sans a priori, par analyse statistique multivariée (OPLS). Cette analyse a clairement démontré que l’acide g-aminobutyrique (GABA), largement augmenté dans la ZE des souris KA-MTLE, était le métabolite qui discriminait le mieux la ZE par rapport aux animaux sham mais aussi surtout par rapport aux régions cérébrales adjacentes.

Ces résultats ont été largement reproduits dans plusieurs expériences, avec la même méthode et par électrophorèse capillaire, et n’ont pas été infirmés par une exposition chronique à un médicament antiépileptique (carbamazépine).

Dans un second temps, nous avons développé au laboratoire une méthode de SRM in vivo ciblée sur le GABA, totalement non invasive, utilisable sur les machines d’imagerie IRM de la plateforme pré-clinique IRMaGe. Nous avons confirmé qu'une forte augmentation du GABA (100%) est spécifique de l'hippocampe injecté des souris KA-MTLE. De plus, le ratio GABA/(GLX) (glutamate+glutamine) permet de détecter la ZE avec une précision de 94%.

DISCUSSION-CONCLUSION

Notre stratégie utilisant la métabolomique non ciblée basée sur la SRM ex vivo pour sélectionner le ou les métabolites les plus discriminants, suivie par la métabolomique ciblée basée sur la SRM in vivo, est une approche non biaisée efficace pour définir précisément la ZE dans un modèle murin d'épilepsie focale.

Nous développons actuellement une méthode d’analyse SRM du GABA « multivoxel », pour permettre la cartographie du GABA in vivo dans tout le cerveau en une expérience.

Notre stratégie d’analyse sans a priori, ainsi que la méthode d’analyse du GABA in vivo, pourraient être utiles pour l’étude de modèles animaux d’autres pathologies cérébrales.

D’un point de vue de l’épilepsie, nos résultats suggèrent que le GABA est un biomarqueur spécifique de la ZE chez la souris MTLE. Son augmentation semble paradoxale par rapport à l’hypothèse de « déficience du GABA » généralement admise dans l’épilepsie, cependant elle est cohérente avec de nombreuses études sur modèle animal et sur prélèvements humains. Elle doit maintenant être validée ex vivo sur les prélèvements humains issus de patients MTLE. En parallèle, nous envisageons de tester la méthode d’analyse du GABA in vivo sur des patients MTLE lors du bilan pré-chirurgical.

Ce projet est financé par la Fondation Française pour la Recherche sur l’Epilepsie (FFRE).

 

Légende de la figure
La zone épileptogène (ZE) chez la souris kainate (KA-MTLE) est caractérisée par un EEG et une sclérose typiques (panneau de gauche). Le profil métabolique associé (mesuré ex vivo) est clairement différent du profil de la région équivalente chez la souris sham, le GABA étant le métabolite le plus discriminant (panneau central, OPLS-DA). Chez la souris KA-MTLE, le profil métabolique de la ZE se différencie des zones adjacentes par le GABA (panneau central, PCA). La spectroscopie RMN in vivo du GABA confirme que le GABA est le marqueur le plus discriminant de la ZE (panneau de droite), et pourrait être une méthode applicable en clinique chez les patients MTLE.

Référence
In vivo gamma-aminobutyric acid increase as a biomarker of the epileptogenic zone: An unbiased metabolomics approach
Sophie Hamelin, Vasile Stupar, Lucile Mazière, Jia Guo, Wafae Labriji, Chen Liu, Ludiwine Bretagnolle, Sandrine Parrot, Emmanuel L Barbier, Antoine Depaulis, Florence Fauvelle
PMID: 33258489 DOI: 10.1111/epi.16768

 


Mise à jour le 29 janvier 2021

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