Ce projet de thèse en codirection serait sous la direction de : M. Luc PELLERIN (UP) et Mme Anne-Karine BOUZIER-SORE (U. Bordeaux)

Unité de recherche : IRMETIST (UP) / U. Bordeaux

École doctorale : Rosalind Franklin – Énergie, Environnement, Bio santé

Intitulé du sujet :

Nouvelle approche thérapeutique de la maladie d’Alzheimer par modulation du métabolisme énergétique cérébral

New therapeutic approach for Alzheimer’s disease by targeting brain energy metabolism

Début de thèse : à partir du 01/10/2025

Mots clés : Métabolisme cérébral, neuroprotection, maladie d’Alzheimer, lactate, FGF21

Résumé:

Le cerveau ne représente que 2% de la masse totale du corps humain mais consomme 25% du glucose circulant. Il est l’organe le plus énergivore du corps. L’inconvénient est que toute pathologie entraînant une réduction du métabolisme cérébral du glucose peut conduire rapidement à une mort neuronale, à des pertes cognitives ou des lésions cérébrales graves. Au cours des 20 dernières années, nous avons montré qu’une partie importante de ce glucose n’était pas directement consommée par les neurones, mais captée par les astrocytes, transformée en lactate puis transférée aux neurones. Cette navette lactate entre astrocytes et neurones est nécessaire à l’activité neuronale. Si le lactate est un substrat nécessaire pour les neurones, peut-il être neuroprotecteur lorsque le
cerveau manque de glucose ?

Un de nos objectifs est de démontrer que le lactate peut restaurer le métabolisme énergétique cérébral et les fonctions cognitives après un accident ischémique mais également dans la maladie d’Alzheimer, pathologies ayant en commun une atteinte du métabolisme cérébral du glucose. La maladie d’Alzheimer est caractérisée par une diminution forte de la consommation cérébrale de glucose, même en phase pré-symptomatique. L’administration de lactate sera testée dans des modèles de rongeurs de cette pathologie. Un suivi longitudinal par IRM et par des tests de comportement sera réalisé. Cette analyse in vivo sera couplée à des études in vitro sur des cultures d’astrocytes et des co-cultures neurones/astrocytes pour décrypter les mécanismes cellulaires de neuroprotection mis en jeu.

Nous souhaitons aussi développer une approche thérapeutique basée sur nos travaux autour du métabolisme cérébral et du lactate, et des résultats récents autour du FGF21. Cette hormone, produite par le foie en réponse à des stress métaboliques, a été décrite comme ayant un impact sur le métabolisme cérébral. Elle favorise en particulier l’utilisation de substrats alternatifs au glucose (comme le lactate peut l’être), pour soutenir l’activité cérébrale en cas de jeûne. De plus, ses effets anti-inflammatoires et antioxydants pourraient offrir une protection supplémentaire (par rapport au lactate) contre les dommages neuronaux liés au stress oxydatif présents dans la maladie d’Alzheimer. Une propriété intéressante du FGF21 est qu’il pourrait aussi stimuler la plasticité neuronale et améliorer la cognition via la production de BDNF, tout en régulant l’humeur et l’appétit, notamment en réduisant l’attirance pour le sucre et l’alcool. Il a récemment été montré que le FGF21 augmentait l’expression de des gènes en lien avec la production et l’utilisation du lactate endogène, qui serait lui-même neuroprotecteur. Cela fait donc du FGF21 (dont l’hormone de synthèse existe et est injectable chez l’homme) une molécule thérapeutique prometteuse pour des pathologies cérébrales dans lesquelles le métabolisme énergétique est atteint, comme cela a été démontré dans la maladie d’Alzheimer.

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The brain accounts for just 2% of the human body’s total mass, but consumes 25% of circulating glucose. It is the most energy-intensive organ in the body. The downside is that any pathology resulting in reduced cerebral glucose metabolism can rapidly lead to neuronal death, cognitive loss or severe brain damage. Over the past 20 years, we have shown that a significant proportion of this glucose is not directly consumed by neurons, but is taken up by astrocytes, transformed into lactate and then transferred to neurons. This lactate shuttle between astrocytes and neurons is necessary for neuronal activity. If lactate is a necessary substrate for neurons, can it be neuroprotective when the brain lacks glucose ?

One of our aims is to demonstrate that lactate can restore cerebral energy metabolism and cognitive function after ischemic stroke, but also in Alzheimer’s disease, pathologies which share a common impairment of cerebral glucose metabolism. Alzheimer’s disease is characterized by a sharp drop in cerebral glucose consumption, even in the pre-symptomatic phase. Lactate administration will be tested in rodent models of this pathology. Longitudinal follow-up using MRI and behavioral tests will be carried out. This in vivo analysis will be coupled with in vitro studies on astrocyte cultures and neuron/astrocyte co-cultures to decipher the neuroprotective cellular mechanisms involved. We also wish to develop a therapeutic approach based on our work on brain metabolism and lactate, and recent results on FGF21. This hormone, produced by the liver in response to metabolic stress, has been described ashaving an impact on brain metabolism. In particular, it promotes the use of alternative substrates to glucose (as lactate can be), to support brain activity during fasting. What’s more, its anti-inflammatory and antioxidant effects could offer additional protection (compared to lactate) against the oxidative stress-related neuronal damage present in Alzheimer’s disease. An interesting property of FGF21 is that it may also stimulate neuronal plasticity and improve cognition via the production of BDNF, while regulating mood and appetite, notably by reducing the attraction for sugar and alcohol. FGF21 has recently been shown to increase the expression of genes linked to the production and utilization of endogenous lactate, which is itself thought to be neuroprotective. This makes FGF21 (whose synthetic hormone exists and is injectable in humans) a promising therapeutic molecule for brain pathologies in which energy metabolism is impaired, as demonstrated in Alzheimer’s disease.

 

Contexte et problématique :

Des troubles métaboliques sont détectés dans de nombreuses maladies cérébrales. L’étude du métabolisme énergétique cérébral et des interactions métaboliques entre astrocytes et neurones (e.g. Astrocyte-Neuron Lactate Shuttle ou ANLS) est cruciale pour élucider les mécanismes d’approvisionnement en énergie dictés par l’activité neuronale. Le transfert de lactate des astrocytes vers les neurones est essentiel pour permettre l’activation cérébrale, visualisée par l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). La perte de ce signal par blocage de l’ANLS a été corrélée à la perte de la fonction cérébrale, mesurée à l’aide d’une tâche comportementale. Dans la plupart des maladies neurodégénératives, des altérations du métabolisme énergétique cérébral ont été signalées. C’est le cas de la maladie d’Alzheimer, pour laquelle un hypométabolisme a été détecté dans des régions cérébrales spécifiques par la TEP-FDG chez l’homme et dans des modèles animaux. De telles réductions de la consommation de glucose ont été observées chez des individus asymptomatiques appartenant à un groupe à risque de la maladie d’Alzheimer précoce, des années avant l’apparition de la pathologie. Ces données suggèrent que les déficits neuroénergétiques précèdent la neurodégénérescence et pourraient être un facteur causal et/ou aggravant. Il a été démontré qu’un facteur de risque important pour le développement de la MA est le diabète. Ceci suggère que des traitements pour prévenir le développement des déficiences cognitives associées à la MA pourraient cibler les déficits métaboliques qui se produisent très tôt chez les individus à risque.

Le facteur de croissance des fibroblastes 21 (FGF21) est une hormone principalement produite et sécrétée par le foie. Il a des effets pléiotropes sur le métabolisme énergétique périphérique comme la régulation du métabolisme du glucose et des lipides. Il est considéré comme un traitement possible de l’obésité et du diabète. Il a été démontré que le FGF21 circulant pénètre dans le cerveau. Le FGF21 agit dans le cerveau en modulant les réponses centrales et périphériques. Le FGF21 améliore la neuroénergétique, en agissant sur les composants de l’ANLS, dans un modèle de déclin cognitif associé au diabète. Cependant, son potentiel en tant que traitement des maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer n’a pas été soigneusement évalué si l’on tient compte de son impact potentiel sur le métabolisme énergétique. Comme les agents testés jusqu’à présent pour traiter la maladie d’Alzheimer ont échoué ou ont montré des effets bénéfiques marginaux ou à court terme, il est nécessaire d’explorer de nouvelles voies. Une stratégie plus efficace consisterait à trouver des traitements pouvant être administrés dès les premiers stades de la maladie. Cibler les déficits du métabolisme énergétique avec le FGF21 représente une perspective qui mérite d’être testée sur des modèles précliniques avant d’envisager une application clinique.

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Metabolic impairments are detected during the early phases of numerous brain diseases. Studying brain energy metabolism and metabolic interactions between astrocytes and neurons (e.g. Astrocyte-Neuron Lactate Shuttle or ANLS) is of utmost importance to elucidate the mechanisms of energy supply dictated by neuronal activity. The transfer of lactate from astrocytes to neurons is essential to allow brain activation, visualized by functional magnetic resonance imaging (fMRI). The loss of this fMRI signal by blocking the ANLS was correlated to the loss of cerebral function, measured using a behavioral task.

In most neurodegenerative diseases, alterations in brain energy metabolism have been reported. This is the case in Alzheimer’s disease (AD) for which hypometabolism has been detected in specific brain regions using FDG-PET in humans and animal models. Such reductions in glucose consumption evidenced by FDG-PET have been observed in asymptomatic individuals belonging to an at-risk group of early-onset familial AD, years before the occurrence of the pathology. These data suggest that deficits in neuroenergetics precede neurodegeneration and might be a causative and/or aggravating factor. It has been also demonstrated that an important risk factor to develop AD is diabetes mellitus, suggesting that it could be considered as a type of metabolic syndrome. Such a concept suggest that possible treatments to prevent the development of cognitive impairments associated with AD might be to target the metabolic deficits that occur very early on in at-risk individuals.

Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is an hormone predominantly produced and secreted by the liver. It exhibits pleiotropic effects on peripheral energy metabolism, e.g. on the regulation of glucose and lipid metabolism. It is considered as a possible treatment for obesity and diabetes. Circulating FGF21 was shown to enter into the brain. FGF21 acts within the central nervous system and modulate central and peripheral responses. FGF21 improves neuroenergetics, acting on components of the ANLS, in a model of diabetes-associated cognitive decline. However, its potential as a treatment for neurodegenerative diseases such as AD, especially when considering its putative impact on energy metabolism, has not been carefully evaluated. Considering that all agents tested so far to treat AD based on their capacity to reduce amyloid plaques have failed or shown marginal/short term beneficial effects, there is a need to explore new avenues. Finding treatments that can be administered in the early stages of the disease to address the initial events could be a more efficient strategy. Targeting energy metabolism deficits with hormones like FGF21 might represent a promising perspective that deserves to be tested on pre-clinical models before considering a potential clinical application.

 

Description du sujet :

Etude des effets neuroprotecteurs du FGF21 administré par voie sous-cutanée chez la souris APPswe/PSEN1 (partie 1). Le doctorant étudiera in vivo l’impact des injections intrapéritonéales de la protéine humaine recombinante FGF21 dans un modèle murin de la maladie d’Alzheimer. Il/elle effectuera des études comportementales pour mettre en évidence les effets du FGF21 sur l’apprentissage spatial et la mémoire dépendant de l’hippocampe. En outre, il/elle effectuera des analyses immunologiques/histologiques sur des sections de cerveau afin de déterminer les effets sur la mort cellulaire, les altérations synaptiques et sur l’expression de diverses protéines cibles, notamment impliquées dans les échanges métaboliques en relation avec la navette lactate astrocyte-neurone.
Objectif 1 : Déterminer si l’effet neuroprotecteur du FGF21 peut être obtenu par administration périphérique (et non centrale), mettant ainsi en évidence son potentiel de transfert à la clinique.

Étude de l’impact mécanistique du FGF21 sur les cultures de cellules cérébrales traitées à la bêta-amyloïde (partie 2). Le doctorant étudiera in vitro l’hypothèse selon laquelle les effets bénéfiques du FGF21 sur les performances d’un modèle murin de la maladie d’Alzheimer (modèle murin APPswe/PSEN1) et sur les marqueurs de la maladie pourraient être dus à une modulation des interactions métaboliques astrocytes-neurones. Plus spécifiquement, il/elle évaluera les effets du FGF21 sur le métabolisme énergétique astrocytaire et sur différents paramètres liés à la navette lactate astrocyte-neurone, y compris l’expression de protéines clés impliquées dans ce processus. Ces expériences seront réalisées in vitro sur des cultures primaires d’astrocytes et de neurones. Les astrocytes seront exposés à des peptides bêta-amyloïdes et les neurones à un milieu conditionné par les astrocytes. Différents paramètres métaboliques seront évalués (glycolyse, métabolisme oxydatif, utilisation du glucose, production de ROS, etc.) ainsi que la survie cellulaire et l’expression de protéines clés. Objectif 2 : Comprendre les effets du FGF21 et mettre en évidence son impact sur les composants de la navette lactate, la modulation du métabolisme astrocytaire et la préservation des caractéristiques saines des neurones.

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Investigation of the neuroprotective effects of FGF21 administered subcutaneously in the APPswe/PSEN1 mouse (part 1). The PhD student will investigate in vivo the impact of intraperitoneal injections of recombinant human FGF21 protein in a mouse model of Alzheimer’s disease. He/she will perform behavioral investigations to monitor the effects of FGF21 on hippocampal-dependent spatial learning and memory. In addition, he/she will carry out immunological/histological analyses on brain sections to determine the effects on cell death, synaptic alterations and on the expression of various target proteins, notably involved in metabolic exchanges in relation with the astrocyte-neuron lactate shuttle. Objective 1: To determine if the neuroprotective effect of FGF21 can be achieved through peripheral administration (and not central), thereby highlighting its potential for clinical translation.

Investigation of the mechanistic impact of FGF21 studied on beta-amyloid-treated brain cell cultures (part 2). The PhD student will investigate in vitro the hypothesis that the beneficial effects of FGF21 on performance of a mouse model of Alzheimer’s disease (APPswe/PSEN1 mouse model) and markers of the disease might be due to a modulation of astrocyte-neuron metabolic interactions. More specifically, he/she will assess the effects of FGF21 on astrocytic energy metabolism and on various parameters related to the astrocyte-neuron lactate shuttle, including the expression of key proteins involved in this process. These experiments will be performed in vitro on primary cultures of astrocytes and neurons. Astrocytes will be exposed to beta-amyloid peptides and neurons to astrocyte- conditioned medium. Various metabolic parameters will be evaluated (glycolysis, oxidative metabolism, glucose utilization, ROS production, etc) as well as cell survival and expression of key proteins Objective 2: To understand the effects of FGF21 and highlight its impact on the components of the lactate shuttle, the modulation of astrocytic metabolism, and the preservation of neuronal healthy characteristics.

 

Méthodologie et mise en œuvre :

La protéine humaine recombinante FGF21 sera injectée par voie intrapéritonéale une fois par jour pendant 4 semaines à une concentration de 2mg/kg à des souris APPswe/PSEN1. Le traitement débutera à l’âge de 5 mois et l’évaluation à l’âge de 6 mois. Les investigations comportementales seront effectuées comme suit. Brièvement, un test en champ libre sera effectué pour évaluer les capacités motrices et l’anxiété des souris. Une tâche de reconnaissance d’objets nouveaux sera effectuée pour déterminer la mémoire non spatiale dépendante de l’hippocampe à deux intervalles distincts (90 minutes et 24 heures) avant la séance d’examen. Une tâche de Morris Water Maze sera réalisée pour tester l’apprentissage et la mémoire spatiale dépendant de l’hippocampe. L’entraînement se déroulera sur 6 jours consécutifs et le test de sonde sera effectué après un intervalle de repos de 7 jours. Les animaux seront euthanasiés à la fin des expériences et les cerveaux seront prélevés. Des marquages immunohistochimiques et des western blots seront réalisés pour évaluer l’impact du traitement par FGF21 sur les composants de la navette lactate astrocyte-neurone.

Des publications antérieures ont documenté la présence de récepteurs FGFR1 fonctionnels sur des cultures primaires d’astrocytes corticaux de rat ou leur réponse au FGF21. Des cultures primaires d’astrocytes corticaux de rat provenant de ratons Wistar nouveau-nés (P0-P3) ainsi que des cultures primaires de neurones et des co-cultures de neurones et d’astrocytes seront préparées comme décrit précédemment. Les cultures primaires d’astrocytes corticaux de rat seront traitées avec 5μM de A1-42 pendant 24h sans ou avec 5μM de FGF21 pendant 2h avant le traitement par A1-42, après quoi diverses analyses (voir ci-dessous) seront effectuées. Pour les recherches sur les neurones, les astrocytes et le milieu conditionné par les astrocytes (ACM) collecté seront mis en contact avec des cultures primaires de neurones corticaux de rat pendant 48h avant de procéder à d’autres analyses. Les analyses OCR et ECAR pour évaluer les capacités oxydatives et glycolytiques seront réalisées à l’aide de la technologie Seahorse®. Des tests biochimiques seront effectués pour mesurer l’utilisation du glucose, la production de ROS, la consommation/production de lactate et les niveaux de glutathion. La survie cellulaire sera évaluée à l’aide de l’iodure de propidium et de la microscopie à fluorescence. Des marquages par immunofluorescence seront effectués pour déterminer le degré d’apoptose et de déficit synaptique. L’expression de diverses protéines cibles impliquées dans le métabolisme énergétique sera établie par Western blot.

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Recombinant human FGF21 protein will be injected intraperitoneally once daily for 4 weeks at a concentration of 2mg/kg to APPswe/PSEN1 mice. Treatment will start at 5 months of age and evaluation will start at 6 months of age. Behavioral investigations will be performed as followed. Briefly, an open-field test will be performed to evaluate motor abilities and anxiety in mice. A novel object recognition task will be run to determine hippocampal- dependent, non-spatial memory using two distinct intervals (90 min and 24h) before the probe session. A Morris Water Maze task will be performed to test hippocampal-dependent, spatial learning and memory. Training will take place over 6 consecutive days and the probe test will be performed after a 7 days resting interval. Animals will be euthanized at the end of the experiments and brains will be collected. Immunohistochemical labelings and western blots will be performed to evaluate the impact of FGF21 treatment on components of the astrocyte-neuron lactate
shuttle.

Previous publications have documented the presence of functional FGFR1 receptors on primary cultures of rat cortical astrocytes or their response to FGF21. Primary cultures of rat cortical astrocytes from neonatal Wistar rat pups (P0-P3) as well as primary cultures of neurons and co-cultures of neurons and astrocytes will be prepared as described previously. Primary cultures of rat cortical astrocytes will be treated with 5μM of A1-42 for 24h without or with FGF21 5μM for 2h prior to A1-42 treatment, after which various analyses (see below) will be carried out. For investigation on neurons, astrocytes and collected astrocyte-conditioned medium (ACM) will be put in contact with primary cultures of rat cortical neurons for 48h prior to further analyses. OCR and ECAR analyses to evaluate oxidative and glycolytic capacities will be performed using the Seahorse technology®. Biochemical assays to measure glucose utilization, ROS production, lactate consumption/production and glutathione levels will be carried out. Cell survival will be evaluated with propidium iodide and fluorescence microscopy. Immunofluorescence labelings will be performed to determine the degree of apoptosis and synaptic deficit. Expression of various target proteins involved in energy metabolism will be established using Western blot.

 

Profil recherché :

Le candidat ou la candidate recherché(e) aura accompli des études dans le domaine de la biologie et un master avec spécialité en Neurosciences de préférence. Il/elle aura de solides connaissances en biologie cellulaire et moléculaire, en biochimie et en physiologie animale. Une maîtrise pratique de la culture cellulaire, de l’immunohistochimie et de la microscopie à fluorescence est fortement souhaitée. Une expérience dans le domaine du comportement animal et le suivi avec succès de la formation en expérimentation animale serait des atouts. Le ou la candidat(e) devra faire preuve de rigueur, d’un bon sens de l’organisation, d’esprit d’initiative, d’indépendance et de détermination.

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The desired candidate will have completed studies in the field of biology, preferably with a Master’s degree in Neuroscience. He/she will have a sound knowledge of cellular and molecular biology, biochemistry and animal physiology. Practical experience of cell culture, immunohistochemistry and fluorescence microscopy is highly desirable. Experience in animal behavior and successful completion of training in animal experimentation would be assets. The candidate must demonstrate rigor, good organizational skills, initiative, independence and determination.

 

Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 16/05/25 :
luc.pellerin@univ-poitiers.fr