Mathieu Bourdenx, Benjamin Dehay dans Autophagy

Le 1 février 2016

Nanoparticles restore lysosomal acidification defects: Implication for Parkinson and other lysosomal-related diseases. Bourdenx M, Daniel J, Genin E, Soria FN, Blanchard-Desce M, Bezard E, Dehay B. Autophagy. 2016 Jan 13.

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Benjamin Dehay: « In recent years, evidence has emerged that lysosomal dysfunction inside neurons might contribute to Parkinson’s disease. Lysosomes are organelles that are responsible for breaking down and digesting unwanted molecules and microorganisms from the cytoplasm. Genes encoding lysosomal enzymes can suffer mutations that disrupt their function, which causes an accumulation of waste in the lysosomes of nerve cells. This leads to nerve damage and death as a result of toxicity.  Strategies enhancing or restoring lysosomal-mediated degradation thus appear as tantalising disease modifying therapeutics.

In this article recently published in Autophagy, the Institute of Neurodegenerative Diseases (IMN UMR 5293) and the Institute of Molecular Sciences (ISM UMR 5255) demonstrate that poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) acidic nanoparticles (aNP) restore impaired lysosomal function in a series of toxin and genetic cellular models of Parkinson’s disease, as well as in a genetic model of lysosomal-related myopathy. Such ground-breaking demonstration was made possible only thanks to the close collaboration between chemists (team of M. Blanchard-Desce) and neurobiologists (project led by B. Dehay at IMN). We show that PLGA-aNP are transported to the lysosome within 24 h, lower lysosomal pH and rescue chloroquine-induced toxicity. Re-acidification of defective lysosomes following PLGAaNP treatment restores lysosomal function in different pathological contexts. Finally, our results show that PLGA-aNP may be detected after intracerebral injection in neurons and attenuate PD-related neurodegeneration in vivo by mechanisms involving a rescue of compromised lysosomes.

Finally, the novelty of the article does not reside per se on the neuroprotective effects obtained by aNP in vitro and in vivo in different diseases, which was the expected outcome and working hypothesis of our study. Instead, the novelty of our work is three-fold. First, from a technical point of view, we developed one of the few, if any, available biotechnological tools with therapeutic potential able to specifically restore lysosomal acidification impairment. Second, from a conceptual point of view, we demonstrate, thanks to our newly developed approach, the feasibility and therapeutic potential of biotechnologically targeting lysosome in vivo, which demonstration was precluded so far by the lack of specific molecular tools. Third, and more importantly, our new biotechnological tool allowed us to restore normal lysosomal function after lysosomal proton-pump inhibition, ROS-mediated lysosomal membrane permeabilization, in two genetic models of lysosomal dysfunction associated with PD and in one genetic model of lysosomal-related myopathy without cellular machinery intervention.

French

Depuis ces dernières années, de nombreuses preuves suggèrent que le dysfonctionnement des lysosomes à l’intérieur des neurones peut contribuer à la maladie de Parkinson. Les lysosomes sont des organites qui sont responsables de la dégradation de molécules et de micro-organismes indésirables dans le cytoplasme. Lorsque leur fonction est perturbée, par exemple en raison de mutations dans des gènes codant pour des enzymes nécessaires à leur fonction, les déchets s’accumulent dans les cellules nerveuses, ce qui entraîne des lésions nerveuses et la mort de la cellule, à la suite de cette dysfonction.

Des stratégies qui visent à augmenter ou restaurer les fonctions du système lysosome semblent donc des thérapies prometteuses. Dans l’article que nous venons de publier récemment dans Autophagy, l’Institut des Maladies Neurodégénératives (IMN) et l’Institut des Sciences Moléculaires (ISM) démontrent que l’utilisation de nanoparticules acidifiantes composées de poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) restaure la dysfonction lysosomale prévalente dans des modèles cellulaires génétiques et neurotoxiques de la maladie de Parkinson, et également dans un modèle génétique de myopathie liée à l’X. Cette approche innovante a été possible par la collaboration entre des chimistes (l’équipe de Mireille Blanchard-Desce de l’ISM) et des neurobiologistes (projet dirigé par Benjamin Dehay de l’IMN). Nous avons montré que les nanoparticules sont importées efficacement dans la cellule et dirigées vers le lysosome.
A la suite de cet adressage aux lysosomes, les nanoparticules sont capables de corriger le pH anormalement élevé des lysosomes induits par différentes mutations impliquées dans la maladie de Parkinson, par l’utilisation de neurotoxines ou d’agent lysomotropique tel que la chloroquine. Enfin, nos résultats montrent que les nanoparticules PLGA-aNP peuvent être détectées après injection intracérébrale dans les neurones et que ces nanoparticules acidifiantes sont capables de protéger les neurones dopaminergiques dans un modèle toxique de la maladie de Parkinson (modèle murin MPTP), et ce par un mécanisme impliquant une protection de l’intégrité des lysosomes.

En conclusion, ce travail démontre, pour la première fois et dans trois contextes pathologiques distincts, que la seule restauration de la physiologie du lysosome, en utilisant une stratégie ciblée vers le lysosome et sans intervention de la machinerie cellulaire, pourrait être d’intérêt thérapeutique pour les pathologies associées à des dysfonctions lysosomales, telles que la maladie de Parkinson.

Légende photo de couverture: Human dopaminergic cells were transfected with a LAMP1-GFP construct prior to incubation with acidic nanoparticles containing a red fluorescent dye.  Cellular uptake of nanoparticles was observed 15 min after exposure, and ultimately localised within lysosomes at 24 hours. Acidic nanoparticles appear as discrete puncta surrounded by LAMP1-GFP signal as observed with a deconvolution of confocal microscopy image and three-dimensional reconstruction. 

Benjamin Dehay /CR INSERM/ Research team: Pathophysiology of parkinson’s syndrome / IMN
Dernière mise à jour le 01.02.2016

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1er auteur

Mathieu Bourdenx
PhD , soutenance de thèse le 11 dec 2015.
Aujourd’hui a obtenu une bourse post-doctorale de l’Association France Parkinson d’ 1 an dans l’équipe d’Erwan Bézard: Physiopathologie des syndromes parkinsoniens