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Origine du financement : Région Bretagne / IMT Atlantique

3 mots-clés : Alzheimer, Protéine Tau, Théranostique

Unité/équipe encadrante : Irset, équipe 6, DREAM / Laboratory of Subatomic Physics and Associated Technologies

Directeurs: Cyrille Garnier (40%) / Sandrine Huclier (40%)

Email : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.    /   Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Encadrant scientifique : Vincent METIVIER (20%) 

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Tél: 02232 36824
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Contexte socioéconomique et scientifique
La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative décrite pour la première fois en 1906 par Aloïs Alzheimer. De nos jours la prévalence de la MA augmente principalement dans les pays développés. D’après les prédictions, le nombre de cas devrait quadrupler d’ici 2050 faisant de la MA un enjeu de santé publique majeur pour un coût de 140 milliards d’€ par an. La MA apparait majoritairement de façon sporadique dont les causes restent mal connues. La conséquence est que deux protéines, AAP et Tau, acquièrent de nouvelles propriétés structurales conduisant à leur auto-assemblage sous forme de fibres/plaques amyloïdes. APP subit un clivage générant un peptide Aβ s’agrégeant sous forme de plaques séniles. Tau s’auto-associe et forme des structures appelées PHF (« paired helical filaments »). Ces structures colonisent le système nerveux central et sont à l’origine de son disfonctionnement. Depuis leur identification, APP et Tau sont considérées comme des cibles privilégiées pour développer des traitements contre la MA. Plus d’un siècle après la découverte de la pathologie et plus de trente ans après l’identification des protéines responsables deux problèmes persistent : i) le diagnostic de la maladie est tardif et n’est définitif que post-mortem et ii) il n’existe toujours aucun traitement efficace.

Hypothèses et questions posées
La MA se heurte donc à deux problèmes majeurs que sont i) l’impossibilité de poser un diagnostic fiable et précoce qui permettrait une bonne prise en charge des patient et ii) aucun traitement n’a montré la moindre efficacité pour stopper voire reverser l’accumulation des agrégats protéiques au niveau cérébral. Pour pallier à ces absences, nous développons une approche « théranostique » consistant à produire, dans un même outil, des molécules utilisables i) à des fins thérapeutiques dans le traitement contre la MA et ii) en tant que sonde moléculaire pour un diagnostic précoce. Les squelettes de base de ces molécules sont des hexapeptides dont la cible est d’inhiber la formation des PHF de Tau. À partir de 42 hexapeptides proposés et après une sélection sur différents modèles in vitro et in vivo, une ou deux séquences devraient émergées en tant que peptides « leaders » thérapeutiques. Dans un but de diagnostic, les hexapeptides leaders seront alors couplés à des radiométaux théranostiques innovants pour un suivi par imagerie moléculaire TEP (Tomographie par émission de positron), permettant ainsi un diagnostic précoce, une amélioration du pronostique et la mise en place ultérieure d’une thérapie adaptée à chaque patient.

Grandes étapes de la thèse
Le projet de thèse s’articule autour de deux grandes étapes. Une première étape conduira à la sélection d’hexapeptides leaders et en la caractérisation de leur fonctionnement vis à vis du processus auto-associatif de la protéine Tau. Une deuxième étape consistera au couplage de ces hexapeptides leaders avec des radionucléides théranostiques émetteurs de positrons pour un suivi par imagerie moléculaire TEP sur petit animal (rat/souris MA). Les hexapeptides sont proposés par une double approche in silico-vitro combinée à une approche décisionnelle. Ces peptides seront présélectionnés en fonction leur caractéristiques biochimiques et leur innocuité en tant que futur médicament. Une fois présélectionnés, ils seront testés seuls ou en tandem sur des modèles d'assemblage in vitro, deux nouveaux modèles sont à mettre au point. Leurs capacités d'inhibitrices, les paramètres d'interaction, et les structures induites seront étudiées. Les candidats seront alors testés sur modèles cellulaire de neuroblastomes et sur poisson zèbre MA. Dans un but de diagnostic, et en collaboration avec Arronax Nantes, les hexapeptides thérapeutiques candidats seront couplés à des radionucléides théranostiques (64Cu, 43/44Sc) pour un suivi par imagerie TEP. Ce type d’imagerie est particulièrement bien adapté et a fait ses preuves quant à l’exploration des fonctions cérébrales et des processus neurodégénératifs. Son utilisation dans le cadre de la MA permettra un diagnostic précoce, une amélioration du pronostique et la mise en place d’une thérapie adaptée à chaque patient. Chaque modification effectuée sur les peptides nécessitera une réévaluation in vitro/vivo de leurs capacités inhibitrices sur les PHF de Tau.

Compétences scientifiques et techniques requises par le candidat
L’étudiant(e) en thèse devra avoir des notions solides de biochimie/biologie moléculaire et/ou biologie cellulaire. Il/elle s'intéressera aux aspects moléculaires, structuraux et médicaux du projet. Le(la) candidat(e) aura obtenu un Master (ou l’équivalent) au cours duquel il/elle aura effectué un stage de recherche en biochimie, et devra avoir des connaissances en chimie analytique. Une connaissance de la radiochimie serait appréciée. Veuillez joindre à votre candidature, votre CV, votre relevé de notes officiel de Master (1 et 2) et une courte lettre de motivation. Un bon niveau d’anglais est requis.

3 publications relatives au domaine (5 dernières années)
- C. Garnier, F. Briki, B. Nedelec, P. Le Pogamp, A. Dogan, …. Martin, M. Delpech, F. Bridoux, G. Grateau, J. Doucet, P. Derreumaux, and S. Valleix. VLITL is a major cross-ß-sheet signal for fibrinogen Aa-chain frameshift variants. (2017), Blood, 130(25): 2799-2807; - C. Garnier, F. Devred, D. Byrne, R. Puppo, A. Yu. Roman, S. Malesinski, A. V. Golovin, R. Lebrun, N. N. Ninkina, and P. O. Tsvetkov. Zinc binding to RNA recognition motif of TDP-43 induces the formation of amyloid-like aggregates. (2017) Scientific reports, 7(1): 6812; - C. Schirmer, E. Lepvrier, L. Duchesne, O. Decaux, D. Thomas, C. Delamarche, and C. Garnier. Hsp90 directly interacts, in vitro, with amyloid structures and modulates their assembly and disassembly (2016) Biochim. Biophys. Acta General Subjects 1860: 2598-2609; - C. Garnier: Inhibitory Peptides for the Diagnostic and/or Treatment of Tauopathies. 2021, European patent office, EP21211241

Collaborations nationales and internationales
Nationales 1- Dr. Christel Marquette member of the 1292 BIOsanté research unit, DS / IRIG / DRF Commission for Atomic Energy and Renewable Energies of Grenoble and 2- Dr. Johnny Vercouillie (MCU) Inserm U1253, Ibrain team. Internationales 3- Dr. Renata Mikolajczac (Associate Professor) National Center for Nuclear Research, Radioisotope Center POLATOM, Poland 4- Dr. Dana Niculae, Horia Hulubei National Institute for Physics and Nuclear Engineering , Radiopharmaceutical Research Center, Romania 5- Dr. Petr Hermann (Professor) Department of Inorganic Chemistry, Charles University (Universita Karlova), Czech Republic. 6- Tomasz Dziel, Centrum Wysokich Technologii w Świerku Hitec Świerk Sp. Z o.o, Poland.
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Funding origin : Région Bretagne / IMT Atlantique

3 keywords : Alzheimer, Protéine Tau, Théranostique

Unit/team : Irset, équipe 6, DREAM / Laboratory of Subatomic Physics and Associated Technologies

Supervisor's names: Cyrille Garnier (40%) / Sandrine Huclier (40%)

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Co-supervisor : Vincent METIVIER (20%) 

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Phone number: 02232 36824

Socio-economic and scientific context
Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease that was first described in 1906 by Aloïs Alzheimer. Today the prevalence of Alzheimer's disease is increasing mainly in developed countries. According to predictions, the number of cases is expected to quadruple by 2050, making AD a major public health issue at a cost of € 140 billion per year. Most AD appears sporadically, the causes remain poorly understood. The consequence is that two proteins, AAP and Tau, acquire new structural properties leading to their self-assembly in the form of amyloid fibers / plaques. APP undergoes cleavage generating an Aβ peptide aggregating as senile plaques. Tau self-associates and forms structures called PHF for "paired helical filaments". These structures colonize the central nervous system and are the cause of its dysfunction. Since their identification, APP and Tau have been considered as major targets for developing treatments against AD. More than a century after the discovery of the pathology and more than thirty years after the identification of the responsible proteins two problems persist: i) the diagnosis of the disease is late and is not definitive until post-mortem and ii) it is not there is still no effective treatment.

Working hypothesis and aims
AD therefore comes up against two major problems: i) the impossibility of making a reliable and early diagnosis allowing good patient management and ii) no treatment has shown at least effectiveness in stopping or even reversing the accumulation of protein aggregates in the brain. To overcome these shortcomings, we are developing a “theranostic” approach consisting in producing, in the same tool, molecules which can be used i) for therapeutic purposes in the treatment against AD and ii) as a molecular probe for early diagnosis. The basic skeleton of these molecules are hexapeptides whose target is to inhibit the formation of Tau PHFs. From 42 proposed hexapeptides and after selection on different in vitro and in vivo models, one or two sequences should emerge as therapeutic "leader" peptides. For diagnostic purposes, these leader hexapeptides will then be coupled to innovative theranostics radiometals for monitoring the disease by PET molecular imaging (positron emission tomography), and thus allowing early diagnosis, improved prognosis and implementation of therapy adapted to each patient.

Main milestones of the thesis
The PhD project is structured around two main steps. A first step will lead to the selection of leader hexapeptides and to the characterization of their effect on Tau protein self-associative process. A second step will consist in the coupling of these leader hexapeptides with positron emitter radionuclides for PET molecular imaging on small animals (rat/mouse MA). Hexapeptides are chosen by a dual in silico-vitro approach combined with a decision-making approach. These peptides will be preselected based on their biochemical characteristics and their safety as a future drug. Once preselected, they will be tested alone or in tandem on in vitro assembly models, two new models are to be developed. Peptides inhibitory capacities, interaction parameters, and induced structures will be studied. The candidates will then be tested on cell models of neuroblastomas and on zebrafish. For diagnostic purposes, and in collaboration with the Nantes team, candidate therapeutic hexapeptides will be coupled to innovative true theranostics PET radionuclides (64Cu, 43/44Sc). This type of imaging is particularly well suited and has proven its effectiveness in the exploration of brain functions and neurodegenerative diseases. Its use in AD will allow early diagnosis, improved prognosis and the implementation of therapy adapted to each patient. Each modification made on peptides will require will require an in vitro/vivo reassessment of their inhibitory effect on Tau PHF.

Scientific and technical skills required by the candidate
The PhD student should have a solid understanding of biochemistry / molecular biology and / or cell biology. He will be interested in the molecular, structural and medical aspects of the project. The candidate will have obtained a Master's degree (or equivalent) during which he/she will have completed a research internship in biochemistry, and must have knowledge in analytical chemistry. Knowledge of radiochemistry would be appreciated. Please attach your application, your CV, official Master's transcript and a short cover letter. A good level of English is required.

3 publications from the team related to the topic (last 5 years)
- C. Garnier, F. Briki, B. Nedelec, P. Le Pogamp, A. Dogan, ..., L. Martin, M. Delpech, F. Bridoux, G. Grateau, J. Doucet, P. Derreumaux, and S. Valleix. VLITL is a major cross-ß-sheet signal for fibrinogen Aa-chain frameshift variants. (2017), Blood, 130(25): 2799-2807
- C. Garnier, F. Devred, D. Byrne, R. Puppo, A. Yu. Roman, S. Malesinski, A. V. Golovin, R. Lebrun, N. N. Ninkina, and P. O. Tsvetkov. Zinc binding to RNA recognition motif of TDP-43 induces the formation of amyloid-like aggregates. (2017) Scientific reports, 7(1): 6812
- C. Schirmer, E. Lepvrier, L. Duchesne, O. Decaux, D. Thomas, C. Delamarche, and C. Garnier. Hsp90 directly interacts, in vitro, with amyloid structures and modulates their assembly and disassembly (2016) Biochim. Biophys. Acta General Subjects 1860: 2598-2609
- C. Garnier: Inhibitory Peptides for the Diagnostic and/or Treatment of Tauopathies. 2021, European patent office, EP21211241

National and international collaborations
National: 1 Dr. Christel Marquette member of the 1292 BIOsanté research unit, DS / IRIG / DRF Commission for Atomic Energy and Renewable Energies of Grenoble and 2- Dr. Johnny Vercouillie (MCU) Inserm U1253, Ibrain team. International 3- Dr. Renata Mikolajczac (Associate Professor) National Center for Nuclear Research, Radioisotope Center POLATOM, Poland 4- Dr. Dana Niculae, Horia Hulubei National Institute for Physics and Nuclear Engineering , Radiopharmaceutical Research Center, Romania 5- Dr. Petr Hermann (Professor) Department of Inorganic Chemistry, Charles University (Universita Karlova), Czech Republic. 6- Tomasz Dziel, Centrum Wysokich Technologii w Świerku Hitec Świerk Sp. Z o.o, Poland.