Histologie sérielle afin d'étudier les changements de microvasculature dans la maladie d'Alzheimer

Plusieurs découvertes en médecine, biologie et chimie sont dues aux techniques d'imagerie microscopique en développement constant afin d'observer le monde trop petit pour l'oeil humain. L'imagerie ex vivo est devenue un outil de choix pour observer et caractériser les effets de différentes pathologies sur les organes biologiques affectés. Depuis la fabrication du premier microscope par Hans Janssen en 1590, les méthodes d'imagerie n'ont pas cessé de s'améliorer pour répondre à des questions plus spécifiques. Les techniques d'imagerie sous microscope se distinguent par leur haute résolution, leur capacité à nous informer sur la structure biologique et, pour certaines formes d'imagerie, sur la composition moléculaire de l'échantillon. En couplant un système d'imagerie conventionnel avec un vibratome et un stage mécanique, il nous est possible d'effectuer de l'imagerie en face sur bloc. Cette technique consiste à imager la surface d'un échantillon et, suite à l'acquisition, la retirer du champ de vue du microscope en coupant la surface de l'échantillon à une épaisseur choisie, permettant ainsi d'imager la totalité de l'échantillon et d'effectuer sa reconstruction en 3 dimensions. Cette méthode d'imagerie, appelée imagerie tomographique sérielle, est compatible avec la microscopie deux-photons et nous permet d'imager en profondeur dans les tissus en réduisant ainsi le nombre de coupes nécessaires pour l'imagerie complète de l'échantillon. En microscopie deux-photons, la longueur d'onde de la lumière utilisée est plus grande que la lumière visible. Ainsi, la longueur de pénétration de la lumière s'en voit améliorée et la résolution axiale du système d'imagerie est intrinsèquement meilleure que la fluorescence conventionnelle. Ce style d'imagerie est donc naturellement compatible avec un vibratome tout en conservant un niveau de signal à bruit élevé. En utilisant des miroirs galvanométriques, un balayage de la surface de l'échantillon est effectué afin de réaliser une image. Cette technique permet d'utiliser des sources de contraste comme des fluorophores ou un contraste intrinsèque tel que le collagène. Dans ce travail, nous avons développé un système combinant la microscopie deux-photons et un vibratome afin d'observer la densité vasculaire dans des cerveaux perfusés avec de la gélatine mélangée au fluorophore FITC. Cette technique nous permet la caractérisation et l'imagerie des capillaires ou de vaisseaux sanguins plus grands dans différentes régions du cerveau. Couplant cette méthode avec une coregistration à un atlas du cerveau de souris disponible publiquement (Allen Brain Atlas), nous pouvons segmenter automatiquement les régions d'intérêt de nos données, cartographier les changements de densité vasculaire et comparer des groupes d'échantillons. L'hypothèse posée dans ce travail est que des changements au niveau de la microvasculature sanguine s'opèrent dans différentes régions d'intérêt durant le développement de la maladie d'Alzheimer. Utilisant le microscope sériel conçu dans ce mémoire, muni d'un objectif 4x procurant une résolution de 2x2x50 um3 et un champ de vue de 1500x1500 um2, il est possible d'imager un cerveau murin complet en l'espace de 3 jours en effectuant des coupes de 200 um par le vibratome. Nous avons comparé les cerveaux murins de 3 groupes d'âge (2, 4.5 et 8 mois) de souris transgéniques APP/PS1 développant des symptômes semblables à la maladie d'Alzheimer et des souris de type sauvage comme contrôle. Pour cette recherche, nous nous sommes concentrés sur des régions du cerveau ayant des fonctions dans la consolidation et la mémoire telles que les hippocampes et le cortex médial préfrontal. Dans toutes ces régions, nous observons une baisse de la densité de vaisseaux sanguins corrélant avec le processus de vieillissement des souris. Cependant, suite à la création d'atlas de densité vasculaire locale comprenant un volume de 200x200x200 um3 et en utilisant un outil statistique paramétrique, nous observons une tendance de densité vascualaire plus grande lors de la comparaison entre les souris transgéniques et les souris contrôles dans les zones somatosensorielles et motrices du cortex ainsi que dans le bulbe olfactif. Ces données sont très intéressantes malgré qu'elles ne soient pas localisées aux endroits associés à la mémoire, car elles permettent une meilleure compréhension du développement de la maladie dans le modèle murin APP/PS1.

Abstract

Many discoveries in medicine, biology and chemistry are due to ever-developing methods for imaging the small particles in our world. As examples, ex-vivo microscopic imaging has been shown to be an excellent tool to observe and characterize the effects of pathologies on organs. Since the fabrication of the first microscope by Hans Janssen in 1590, improved imaging techniques emerged to answer more specific questions. Microscopic imaging techniques distinguish themselves by the capacity of informing us on structure, their high resolution and even, for some techniques, the molecular composition. By coupling a common imaging system with a vibratome and a mechanical stage, we can enable 3D imaging of whole biological samples by sequentially removing acquired slices to reveal the tissue beneath it. Called block-face imaging, this method allows for whole organ high-resolution 3D imaging using conventional microscopy techniques, in spite of the limited penetration depth of light in biological tissues. Two-photon microscopy is a non-linear process that has advantages in tissue imaging. Since the wavelength of the used laser is longer, light penetrates deeper into the organs to image what is beneath the surface. In two-photon microscopy, the point spread function (PSF) of the instrument is much smaller than a conventional fluorescent microscope while keeping a high signal to noise ratio making the whole system compatible with a vibratome which is needed to perform 3D imaging. Using scanning mirrors to complete a whole 2D image, one can generate a fluorescence signal from molecular probes and other tissue constituents such as collagen. The main goal of this research was to develop a high-throughput histology apparatus combining a vibratome and a two-photon fluorescence microscope to perform complete scans of FITC perfused brains. Using two-photon microscopy with FITC labelling gives the opportunity to observe and characterize the microvasculature in different regions of the brain. Coupling this imaging technique with coregistration techniques and a publicly available mouse brain atlas (Allen Brain Atlas), one can extract different cerebellar regions and create maps of vascular density within these brain areas for healthy and sick mouse groups. Our main hypothesis was that vascular density in regions of interest in the brain is affected by the Alzheimer's disease. Using a microscope with a 4x objective giving the system a resolution of 2 x 2 x 50 microns and a field of view of 1500 microns, it was possible to completely scan a brain in three days by making vibratome slices of 200 microns. Considering the viability and repeatability of the imaging process, we investigated vascular density inside the brains of 3 age groups (2, 4.5 and 8 months) of APP/PS1 transgenic mice developing Alzheimer's disease-related syndromes compared to Wild-Type model as a control. For this research, we focused on regions in the brain processing memory and consolidation such as the hippocampal complex and the medial prefrontal cortex. In these regions, we report a loss of vascular density probably caused by the ageing process. Moreover, following the creation of vascular templates for each brain considering local density in a volume of 200*200*200 um3 and using the SPM toolbox, a comparison between the transgenic mice and the WTs shows a tendency of increasing vascular density in the somatomotor and somatosensory cortical regions as well as the olfactory bulb. While not located in memory associated areas, our results give clues on the development of the Alzheimer's disease in APP/PS1 rodent model.