Modèles animaux et Imagerie - E2Phy - IN2P3

Groupe Interfaces Physique Biologie. Université Paris XI, Orsay. mél : pain@ipno
.in2p3.fr. Au cours des quinze dernières années de nombreux modèles animaux
.... sacrifice de l'animal, puis l'examen au microscope ou par imagerie planaire
..... the cell adhesion molecule L1 and 440-kD AnkyrinB in premyelinated axons.

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Modèles animaux et Imagerie Frédéric PAIN
Institut de Physique Nucléaire d'Orsay
Groupe Interfaces Physique Biologie
Université Paris XI, Orsay
mél : pain@ipno.in2p3.fr
Au cours des quinze dernières années de nombreux modèles animaux mimant les
pathologies humaines ont été mis au point, grâce auxquels de nouvelles
approches fondamentales et thérapeutiques de ces maladies ont été
développées. Bien que, par soucis d'éthique, d'importants efforts soient
faits pour remplacer les études animales par des cultures cellulaires ou
encore par des modèles informatiques, rongeurs et primates restent des
acteurs incontournables de la mise au point de nouveaux traitements. En
particulier, la présence chez la souris de gènes équivalents à ceux de
l'homme et la possibilité de manipuler simplement le génome de la souris
ont conduit à une multiplication du nombre de modèles murins. La
caractérisation et la réalisation d'études in vivo sur ces modèles
requièrent la mise en ?uvre de techniques adaptées. Développées
initialement pour des études cliniques, ces techniques ont été adaptées au
cours de la décennie passée aux études sur modèles animaux. Après avoir
présenté la notion de modèle animal et le cadre tant scientifique
qu'éthique de leur utilisation en recherche biomédicale, nous présenterons
les contraintes propres à l'étude de ces modèles par les différentes
modalités d'imagerie, puis nous examinerons les développements
instrumentaux en cours en nous appuyant sur les premiers résultats
biologiques obtenus.
I - Modèles animaux en recherche biomédicale Qu'est ce qu'un « bon »modèle ? Dans la démarche scientifique biomédicale, le modèle expérimental
intervient à différents niveaux d'expérimentation, du microscopique,
(molécules, organites, cellules) au macroscopique (organe, organisme dans
son ensemble, voire population d'organismes). Il s 'agit d'obtenir une
représentation simplifiée d'un système biologique qu'il n'est pas possible
d'étudier directement pour des raisons éthiques, techniques ou économiques.
En pathologie, le modèle animal joue un rôle clé puisqu 'il va permettre à
partir d'une « reproduction » d'une pathologie humaine de tester des
hypothèses sur les causes, les mécanismes et la thérapie de ces maladies.
Cependant pour garder une démarche rigoureuse, le modèle doit être validé
précautionneusement et doit répondre à un certain nombre de critères. En
premier lieu, il doit satisfaire au critère d'isomorphisme, c 'est-à-dire
que les symptômes observés chez l'animal doivent être semblables à ceux
observés chez l'humain. Le modèle doit également présenter des mécanismes
et des causes identiques à eux observés chez l'homme, dans la mesure ou
ceux-ci sont connus. Enfin, le modèle doit répondre de la même manière que
l'homme aux différents traitements, aussi bien positivement que
négativement. Par exemple, l'administration de L-dopa doit réduire les
symptômes Parkinsoniens chez un modèle animal qui a pour finalité de mimer
cette pathologie. La limite de l'analogie dépend alors de la posologie qui
doit être adaptée à l'animal en tenant compte des différences
physiologiques (masse, débit sanguin) avec l'homme. Evidemment il n'existe
pas de modèle parfait et il faut se garder d'extrapoler trop directement à
l'homme des résultats obtenus chez le rongeur En tout état de cause,
l'étude des modèles aboutit à mieux connaître les mécanismes et les causes
d'une pathologie et conduit donc souvent à affiner le modèle initial [1].
Obtention d'un modèle animal On peut distinguer deux catégories de modèles animaux : les modèles
« spontanés » et les modèles « construits » [2]. Il existe par exemple des
lignées de poulets ou de rats qui présentent spontanément des états
épileptiques très semblables aux crises observées chez l'homme. Ces crises
épileptiques sont déclenchées simplement par un stimulus visuel ou auditif.
Cette lignée de poulets « épileptiques » constitue un très bon outil
d'étude puisqu'elle reproduit les symptômes et les mécanismes de la crise
épileptique et ce de manière tout à fait contrôlée. Toutefois les modèles
spontanés sont rares et il est souvent nécessaire de « construire » son
modèle. On peut alors selon les cas faire appel à une méthode lésionnelle
ou à des méthodes chimiques comme l'injection localisée d'un produit
neurotoxique pour reproduire la dégénérescence neuronale progressive de la
maladie de Parkinson. Enfin, les modèles génétiques s'appuient sur des
modifications du patrimoine génétique en éliminant ou en surexprimant un ou
plusieurs gènes (on parle de souris « knock-out » ou « knock-in »). Ces
modèles génétiques ont connu un essor très important au cours des années
passées du fait des progrès techniques importants dans la manipulation du
génome et de la connaissance relativement bonne du génome de la souris qui
présente de nombreuses homologies avec le génome humain [3, 4].
Expérimentation animale et éthique
L'expérimentation animale ne peut pas faire l'économie d'une réflexion
éthique approfondie. De fait, dès 1959, deux chercheurs britanniques
(William Russel et Rex Burch) ont proposé une base éthique aux expériences
biomédicales mettant en jeu des animaux [5]. Ces règles connues sous le nom
des 3 R pour « Remplacement, Réduction et Raffinement » sont désormais
inscrites dans les textes de lois européennes [6]. Il faut :
- Remplacer l'expérimentation animale aussi souvent que possible
par la modélisation, les cultures cellulaires ou les modèles informatiques
(dans le cadre de l'enseignement de la physiologie il existe notamment un
kit virtuel de la dissection de la grenouille [7]). - Réduire le nombre des animaux mis en jeu dans la mesure du possible
(bibliographie pour éviter les expériences redondantes, mesure simultanée
d'un maximum de paramètres, minimum de statistique significative). - Raffiner les expériences en choisissant des protocoles qui minimisent le
stress et la douleur et en améliorant les conditions d'élevage. Au-delà de ces règles éthiques, on a assisté au cours des dernières
décennies à une prise de conscience morale des chercheurs parallèlement à
une montée en puissance des mouvements d'opinions pro-animaux. On ne peut
que se féliciter du développement de solutions alternatives, notamment via
la mise au point de nouvelles techniques moléculaires in vitro, qui ont
conduit à une diminution très nette du nombre d'animaux utilisés. En France
on est passé de 7 Millions en 1980 à 2,6 Millions en 1997, dont 85% sont
des rongeurs ou des lapins [6]. Cependant, pour certaines études, et
notamment pour l'évaluation pré-clinique des nouvelles thérapeutiques, il
n'est pas possible de s 'affranchir des études sur modèles animaux.
II - Imagerie des modèles animaux : contraintes, techniques
perspectives
Intérêt des techniques d'imagerie
Pour caractériser et étudier les modèles, il est indispensable de
disposer d'outils adaptés. De nombreuses techniques, allant de
l'observation du comportement à la mesure de paramètres physiologiques
précis, ont été développées par le passé. Les techniques histologiques,
impliquant le sacrifice de l'animal, puis l'examen au microscope ou par
imagerie planaire de fines coupes de tissus, restent couramment employées.
Ces techniques ex vivo présentent l'inconvénient majeur du sacrifice de
l'animal, qui implique l'utilisation de nombreux animaux dans des
procédures longues et coûteuses. Afin de répondre à cette difficulté les
techniques d'imagerie in vivo se sont progressivement imposées au cours de
la décennie passée. En effet, l'imagerie tomographique permet d'obtenir sur
un même et unique animal des images 2D ou 3D et ce, sans porter atteinte à
son intégrité physique (hormis l'anesthésie et, pour certaines modalités,
l'injection d'un traceur ou d'un agent de contraste). Cet aspect non
invasif de l'imagerie autorise un suivi dans le temps d'un même animal (on
parle d'études « longitudinales ») et donc l'étude du décours temporel
d'une maladie ou d'un traitement sur un individu, et permet de
s 'affranchir des différences interindividuelles qui nécessitent
habituellement une normalisation.
Contraintes propres à l'imagerie animale L'imagerie du petit animal (rat et souris) connaît donc un
développement rapide qui est rendu possible par des avancées technologiques
importantes. En effet, l'imagerie animale présente des contraintes
spécifiques qui autorisent rarement la transposition immédiate des
techniques d'imagerie clinique. La contrainte la plus évidente est liée aux dimensions réduites des
structures étudiées. A titre d'exemple, la différence d'échelle entre les
structures cérébrales de l'homme (quelques cm) et du rat (quelques 100µm
voire quelques 10µm) impose une amélioration drastique de la résolution
spatiale. L'obtention d'informations anatomiques chez le rongeur impose
d'atteindre des résolutions spatiales de quelques centaines de µm à
quelques dizaines de µm et la mesure de paramètres fonctionnels est
possible pour des résolutions spatiales de l'ordre du mm. Ce gain en
résolution s'accompagne d'une diminution dramatique de la « quantité
d'information » mesurable. En effet, si l'on gagne un facteur 10 en
résolution spatiale sur les 3 dimensions, on aura un volume analysé
élémentaire (ou « voxel ») qui sera 1000 fois plus petit et donc, à
concentration égale, un nombre de