Dementia is an umbrella term which describes the primary characteristic of many neurodegenerative diseases (NDDs): a loss of cognitive function. For example, tauopathies, a family of diseases whereby the protein tau is dysregulated, all feature dementia as one of the main symptoms. Despite important differences in tau propagation and subsequent molecular consequences, many tauopathies are very difficult to differentiate in a clinical setting early in the disease progression. This is one of the main challenges facing clinicians today with an increasingly aging population which is more affected by dementia with each year that passes. The first half of this thesis investigates the potential for brain derived extracellular vesicles (BD-EVs), nanoparticles secreted by all the cells in the brain, to bridge the gap between what we know happens on the molecular level in these diseases and what is measurable in the clinic. By doing an in-depth proteomic analysis of BD-EVs from brain tissue of a tauopathy patient cohort, we were able to identify key features of BD-EV cargo which allow for the histopathological and molecular differences between various tauopathies to be linked with their clinical phenotypes. By looking broadly at the whole proteome of these BD-EVs, we saw patterns of systemic dysregulation reflected from the brain to the EV, highlighting major pathways implicated in disease progression in the brain.
BD-EVs hold much promise in the context of NDD diagnosis, however, there remain many challenges in isolating these particles outside of the brain. BD-EVs are able to cross biological barriers, such as the blood- brain barrier, to enter into peripheral biofluids. They can therefore provide critical information on the health status of the brain without painful or invasive testing. However, isolating only BD-EVs from peripheral fluids, which are full of EVs from all over the body, is challenging. To complicate matters further, EVs are covered in a halo of proteins called the corona. While EVs contain surface proteins indicating the cell type or tissue they come from, the protein corona masks these clues, rendering EVs from all organs almost identical from the outside. To combat this, the second half of this thesis focused on developing a novel method to enzymatically digest the corona, exposing novel tissue-specific proteins at the surface of EVs for immunocapture. This method increases the yield of labeled BD-EVs in peripheral fluids from less than 1% to 30-60%. This project sought to advance our understanding of tauopathies via BD-EVs and to improve upon the existing methodology for BD-EV capture in the periphery. There is still room for improvement, further development, and refinement of these results and concepts, but the work described here has certainly advanced the field of BD-EVs toward something which can one day be clinically relevant to improve patient care in the aging population.
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La démence est un terme générique qui décrit la caractéristique principale de nombreuses maladies neurodégénératives (MND) : une perte de fonction cognitive. Par exemple, les tauopathies, une famille de maladies où la protéine tau est dysrégulée, présentent toutes la démence comme l'un des principaux symptômes. Malgré des différences importantes dans la propagation de la tauopathie et les conséquences moléculaires ultérieures, les tauopathies sont très difficiles à différencier entre elles dans un contexte clinique au début de la maladie. C'est l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les cliniciens aujourd'hui, avec une population vieillissante qui est de plus en plus touchée par la démence chaque année. La première partie de cette thèse explore le potentiel des vésicules extracellulaires dérivées du cerveau (VE-DC), des nanoparticules sécrétées par toutes les cellules du cerveau, pour combler l'écart entre ce que nous savons se passer au niveau moléculaire dans ces maladies et ce qui est mesurable en clinique. En réalisant une analyse protéomique approfondie des VE-DC provenant de tissus cérébraux d'une cohorte de patients atteints de tauopathie, nous avons pu identifier des caractéristiques clés du contenu des VE-DC qui permettent de lier les différences histopathologiques et moléculaires entre diverses tauopathies à leurs phénotypes cliniques. En examinant largement le protéome entier de ces VE-DC, nous avons observé des schémas de dysrégulation systémique reflétés du cerveau aux VE, mettant en évidence des voies majeures impliquées dans la progression de la maladie dans le cerveau.
Les VE-DC offrent beaucoup de promesses dans le contexte du diagnostic des MND, cependant, il reste de nombreux défis dans l'isolement de ces particules en dehors du cerveau. Les VE-DC sont capables de traverser les barrières biologiques, telles que la barrière hémato-encéphalique, pour pénétrer dans les biofluides périphériques. Ils peuvent donc fournir des informations critiques sur l'état de santé du cerveau sans test douloureux ou invasif. Cependant, isoler uniquement les VE-DC des fluides périphériques, qui sont pleins de VE de tout le corps, est difficile. Pour compliquer davantage les choses, les VE sont recouverts d'un halo de protéines appelé la corona. Bien que les VE contiennent des protéines de surface indiquant le type de cellule ou le tissu dont elles proviennent, la corona protéique masque ces indices, rendant les VE de tous les organes presque identiques de l'extérieur. Pour remédier à cela, la seconde moitié de cette thèse s'est concentrée sur le développement d'une nouvelle méthode pour digérer le corona, exposant de nouvelles protéines spécifiques au tissu à la surface des VE pour l'immunocapture. Cette méthode augmente le rendement des VE-DC marqués dans les fluides périphériques de moins de 1 % à 30 à 60 %. Ce projet visait à faire progresser notre compréhension des tauopathies via les VE-DC et à améliorer la méthodologie existante pour la capture des VE-DC en périphérie. Il reste encore des améliorations à apporter, des développements supplémentaires et des affinements de ces résultats et concepts, mais le travail décrit ici a certainement fait progresser le domaine des VE-DC vers quelque chose qui pourrait un jour être cliniquement pertinent pour améliorer les soins aux patients dans la population vieillissante.