Biomarqueurs dans l'autisme

Resumé

Les troubles du spectre autistique (TSA) sont des troubles complexes et hétérogènes causés par une interaction entre la vulnérabilité génétique et des facteurs environnementaux. Dans le but de mieux cibler les racines sous-jacentes des TSA aux fins de diagnostic et de traitement, les efforts visant à identifier des biomarqueurs fiables en génétique, neuroimagerie, expression génique et mesures du métabolisme du corps se multiplient. Pour cet article, nous passons en revue les études publiées sur les biomarqueurs potentiels de l’autisme et concluons que, même s’il est de plus en plus prometteur de trouver des biomarqueurs susceptibles de nous aider à cibler le traitement, nous n’avons pas suffisamment de preuves pour soutenir l’utilisation clinique de routine, sauf en cas de suspicion de maladie. Les biomarqueurs prometteurs comprennent ceux de la fonction mitochondriale, du stress oxydatif et de la fonction immunitaire. Les grappes génétiques suggèrent également le potentiel de biomarqueurs utiles.

introduction

Plusieurs troubles neurodéveloppementaux ont des caractéristiques génétiques et épigénétiques complexes qui conduisent à leur phénotype et pour certains, il n’existe pas de marqueur génétique unique pour le diagnostic; par conséquent, le diagnostic est posé phénotypiquement comme dans la schizophrénie, le TDAH et les troubles du spectre autistique (TSA). Bien que la caractérisation phénotypique des troubles neurodéveloppementaux fasse partie intégrante des progrès de la pratique clinique et de la recherche, un phénotype donné peut résulter d'un ensemble diversifié de processus biochimiques (en particulier lorsque le trouble est causé par de nombreux facteurs génétiques et épigénétiques). Par conséquent, le traitement d'un "diagnostic phénotypique" avec un médicament ou une intervention spécifique peut être extrêmement efficace pour un individu "caractérisé par un phénotype" avec un ensemble donné de biomarqueurs génétiques et / ou épigénétiques, mais totalement inefficace pour un autre avec un schéma de biomarqueurs différent . Par conséquent, un objectif important des recherches en cours sur les TSA consiste donc à identifier plus précisément les nombreux processus génétiques et épigénétiques anormaux différents qui sous-tendent le phénotype du trouble. Cela pourrait permettre de caractériser les individus atteints de TSA en sous-ensembles présentant certains profils de biomarqueurs qui réagiraient plus favorablement à des traitements spécifiques. Elle pourrait également élucider la physiologie anormale qui conduit à l'autisme, ce qui pourrait améliorer la compréhension de la maladie et conduire à un diagnostic plus précoce et à des traitements plus ciblés.

L’identification de biomarqueurs dans les TSA présente un défi de taille: ces biomarqueurs peuvent refléter des modifications génétiques et neurobiologiques ou des processus épigénétiques (définis ci-dessous) susceptibles de n’être actifs que pendant une période donnée et ne définissant pas le trouble, mais uniquement le processus ayant conduit à la maladie. En outre, la recherche sur les traitements devrait idéalement inclure des biomarqueurs censés prédire l’amélioration des symptômes cliniques à la suite d’interventions cliniques (1) pour savoir si une intervention modifie ou cible un processus biomédical actif lié à la réponse du sujet à ce moment-là. En effet, l’Institut national de la santé mentale (NIMH) a modifié la manière dont il finance les essais cliniques de sorte que «les propositions d’essais devront identifier une cible ou un médiateur; un résultat positif nécessitera non seulement qu'une intervention améliore un symptôme, mais également que celui-ci ait un effet démontrable sur une cible, telle qu'une voie neurale impliquée dans le trouble ou une opération cognitive clé »(2).

Traditionnellement, les recherches en psychiatrie étaient guidées par des diagnostics basés sur les symptômes du DSM et les critères de sélection pour les essais cliniques étaient basés sur ces groupes de symptômes. Les biomarqueurs n'ont pas été des marqueurs fiables ou valables de la réponse au traitement lors d'essais antérieurs, ce qui peut être dû à la grande variété de processus génétiques et épigénétiques qui sous-tendent le diagnostic basé sur le DSM. Récemment, les progrès dans la recherche sur les biomarqueurs ont conduit à l’engagement dans le projet Critères du domaine de recherche (RDoC) comme base du financement futur du NIMH pour la recherche basée sur les biomarqueurs (3, 4). L'objectif de RDoC est de définir les dimensions fondamentales du fonctionnement à étudier à travers plusieurs unités d'analyse, des gènes aux circuits neuronaux, en passant par les comportements, en passant par les troubles définis de manière traditionnelle. L'intention est de traduire les progrès rapides de la recherche fondamentale en neurobiologie et en recherche comportementale en une meilleure compréhension intégrative de la psychopathologie et en la mise au point de traitements nouveaux et / ou parfaitement adaptés pour les troubles mentaux (5).

Dans cet article, nous passons en revue la littérature sur les biomarqueurs des TSA, notamment les biomarqueurs génétiques, épigénétiques, cérébraux et du métabolisme corporel. C'est un domaine immense et cet examen n'est pas destiné à être exhaustif. De nouveaux biomarqueurs potentiels des TSA sont identifiés chaque jour; la liste doit donc être mise à jour fréquemment. Au moment de la rédaction de ce document, nous examinons en détail la littérature, faisons des rapports sur des études méthodologiquement rationnelles, proposons des tableaux de synthèse et résumons ce que nous savons.

Biomarqueurs génétiques

La littérature soutient une composante héréditaire dans la susceptibilité aux TSA, les taux de concordance des TSA sont beaucoup plus élevés chez les jumeaux monozygotes (92%) que chez les jumeaux dizygotes (10%), et une estimation récente du ratio de risque de récurrence fraternelle (λs) est de 22 pour l'autisme. Bien qu'ils soient hautement héritables, les TSA présentent des symptômes cliniques et une architecture génétique hétérogènes, ce qui a empêché l'identification de facteurs de susceptibilité génétiques communs. Bien que des études de liaison antérieures, des études d'association de gènes candidats et des études cytogénétiques aient impliqué plusieurs régions chromosomiques dans la présence de loci de susceptibilité à l'autisme, elles n'ont pas systématiquement identifié et répliqué des variants génétiques communs augmentant le risque de TSA autres que certains troubles clairement génétiques tels que X fragile, sclérose tubéreuse et RASopathies dont les phénotypes correspondent à la description de la catégorie de TSA (5). Comme l'autisme n'est pas une entité clinique unique, il peut être considéré comme une manifestation comportementale de dizaines voire de centaines de troubles génétiques et génomiques (6). Il a été estimé qu'il existe plus de 500 loci génétiques distincts pouvant être liés aux TSA (7) (Figure 1).

De plus, des recherches récentes ont montré qu'il existe de nombreux mécanismes épigénétiques pouvant expliquer les influences héréditaires. Une étude de Hallmayer et al. (9) rapporte que l'environnement peut en réalité expliquer davantage l'étiologie de l'autisme que la génétique. Leur étude, la plus grande étude sur l'autisme en population basée sur les normes modernes pour le diagnostic de l'autisme, a révélé que l'héritabilité était estimée à 38%, tandis que la composante environnementale partagée était de 58% (9). L'héritabilité des TSA et des troubles autistiques est estimée à environ 50% (10).

Étant l'un des troubles psychiatriques les plus familiers, l'autisme a suscité des questions sur d'éventuels biomarqueurs génétiques (11); Cependant, les progrès ont été lents jusqu'à récemment avec l'introduction des études d'association pangénomique (GWAS) et des microréseaux (12). Les recherches sur les fondements microbiologiques des TSA suggèrent qu'il ne s'agit pas d'un trouble monogénique suivant les tendances mendéliennes, à l'exception de quelques individus et familles étudiés (11). En fait, la littérature suggère que le risque de développer l’autisme découle de variations d’un grand nombre de gènes, dont aucun n’est définitivement responsable du TSA, bien que certaines personnes atteintes de troubles monogéniques tels que le X fragile répondent également aux critères du TSA.

Des études d'association pangénomiques ont permis d'identifier, avec réplication, des variations de novo fortement associées (avec une puissance suffisante) aux TSA (Tableau (Tableau 1): 1): délétions au locus de la Neurexine 1 (NRXN1), duplications à 7h11,23. , duplications à 15q11-13, et suppressions et duplications à 16p11.2. Des études antérieures ont révélé de rares mutations fonctionnelles dans les gènes codant pour NRXN1, SHANK3 et SHANK2, qui sont toutes des protéines qui affectent le fonctionnement des synapses et qui ont été liées à d'autres troubles génétiques connus (12). En outre, un séquençage d'exome complet vérifié par quatre rapports a révélé des mutations génétiques associées à l'autisme, notamment SNC2A, CHD8, DYRKIA, POG2, GRIN2B et KATNAL2 (13).

L'étude de gènes particuliers dans certains troubles reconnus avec des déficits sociaux, tels que le syndrome de l'X fragile et la sclérose tubéreuse, peut éclairer les fondements génétiques des TSA. Cette stratégie renforce l'idée selon laquelle les TSA sont le résultat de nombreuses variations parmi les gènes qui convergent vers un phénotype similaire. Le contactin 4 (CNTN4) et son association avec un handicap social et intellectuel dans un syndrome de délétion récurrent constituent un bon exemple de mise en œuvre d'une telle stratégie. Les mutations dans les gènes respectifs sont identifiées dans les TSA idiopathiques. De même, les mutations de CNTNAP2 sont liées à divers résultats, tels que le retard de langage, les anomalies de connectivité fonctionnelle, le mutisme sélectif et l’anxiété. Plus important encore dans le domaine des TSA, des modifications dans CNTNAP2 sont notées dans les pedigrees consanguins (12). Les recherches montrent une prévalence accrue de TSA dans les familles consanguines (11).

Dans une étude publiée par Nature en 2009, Wang et ses collègues ont réalisé une analyse génétique portant sur un grand nombre de personnes et de familles atteintes de TSA, avec un ensemble d'échantillons combiné comprenant plus de 10 000 sujets d'ascendance européenne. Ils ont identifié des variants génétiques communs sur 5p14.1 qui sont associés à la susceptibilité aux TSA et ont répliqué ces résultats dans des analyses séparées. La contribution du chromosome 5p14 à l'adhésion cellulaire et son lien avec la susceptibilité à l'autisme corroborent la conclusion selon laquelle des gènes spécifiques de cette classe contribuent à la création de la connectivité et de la structure du cerveau menant finalement au TSA (14). Outre le rôle potentiel des gènes proches CDH10 et CDH9, l'analyse d'association basée sur la voie aide davantage les molécules d'adhésion de cellules neuronales à conférer une susceptibilité aux TSA, suggérant que des variants génétiques spécifiques de cette classe de gènes pourraient être impliqués dans la formation de la structure physique connectivité fonctionnelle du cerveau menant aux manifestations cliniques des TSA (14).

Parmi les polymorphismes courants associés au risque d'autisme, le polymorphisme de la méthylène tétrahydrofolate réductase (MTHFR) est l'une des corrélations génétiques avec l'autisme les plus largement étudiées. Le polymorphisme MTHFR 677C> T entraîne une réduction de l'activité enzymatique, ce qui entraîne une production plus élevée de 5-formyltétrahydrofolate (5-FTHF) nécessaire à la synthèse et à la réparation de l'ADN, ainsi qu'une production plus faible de 5-MTHF. Le polymorphisme MTHFR 677C> T provoque un déclin de l'activité enzymatique normale à 35% (15). L'allèle variant MTHFR 677T est corrélé à un risque accru de 2,79 fois pour l'autisme. Cependant, cette étude a également révélé que les allèles MTRR 66A et SHMT 1420T jouaient un rôle protecteur contre le risque d'autisme (16). MTHFR a également une forte interaction avec l'apport maternel en acide folique avant et pendant la grossesse, ce qui est associé au risque d'autisme. Les enfants présentant un risque élevé d'autisme et dont les mères portaient l'allèle MTHFR 677 TT et recevaient des vitamines prénatales avaient moins de diagnostics d'autisme que les enfants dont les mères avaient le même allèle et ne prenaient pas de vitamines prénatales (17).

Dans plusieurs GWAS (14, 18-20), quatre gènes ont été associés aux TSA. Ces gènes, cadhérine (CDH9), cadhérine 10 (CDH10), sémaphorine 5A (SEMA5A) et récepteur du goût, type 2, membre 1 (TAS2R1), se trouvent sur le chromosome 5p14, qui régule la croissance de l'axone et l'adhérence cellulaire. Bien que les réseaux de gènes n'aient pas pu être établis à partir du petit nombre de gènes, ces résultats suggèrent que ces gènes et la dérégulation de la connexion synaptique pourraient être une caractéristique clé des TSA (21).

Griswold et ses collègues ont constaté que le nombre et la taille des délétions portées par des personnes présentant un TSA étaient nettement plus lourds que ceux des témoins (22). Parmi les variations de nombre de copies (NVC) identifiées, plusieurs se chevauchaient avec des régions bien établies associées à l'autisme et des gènes candidats. Ils ont isolé quatre grandes nouvelles délétions sur 2q22.1, 3p26.3, 4q12 et 14q23 qui incluent de nouveaux gènes et régions liés aux TSA. Des découvertes éparses liées à NLGN4 et à la susceptibilité à l'autisme se produisent d'une culture à l'autre. Dans les cas de TSA chinois, aucune découverte significative n'a été découverte concernant les SNP associés au gène NLGN4 et au risque d'autisme (23), mais dans les cas de DSA grecs, neuf modifications nucléotidiques de NLGN4X sont associées à l'autisme (24).

Les variations du nombre de copies ont révélé la surexpression de rares variations structurelles de novo dans le génome de familles simplexes (familles qui ont une progéniture affectée) par rapport à des familles ayant plusieurs progénitures affectées, en particulier les familles témoins. En outre, ces résultats ont été reproduits dans des études ultérieures, renforçant la confiance dans laquelle des découvertes peuvent être faites sur les liens génétiques avec des maladies courantes et l'autisme (12); Cependant, des NVC de novo ont été découverts chez seulement 5 à 10% des sujets étudiés et ne représentent donc pas la majorité des personnes affectées et étudiées. Malgré ce résultat, il semble que les NVC multigéniques de novo de grande taille (> 100 kb) soient les plus révélatrices du risque de TSA pour le moment.

La composante génétique d'un trouble peut être transmis ou acquis par le biais de mutations de novo («nouvelles»). Une étude basée sur un sous-groupe de 343 familles de la collection Simons Simplex n'a pas trouvé de nombres significativement plus grands de mutations faux novices chez les enfants affectés par rapport aux enfants non affectés, mais les mutations perturbatrices des gènes (non-sens, site d'épissage et changements de cadre) étaient deux fois plus fréquentes ( 59 contre 28) (25). Ils ont constaté que le père est plus souvent le parent d'origine des mutations de novo que la mère (50/17) des variants mononucléotidiques (SNV). L'âge des parents semble également jouer un rôle dans le taux de mutation. Une étude publiée dans Nature a montré que le taux de VAN de novo augmente avec l'âge du père (p = 0,008) et que les âges des pères et des mères sont fortement corrélés (p <0,0001) (26). Globalement, ces données démontrent que les SNV de novo non synonymes, et en particulier les mutations de novo non-sens et de site d'épissage très perturbantes, sont associées aux TSA.

Plusieurs sociétés commercialisent des tests génétiques pour l'autisme basés sur des grappes de gènes présentant une forte concentration en risques de TSA (27, 28). À l'avenir, il se peut que des biomarqueurs puissent déterminer le risque élevé de diagnostic de TSA. Par exemple, une mère qui présente un risque élevé de dysfonctionnement immunitaire conduisant à un TSA chez un deuxième enfant une fois que le premier enfant est atteint de TSA (29) ou l’augmentation de la voie Akt-mTOR, qui peut être observée dans le syndrome du X fragile et dans d’autres cas. ASD sous-types (30).

Épigénétique

Des différences considérables de gravité des symptômes chez les jumeaux monozygotes concordants avec les TSA impliquent fortement un rôle pour les facteurs épigénétiques non génétiques (31). L'épigénétique fait référence à l'étude des modifications héréditaires de l'activité des gènes qui ne sont pas causées par des modifications de la séquence de l'ADN; il peut également être utilisé pour décrire l'étude d'altérations stables et à long terme du potentiel transcriptionnel d'une cellule qui ne sont pas nécessairement héritables. Les changements épigénétiques dans les TSA se produisent par méthylation, modification de l'histone (31), remodelage de la chromatine, boucles de rétroaction transcriptionnelle et inhibition de l'ARN (32). Les processus dans l'interaction gène × environnement qui influencent l'expression des gènes comprennent les processus métaboliques tels que le stress oxydatif, la fonction mitochondriale, la méthylation, la fonction immunitaire et l'inflammation qui sont des sous-produits d'influences telles que le système immunitaire des mères et des pères, les substances toxiques pour l'environnement et l'alimentation quelques. Cette section passera en revue ces influences épigénétiques associées aux TSA.

Des études montrent que des différences de méthylation de l'ADN peuvent se produire dans de nombreux locus, y compris AFF2, AUTS2, GABRB3, NLGN3, NRXN1, SLC6A4, UBE3A (31), le récepteur à l'ocytocine (33), MeCP2 (cause du syndrome de Rett dans la plupart des cas). cortex (34), et a modifié la structure de la chromatine dans les neurones du cortex préfrontal à des centaines de loci (35). La sévérité du phénotype autistique est liée à la méthylation de l'ADN à des sites spécifiques du génome (31). Les influences environnementales et physiologiques sont des facteurs importants expliquant les différences de méthylation de l'ADN entre individus, et ces influences diffèrent d'un génome à l'autre (36). Les sections suivantes décrivent les marqueurs des voies métaboliques et les influences environnementales pouvant influer sur les changements épigénétiques.

Biomarqueurs métaboliques

Il n’existe pas de biomarqueurs métaboliques définissant l’autisme, mais l’examen des biomarqueurs des voies associées aux TSA peut révéler des anomalies métaboliques potentiellement traitables et fournir une base de référence pouvant être suivie à la longue. Chaque enfant peut avoir différentes pathologies métaboliques liées aux SNP, aux carences nutritionnelles et aux expositions toxiques. La phénylcétonurie (PCU) (37), les troubles du métabolisme des purines (38), le déficit en biotinidase (39), le déficit en folate cérébral (40), le déficit en créatine (41), et des troubles métaboliques pouvant conduire à une présentation de type autiste excès d’acide propionique (produit par Clostridium) (42, 43).

Une revue récente a évalué la recherche sur les anomalies physiologiques associées aux TSA (44). Les auteurs ont identifié quatre mécanismes principaux qui ont été de plus en plus étudiés au cours de la dernière décennie: immunologique / inflammation, stress oxydatif, substances toxiques pour l’environnement et anomalies mitochondriales. En outre, la recherche sur les lipides, les systèmes gastro-intestinaux, l'activation microgliale et le microbiome est en train de s'accumuler, de même que la manière dont ceux-ci peuvent également contribuer à la génération de biomarqueurs associés aux TSA (45, 46).

Les voies sont interconnectées avec un défaut dans l’une susceptible de conduire à un dysfonctionnement chez les autres. De nombreux troubles métaboliques peuvent conduire à des effets tels que des voies de méthylation, de sulfuration et de détoxication altérées et des carences nutritionnelles. Dysfonctionnement mitochondrial, facteurs de risque environnementaux, déséquilibres métaboliques et susceptibilité génétique peuvent tous conduire à un stress oxydatif (47), qui à son tour entraîne une inflammation, des membranes cellulaires endommagées, une auto-immunité (48), une méthylation altérée (49) et une mort cellulaire (48). et déficits neurologiques (50). Le cerveau est très vulnérable au stress oxydatif (51), en particulier chez les enfants (52) au début du développement (4.sept). Les événements environnementaux et les déséquilibres métaboliques affectant le stress oxydatif et la méthylation, ils peuvent également affecter l’expression des gènes.

Plusieurs études ont mis en évidence une altération des concentrations d'une vaste collection de substances dans les liquides d'origine corporelle de sujets atteints de TSA par rapport aux témoins (sérum, sang total et LCR, par exemple) (53). Ces découvertes recouvrent l'un ou l'autre des deux mécanismes principaux provoquant une maladie: un trouble du système nerveux central qui est détecté à la périphérie [par exemple, la sérotonine et ses métabolites, le sulfate (54), de faibles taux plaquettaires de l'acide gamma-aminobutyrique (GABA) (55), de l'oxytocine (qui affecte l'affiliation sociale) (56), et de faibles taux de vitamine D (57, 58)] ou une anomalie systémique qui a des répercussions sur le cerveau (59).

La sérotonine dans le cerveau favorise le comportement prosocial et l'évaluation correcte des signaux émotionnels et sociaux (60) et peut contribuer aux anomalies immunitaires (61). L'ocytocine peut affecter l'appartenance sociale et les déficits de communication sociale (62). La vitamine D a de nombreux effets, notamment la régulation de la synthèse de la sérotonine, la réduction des anticorps maternels attaquant le cerveau du fœtus, la modulation de la synthèse de l'ocytocine, la réduction de l'inflammation gastro-intestinale en diminuant la sérotonine intestinale (58), la réparation de l'ADN, les actions anti-inflammatoires, les activités anti-auto-immunes, l'activité anti-auto-immune, augmentation des cellules T régulatrices, protection des mitochondries, stimulation de la voie des antioxydants (63) et augmentation du glutathion (64).

Marqueurs de stress oxydant

Le stress oxydatif peut être détecté en étudiant le statut antioxydant, les enzymes antioxydantes, la peroxydation des lipides et l'oxydation des protéines / ADN, qui se sont tous révélés être élevés chez les enfants autistes (Tableau 2). Différents sous-groupes d'enfants atteints de TSA présentent différentes anomalies d'oxydoréduction pouvant provenir de diverses sources (65). Une méta-analyse récente de 29 études sur des échantillons de sang de sujets atteints de TSA montre que les niveaux réduits de glutathion, de glutathion peroxydase, de méthionine et de cystéine ainsi que les taux élevés de glutathion oxydé sont statistiquement différents chez les TSA (66). Le taux d'antioxydants excrétés dans l'urine s'est avéré significativement inférieur à la normale chez les enfants autistes. Ces résultats étaient en corrélation avec la sévérité du TSA (67).

Les mesures du statut antioxydant incluent la mesure du glutathion, le principal antioxydant dans la protection contre le stress oxydatif, la neuroinflammation et les dommages mitochondriaux (68, 69). Le glutathion joue un rôle déterminant dans la régulation des voies de détoxification et module la production de précurseurs de produits finis de glycation avancée (AGE) (70). La mesure du glutathion réduit, du glutathion oxydé ou du rapport entre le glutathion réduit et le glutathion oxydé aide à déterminer le statut d’oxydation du patient. Chez de nombreux patients atteints de TSA, le rapport entre le glutathion réduit et le glutathion oxydé est diminué, ce qui indique un mauvais état d'oxydation (71).

L'enzyme glutathion peroxydase a été utilisée comme marqueur et est généralement réduite. Les résultats concernant les niveaux d'enzymes de la superoxyde dismutase (SOD) (72) sont mitigés. Les autres marqueurs de l'insuffisance en glutathion comprennent l'alpha hydroxybutyrate, le pyroglutamate et le sulfate, qui peuvent être évalués à l'aide d'un test d'acide organique. La peroxydation lipidique fait référence à la dégradation oxydative des membranes cellulaires. Il existe une corrélation significative entre la sévérité de l'autisme et les produits de peroxydation des lipides urinaires (67), qui sont augmentés chez les patients atteints de TSA.

Les F2t-Isoprostanes plasmatiques (F2-IsoPs) sont l'indicateur le plus sensible du dysfonctionnement rédox et sont considérés par certains comme la mesure de référence par excellence du stress oxydatif (73). Ils sont augmentés chez les patients atteints de TSA et sont encore plus élevés lorsqu'ils sont accompagnés d'un dysfonctionnement gastro-intestinal (73). Le F2t-isoprostanes (F2-IsoPs) peut également être mesuré dans l'urine.

Le 8-OHdG dans l’urine est un biomarqueur des dommages oxydatifs de l’ADN. Il est couramment utilisé, même s'il existe des facteurs de confusion et des variations intra-individuelles (74). Certains chercheurs ont indiqué que l'augmentation du 8-OHdG dans l'urine chez les patients atteints de TSA n'était pas significative. Les augmentations de 8-OHdG dans les urines n’ont pas atteint la signification statistique (75).

Des taux réduits de protéines sériques antioxydantes majeures ont été observés chez les patients atteints de TSA, à savoir la transferrine (protéine de liaison du fer) et la céruloplasmine (protéine de liaison du cuivre). Les niveaux de réduction de ces protéines sont en corrélation avec la perte du langage déjà acquis (47) bien que les critiques soient mitigées quant à leur importance (66).

La 3-chlortyrosine plasmatique (3CT), une mesure d'espèce réactive azotée et de l'activité de la myéloperoxydase, est un biomarqueur établi de la réponse inflammatoire chronique. Les taux plasmatiques de 3CT augmentaient avec l'âge chez les personnes présentant un TSA et un dysfonctionnement mitochondrial, mais pas chez les personnes présentant un TSA sans dysfonctionnement mitochondrial (65).

La 3-nitrotyrosine (3NT) est une mesure plasmatique de l'activation immunitaire chronique et un biomarqueur des dommages aux protéines oxydatives et de la mort neuronale. Cette mesure est en corrélation avec plusieurs mesures de la fonction cognitive, du développement et du comportement chez les sujets présentant un TSA et un dysfonctionnement mitochondrial, mais pas chez les sujets présentant un TSA sans dysfonctionnement mitochondrial (65).

Marqueurs de dysfonctionnement mitochondrial

Le dysfonctionnement mitochondrial est marqué par une production d'énergie réduite. Certains enfants atteints de TSA auraient un spectre de dysfonctionnement mitochondrial de gravité différente (44) (Tableau (Tableau 3) .3). Le dysfonctionnement mitochondrial, qui est probablement un événement précoce de la neurodégénérescence (76), est l’un des dysfonctionnements les plus fréquents chez l’autisme (77) et est plus fréquent que chez les témoins typiques (78). Il n’existe pas de biomarqueur fiable permettant d’identifier tous les cas de dysfonctionnement mitochondrial (79). Il est possible que jusqu'à 80% des dysfonctions mitochondriales chez les patients présentant à la fois un TSA et un trouble mitochondrial soient acquises plutôt qu'héritées (44).

Dysfonctionnement mitochondrial peut être une conséquence en aval de nombreux facteurs proposés, y compris une immunité dysréactive et une signalisation altérée du calcium (Ca2 +) (80), une augmentation de l'oxyde nitrique et du peroxynitrite (68), du propionyl-CoA (81), de la malnutrition (82), de la vitamine B6 ou du fer. (83), métaux toxiques (83), acide nitrique élevé (84, 85), stress oxydatif (86), exposition à des substances toxiques pour l’environnement, tels que les métaux lourds (87–89), produits chimiques (90), biphényles polychlorés (BPC) (91), les pesticides (92, 93), les polluants organiques persistants (POP) (94) et le rayonnement radiofréquence (95). Des médicaments tels que l'acide valproïque (VPA), qui inhibe la phosphorylation oxydative (96), et les neuroleptiques (97, 98) sont d'autres sources de détresse mitochondriale.

Les marqueurs de dysfonctionnement mitochondrial comprennent le lactate, le pyruvate et le rapport lactate à pyruvate, la carnitine (libre et totale), les acides aminés plasmatiques quantitatifs, l'ubiquinone, l'ammoniac, le CD, l'AST, l'ALT, le glucose CO2 et la créatine kinase (CK) (44) . De nombreuses études sur les TSA font état d'une élévation du lactate et du pyruvate, d'autres d'une diminution de la carnitine, tandis que d'autres font état d'une alanine anormale chez les patients présentant un TSA (44) ou d'une élévation de l'aspartate aminotransférase et de la CK sérique (99). Les augmentations de lactate ne sont pas spécifiques et ne peuvent survenir que pendant la maladie, après un effort physique ou après une prise de sang (100).

Rossignol et Frye (44) recommandent un algorithme de dépistage de la fonction mitochondriale. Cela inclut les laboratoires matinaux à jeun de lactate, pyruvate, carnitine (libre et total), panel d’acyl carnitine, d’acides aminés plasmatiques quantitatifs, d’ubiquinone, d’ammoniac, de CK, de AST / ALT, de CO2 et de glucose (44). L'interprétation d'un tel panel et des indications de traitements spécifiques n'a pas encore été établie.

Méthylation

La voie de la méthylation fournit des groupes méthyle pour de nombreuses fonctions, y compris la méthylation de gènes, ce qui peut entraîner des modifications épigénétiques lors de l'activation et de la désactivation de gènes (Tableau 4). Ce transfert se produit lorsque la S-adénosylméthionine (SAM) donne un groupe méthyle et est transformée en S-adénosylhomocystéine (SAH). Le SAH peut être transféré dans l'homocystéine, qui peut être méthylée en méthionine ou transférée par la voie de sulfuration en cystéine pour créer du glutathion. Avec l'augmentation du stress oxydatif, l'HAH pourrait être détourné de la voie de méthylation vers la voie de sulfuration afin de produire plus de glutathion. Cela se traduira par moins de méthionine et moins de capacité de méthylation.

La méthylation couplée peut refléter les effets de l'exposition toxique sur le métabolisme du soufre. Le stress oxydatif provoqué par des facteurs environnementaux chez des individus génétiquement vulnérables peut entraîner une altération de la méthylation et des déficits neurologiques (49), qui peuvent tous deux contribuer à la manifestation de l'autisme (71).

Un marqueur de dysfonctionnement de la méthylation est une diminution du rapport SAM / SAH chez les patients atteints de TSA. La méthionine plasmatique à jeun diminue puisqu'elle est le principal donneur de méthyle par le biais de la SAM. La cystéine plasmatique à jeun, un acide aminé contenant du soufre, est l’étape limitante de la production de glutathion et est considérablement réduite. Le sulfate plasmatique est diminué, ce qui peut altérer les voies de détoxification. L'homocystéine est généralement augmentée, mais les études sont mitigées (66). La vitamine B12 et le folate sont nécessaires pour la voie de la méthylation. Le SNP génétique de MTHFR aurait une influence importante sur la voie de la méthylation (66).

Dysrégulation immunitaire

Évaluation des cytokines

L'inflammation chronique et l'activation des cellules de la microglie sont présentes dans les cerveaux autopsiés de personnes atteintes de TSA (101, 102) (Tableau (Tableau 5) .5). Les facteurs qui augmentent le risque d'activation de la microglie cérébrale comprennent les lésions traumatiques du cerveau (TBI) (103), les espèces réactives à l'oxygène (104) et une barrière hémato-encéphalique dysfonctionnelle (105). La barrière hémato-encéphalique peut être compromise par le stress oxydatif (106), les situations de stress extrême (107), l’homocystéine en élévation (108), le diabète (109) et l’hyperglycémie (110). Les cytokines peuvent traverser une barrière hémato-encéphalique et commencer ce processus (111). Par conséquent, les cytokines peuvent servir de marqueur de la dérégulation immunitaire, ce qui peut compliquer davantage les TSA.Des profils de cytokines irrégulières apparaissent dans les TSA (112, 113) et des élévations des cytokines plasmatiques seraient corrélées au déclenchement et à la sévérité régressifs des symptômes autistiques et comportementaux (113). Les cytokines pro-inflammatoires altérées, les protéines du complément, les chimiokines, les molécules d'adhésion et les facteurs de croissance sont en corrélation avec les TSA. Plus spécifiquement, les niveaux modifiés des taux circulants d'immunoglobuline TGF-bêta, CCL2 et CCL5, IgM et IgG sont liés à une détérioration des scores comportementaux (114). On trouve également un déséquilibre Th1 / Th2 susceptible de jouer un rôle dans la pathogenèse de l'autisme (115).

Neopertin en tant que marqueur urinaire du dysfonctionnement immunitaire et de l'activation. La néoptérine est associée à une production accrue de systèmes réactifs à l'oxygène et peut être considérée comme une mesure du stress oxydatif induit par le système immunitaire. Les taux de néoptérine sont significativement plus élevés chez les enfants autistes que chez les sujets de comparaison (116).

L'augmentation de la protéine S100B, une protéine de liaison au calcium produite principalement par les astrocytes, est un biomarqueur reflétant des lésions neurologiques / cérébrales trouvées élevées dans les TSA et corrélées à la sévérité autistique (117).

Autoimmunité et anticorps maternels

Le trouble autistique auto-immun est proposé comme un sous-ensemble majeur de l’autisme (118), l’auto-immunité pouvant jouer un rôle dans la pathogenèse des anomalies du développement social et du langage chez un sous-ensemble d’enfants atteints de ces troubles (119). De nombreux auto-anticorps présents dans le système nerveux des enfants atteints de TSA présentent un taux élevé d'anticorps dans le cerveau (120, 121). Ceux-ci peuvent être mesurés en tant que biomarqueurs dans ce sous-ensemble de patients atteints de TSA. Les anticorps anti-ganglioside M1 (122), les anticorps anti-neuronaux (123) et les anticorps sériques anti-nucléaires (123, 124) sont en corrélation avec la sévérité de l'autisme. Parmi les autres auto-anticorps supposés jouer un rôle pathologique dans l’autisme, on citera: la protéine anti-filament neurone-axone (anti-NAFP) et la protéine acide glial fibrillaire (anti-GFAP) (125), des anticorps dirigés contre les cellules endothéliales et les noyaux du cerveau (119), protéine de base de la myéline (126, 127) et glycoprotéine associée à la myéline, indice d’auto-immunité dans le cerveau (128). Les anticorps anti-BDNF étaient plus élevés dans les TSA (129) et de faibles niveaux de BDNF pourraient être impliqués dans la physiopathologie des TSA (130).

Les anticorps chez les patients atteints d'autisme touchent les cellules du noyau caudé (131), du cervelet (132, 133), de l'hypothalamus et du thalamus (121), du gyrus cingulaire (134) et des récepteurs cérébraux du folate (135). Les enfants porteurs d'autoanticorps cérébelleux présentaient une fonction cognitive et adaptative inférieure ainsi qu'un comportement aberrant accru par rapport aux enfants ne présentant pas ces anticorps (132).

Etat immunitaire de la mère

Les études de recherche indiquent une association entre les infections virales ou bactériennes chez les femmes enceintes et leur progéniture de TSA (136, 137). Les anticorps maternels traversent la barrière hémato-encéphalique sous-développée du fœtus (138), ce qui entraîne une altération du neurodéveloppement du foetus et des troubles neurodégénérescents, neuro-comportementaux et cognitifs à long terme (139).

Une infection maternelle ou une réponse immunitaire comprend des cytokines, qui affectent des aspects de la neurogenèse fœtale, de la migration neuronale (140), de la plasticité synaptique et du devenir des cellules souches (141). Les taux sériques élevés d'IFN-γ, d'IL-4 et d'IL-5 étaient plus fréquents chez les femmes ayant donné naissance à un enfant diagnostiqué ultérieurement avec un TSA (142). L'exposition fœtale à l'IL-6, en particulier en fin de grossesse, entraîne des anomalies de la structure et de la morphologie de l'hippocampe et une diminution de l'apprentissage à l'âge adulte (139).

Certains des anticorps qui traversent la barrière hémato-encéphalique en développement fœtale reconnaissent et attaquent le cerveau (138). La présence d'anticorps dirigés contre les protéines du cerveau fœtal dans les TSA peut entraîner une approche inappropriée auprès de pairs inconnus (143).

Braunschweig et al. a développé un panel de biomarqueurs cliniquement significatifs d'autoanticorps maternels liés aux autoanticorps présentant une spécificité supérieure à 99% pour le risque d'autisme (144). Ce panel est suggéré pour aboutir à un diagnostic précoce de l'autisme maternel lié aux autoanticorps, permettre des interventions limitant l'exposition du fœtus à ces anticorps et permettre une intervention comportementale précoce.

Dysbiose

Lorsque l'intestin devient enflammé, il se dégrade et devient perméable, parfois appelée dysbiose. La dysbiose serait un facteur contribuant en amont aux affections auto-immunes et à l'inflammation. Les marqueurs considérés comprennent les anticorps circulants dirigés contre les protéines à jonction étroite, le LPS, l’actomyosine (145), la calprotectine (146) et la lactoferrine (147). Une dysbiose a été constatée chez 25,6% des patients atteints de TSA (148). Il est proposé d’avoir un effet direct sur le cerveau car il s’agit d’une source hypothétique d’inflammation (149-151) et d’auto-immunité (152, 153), possiblement par mimétisme moléculaire (154). L'alimentation est une source de dysbiose (155).

Acides aminés et neuropeptides

L'hypersérotonémie plaquettaire est considérée comme l'un des signes de neuromodulateur les plus cohérents chez les patients atteints de TSA (Tableau (Tableau 6) .6). En ce qui concerne les autres neuropeptides, une revue récente a rapporté qu'environ 15 composants altérés dans les TSA par rapport aux témoins (53). Parmi ceux-ci, des recherches intéressantes ont été menées sur les systèmes à base de glutamate, de GABA, de BDNF, de dopamine et de noradrénaline. Une étude récente a montré une corrélation positive entre la sévérité des symptômes cliniques et les taux plasmatiques de GABA chez les patients atteints de TSA, étayant ainsi l’idée d’un système GABAergique perturbé (156). En outre, un groupe similaire de substances mesurées dans l'urine est suggéré comme un moyen plus commode et moins invasif d'obtenir des informations sur ces patients (41).

Analyse des acides gras

Un métabolisme anormal des acides gras peut jouer un rôle dans la pathogenèse des TSA et peut suggérer certaines anomalies métaboliques ou diététiques dans la forme régressive de l'autisme (42, 157). Il existe des preuves d'une relation entre les changements dans les profils lipidiques du cerveau et la survenue de comportements analogues à ceux d'un TSA utilisant un modèle autiste de rongeurs (42). L'hyperactivité chez les patients était inversement liée à la fluidité des taux membranaires des érythrocytes et des acides gras polyinsaturés membranaires (AGPI) (158). Les déséquilibres de la composition en acides gras membranaires et de la perte en AGPI peuvent affecter les récepteurs ioniques (159) des canaux ioniques, des récepteurs opiacés, adrénergiques et la modulation de l'activité de la (Na + K) -ATPase (160). L'analyse des acides gras membranaires des globules rouges est un indicateur très sensible de l'état des tissus et peut refléter la composition en acides gras du cerveau (161).

Dix-sept pour cent des enfants atteints de TSA manifestent des biomarqueurs du métabolisme anormal des acides gras mitochondriaux, dont la majorité ne sont pas expliqués par des mécanismes génétiques (162). Les patients atteints de TSA présentaient des pourcentages réduits en acides gras hautement insaturés (163) et une augmentation du rapport ω6 / ω3 (158).

Toxiques environnementaux

Pour les biomarqueurs de substances toxiques présentes dans l’environnement, il est difficile d’interpréter des niveaux anormaux de TSA. Par exemple, une forte charge d'aluminium, de cadmium, de plomb, de mercure et d'arsenic a été retrouvée dans un sous-groupe d'un échantillon de plus de 500 patients atteints de TSA (164). D'autres études ont décrit une diminution des concentrations de certains de ces métaux lourds dans les échantillons d'urine et de poils, ce qui peut impliquer que le corps n'excrète pas les métaux lourds de manière adéquate (41).

Un examen systématique des études sur les TSA liées aux substances toxiques a révélé que les TSA impliquaient des pesticides, des phtalates, des PCB, des solvants, des sites de déchets toxiques, des polluants atmosphériques et des métaux lourds, les preuves les plus solides ayant été trouvées pour les polluants atmosphériques et les pesticides (165).

Biomarqueurs focalisés sur le cerveau

Imagerie par résonance magnétique

Comme dans d’autres domaines de la psychiatrie, de nouvelles approches sont en cours d’élaboration pour lutter contre les TSA dans un «paradigme ascendant», c’est-à-dire l’identification des altérations génétiques ou biologiques, associées aux manifestations cliniques des symptômes. En neuro-imagerie, de nombreux progrès ont été accomplis dans la compréhension de la maladie, mais très peu de biomarqueurs observés possèdent suffisamment de preuves pour suggérer qu’ils pourraient avoir une signification significative pour le diagnostic ou le traitement.

L'une des observations les mieux répliquées du cerveau chez les sujets atteints de TSA est la croissance accélérée du volume cérébral. L'augmentation est généralement d'environ 10%, avec un maximum entre 2 et 4 ans suivi d'un plateau (166). La circonférence de la tête (HC), un substitut adéquat de la taille du cerveau, fait actuellement l'objet d'une enquête pour déterminer son intérêt diagnostique pour les TSA (167). Cependant, des découvertes récentes sur l'HC dans les TSA montrent qu'il pourrait y avoir une croissance indépendante de l'HC chez les patients et les témoins. Ainsi, la prolifération anormale observée dans les études plus anciennes pourrait être due à une norme biaisée du Centre de contrôle des maladies (CDC) HC, qui est couramment utilisée comme groupe de contrôle (168).

L'épaisseur et les surfaces de la matière grise et l'intégrité de la substance blanche sont également à l'étude. Une tendance générale montrant une augmentation de l'épaisseur de la matière grise chez les sujets atteints de TSA par rapport aux témoins est observée avec un effet dépendant de l'âge (166). Bien qu'il existe des études établissant une corrélation entre la gravité des symptômes et l'épaisseur modifiée, il existe plusieurs limitations, telles que l'utilisation d'une approche transversale et d'un petit nombre de sujets qui entravent l'application clinique (169). De même, les études par imagerie tenseur de diffusion (DTI) sur la connectivité de la substance blanche ne sont pas encore concluantes d'une étude à l'autre.

Les premières études utilisant l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) se concentrent sur des réseaux cognitifs spécifiques à une tâche (reconnaissance du visage, théorie de l'esprit, imitation, traitement du langage et substituts du comportement réceptif) (166). Dans ces études de réseaux cognitifs, les personnes atteintes de TSA et de contrôles effectuent une tâche pendant que l'IRMf est surveillée. Plus récemment, des chercheurs ont étudié la connectivité entre ces méthodes de réseau et d’état de repos dans lesquelles l’IRMf est obtenue alors qu’un sujet est au repos et n’accomplit pas de tâche. Ces études plus récentes révèlent une tendance suggérant une activité moindre dans les zones du cerveau qui exécutent généralement des tâches exécutives (telles que l'organisation ou la planification). Cette combinaison de modèles d'activité dans les TSA est souvent appelée «rapport bruit / information élevé», qui sous-tend la théorie du déséquilibre excitateur / inhibiteur des TSA (170). Inversement, même si toutes ces découvertes en IRMf mettent en lumière la physiopathologie des TSA, elles ne sont pas non plus suffisamment matures pour se traduire par un biomarqueur fiable pouvant être utilisé en pratique clinique.

Électroencéphalographie

Alignés sur l'idée que les TSA sont un trouble de connectivité anormal, des études utilisant l'électroencéphalographie (EEG) ont exploré les modifications locales de la complexité des signaux chez les patients (171). Certaines études ont permis de détecter des anomalies dès l'âge de 6 mois, suggérant un outil important pour la détection précoce et l'évaluation des groupes à risque (172).

Cependant, malgré des propositions telles que les différences d'entropie multi-échelles proposées comme biomarqueurs de diagnostic précoce, l'EEG n'a pas encore été établi comme un outil fiable pour le diagnostic ou la documentation des changements cliniques (173).

Neurochimie

Les techniques de neuroimagerie sont également utilisées pour surveiller la concentration in vivo de substances dans le cerveau et comprennent la tomographie à émission de positrons (PET), la tomographie à émission de photons unique (SPECT) et la spectroscopie à résonance magnétique (MRS). Jusqu'à présent, la majorité des études ont rapporté des anomalies dans plusieurs réseaux de neurotransmetteurs et leurs métabolites respectifs (par exemple, la dopamine, le GABA, la sérotonine, le glutamate et le N-acétyl-aspartate), variant de la synthèse, du transport et de l'activité des récepteurs dans différentes régions de le cerveau dans le système glutamate – glutamine, en particulier, il semble y avoir des états hyper (174) ou hypoglutamatergiques (175) en fonction de la région cérébrale, ce qui pourrait être interprété comme une augmentation excitatrice par rapport à l'inhibition dans les circuits neuronaux clés (176 ). De plus, les études portant sur des altérations du GABA s'accumulent également, avec des résultats de réduction des taux de GABA dans les lobes frontaux des sujets atteints de TSA. L’utilisation de MRS (177) a corroboré les recherches histopathologiques sur la densité et la distribution modifiées des récepteurs GABA (178).

Interventions biomédicales

Il n'y a pas d'études publiées sur les interventions pour les TSA qui utilisent la neuroimagerie ou des biomarqueurs génétiques de manière prospective pour guider le traitement. Les interventions biomédicales basées sur les biomarqueurs de fluide corporel / produit ont été utilisées dans un nombre réduit mais croissant d'études bien conçues et publiées. Plusieurs revues récentes résument celles-ci (179–181).

Orientations futures de la recherche

Une caractéristique commune de toutes les études antérieures de ces biomarqueurs présumés est que la plupart consistent en de petits échantillons de patients et ne comprennent donc pas l'hétérogénéité qui caractérise les TSA. De plus, étant donné qu'ils comparent principalement les sujets atteints de TSA à des témoins en développement typiques, il n'est pas certain que ces profils de biomarqueurs soient uniques à TSA - ils peuvent être présents dans d'autres troubles neurodéveloppementaux. Une nouvelle méthode prometteuse conçue pour augmenter la spécificité des biomarqueurs dans les TSA est le dosage immunologique multiplex, une méthode qui analyse des ensembles de biomarqueurs afin de créer un profil de diagnostic (182, 183). En outre, les progrès des techniques chromatographiques et protéomiques contribuent également aux progrès du domaine, permettant une évaluation plus facile de plusieurs substances (184, 185).

Jusqu'à présent, de nombreuses études portant sur divers biomarqueurs potentiels ont révélé un grand nombre de tests génétiques, d'imagerie et métaboliques anormaux chez les enfants atteints de TSA par rapport aux sujets témoins. Pour la plupart de ces mesures, il n’est pas encore clair si le biomarqueur anormal est un facteur contribuant au développement du TSA ou un résultat d’une autre anomalie sous-jacente (c’est-à-dire causale ou simplement associée). Sans surprise, la conclusion est que davantage d'études sont nécessaires pour explorer plus avant ces mécanismes possibles individuellement. Cependant, l’avenir de la recherche sur les TSA pourrait impliquer une vision plus large de ces biomarqueurs, qui pourrait avoir plus de valeur en combinaison que séparément. Grâce aux nouvelles avancées technologiques, il est possible d’utiliser une technique d’apprentissage automatique formée à l’identification de schémas complexes de données pouvant être appliqués à de nouvelles personnes pour effectuer des prédictions (186). Une étude récente a mis en commun des volumes régionaux de matière blanche et grise d’IRM cérébrales complètes chez des sujets ASD à l’aide de ce programme d’algorithme, connu sous le nom de super machine à vecteurs. En conséquence, ils pourraient classer un nouveau patient comme ayant un diagnostic de TSA ou non avec un taux de vrais positifs élevé (187). Bien que la neuroimagerie en soit un exemple, cette approche pourrait être généralisée à d’autres biomarqueurs (53, 188). En d'autres termes, des biomarqueurs individuellement non significatifs analysés ensemble peuvent générer un schéma de pertinence clinique tel que le diagnostic, le dimensionnement en fonction de la gravité ou la réponse au traitement. Ces techniques pourraient également permettre d'identifier les biomarqueurs les plus pertinents ou les plus prédictifs parmi les nombreux biomarqueurs candidats décrits ci-dessus.

Bien que la maxime selon laquelle «de nouvelles études soient nécessaires» soit toujours valable, les TSA pourraient assister à l'émergence de biomarqueurs cliniquement pertinents dans un proche avenir.

Auteurs Andre A. S. Goldani, Susan R. Downs, Felicia Widjaja, Brittany Lawton, and Robert L. Hendren

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4129499/