Inhibition of voltage-gated Na(+) currents in sensory neurones by the sea anemone toxin APETx2.

BACKGROUND AND PURPOSE: APETx2, a toxin from the sea anemone Anthropleura elegantissima, inhibits acid-sensing ion channel 3 (ASIC3)-containing homo- and heterotrimeric channels with IC(50) values < 100 nM and 0.1-2 µM respectively. ASIC3 channels mediate acute acid-induced and inflammatory pain response and APETx2 has been used as a selective pharmacological tool in animal studies. Toxins from sea anemones also modulate voltage-gated Na(+) channel (Na(v) ) function. Here we tested the effects of APETx2 on Na(v) function in sensory neurones.¦EXPERIMENTAL APPROACH: Effects of APETx2 on Na(v) function were studied in rat dorsal root ganglion (DRG) neurones by whole-cell patch clamp.¦KEY RESULTS: APETx2 inhibited the tetrodotoxin (TTX)-resistant Na(v) 1.8 currents of DRG neurones (IC(50) , 2.6 µM). TTX-sensitive currents were less inhibited. The inhibition of Na(v) 1.8 currents was due to a rightward shift in the voltage dependence of activation and a reduction of the maximal macroscopic conductance. The inhibition of Na(v) 1.8 currents by APETx2 was confirmed with cloned channels expressed in Xenopus oocytes. In current-clamp experiments in DRG neurones, the number of action potentials induced by injection of a current ramp was reduced by APETx2.¦CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: APETx2 inhibited Na(v) 1.8 channels, in addition to ASIC3 channels, at concentrations used in in vivo studies. The limited specificity of this toxin should be taken into account when using APETx2 as a pharmacological tool. Its dual action will be an advantage for the use of APETx2 or its derivatives as analgesic drugs.

Rufinamide Attenuates Mechanical Allodynia in a Model of Neuropathic Pain in the Mouse and Stabilizes Voltage-gated Sodium Channel Inactivated State.

BACKGROUND:: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. METHODS:: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. RESULTS:: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6-1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2-2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4-15.5) to 30.0 s (21.8-31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. CONCLUSIONS:: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Selective inhibition of JNK with a peptide inhibitor attenuates pain hypersensitivity and tumor growth in a mouse skin cancer pain model.

Cancer pain significantly affects the quality of cancer patients, and current treatments for this pain are limited. C-Jun N-terminal kinase (JNK) has been implicated in tumor growth and neuropathic pain sensitization. We investigated the role of JNK in cancer pain and tumor growth in a skin cancer pain model. Injection of luciferase-transfected B16-Fluc melanoma cells into a hindpaw of mouse induced robust tumor growth, as indicated by increase in paw volume and fluorescence intensity. Pain hypersensitivity in this model developed rapidly (<5 days) and reached a peak in 2 weeks, and was characterized by mechanical allodynia and heat hyperalgesia. Tumor growth was associated with JNK activation in tumor mass, dorsal root ganglion (DRG), and spinal cord and a peripheral neuropathy, such as loss of nerve fibers in the hindpaw skin and induction of ATF-3 expression in DRG neurons. Repeated systemic injections of D-JNKI-1 (6 mg/kg, i.p.), a selective and cell-permeable peptide inhibitor of JNK, produced an accumulative inhibition of mechanical allodynia and heat hyperalgesia. A bolus spinal injection of D-JNKI-1 also inhibited mechanical allodynia. Further, JNK inhibition suppressed tumor growth in vivo and melanoma cell proliferation in vitro. In contrast, repeated injections of morphine (5 mg/kg), a commonly used analgesic for terminal cancer, produced analgesic tolerance after 1 day and did not inhibit tumor growth. Our data reveal a marked peripheral neuropathy in this skin cancer model and important roles of the JNK pathway in cancer pain development and tumor growth. JNK inhibitors such as D-JNKI-1 may be used to treat cancer pain.

Dysregulation of voltage-gated sodium channels by ubiquitin ligase NEDD4-2 in neuropathic pain.

Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of voltage-gated sodium channels (Navs) expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons. The mechanisms underlying the altered expression of Navs remain unknown. This study investigated the role of the E3 ubiquitin ligase NEDD4-2, which is known to ubiquitylate Navs, in the pathogenesis of neuropathic pain in mice. The spared nerve injury (SNI) model of traumatic nerve injury-induced neuropathic pain was used, and an Nav1.7-specific inhibitor, ProTxII, allowed the isolation of Nav1.7-mediated currents. SNI decreased NEDD4-2 expression in DRG cells and increased the amplitude of Nav1.7 and Nav1.8 currents. The redistribution of Nav1.7 channels toward peripheral axons was also observed. Similar changes were observed in the nociceptive DRG neurons of Nedd4L knockout mice (SNS-Nedd4L-/-). SNS-Nedd4L-/- mice exhibited thermal hypersensitivity and an enhanced second pain phase after formalin injection. Restoration of NEDD4-2 expression in DRG neurons using recombinant adenoassociated virus (rAAV2/6) not only reduced Nav1.7 and Nav1.8 current amplitudes, but also alleviated SNI-induced mechanical allodynia. These findings demonstrate that NEDD4-2 is a potent posttranslational regulator of Navs and that downregulation of NEDD4-2 leads to the hyperexcitability of DRG neurons and contributes to the genesis of pathological pain.

KIAA1985, a Protein Mutant in Charcot-Marie-Tooth Neuropathy, Links Peripheral Nerve Myelination to Endosomal Recycling Pathways

Charcot-Marie-Tooth neuropathy (CMT) represents a heterogenous group of inherited disorders of the peripheral nervous system. One form of autosomal recessive demyelinating CMT (CMT4C, 5q32) is caused by mutations in the gene encoding KIAA1985, a protein of so far unknown function. Here we show that KIAA1985 is exclusively expressed in Schwann cells. KIAA1985 is tethered to cellular membranes through an N-terminal myristic acid anchor and localizes to the perinuclear recycling compartment. A search for proteins that interact with KIAA1985 identified the small GTPase Rab11, a key regulator of recycling endosome functions. CMT4C-related missense mutations disrupt the KIAA1985/Rab11 interaction. Protein binding studies indicate that KIAA1985 functions as a Rab11 effector, as it interacts only with active forms of Rab11 (WT and Q70L) and does not interact with the GDP locked mutant (S25N). Consistent with a function of Rab11 in Schwann cell myelination, myelin formation was strongly impaired when dorsal root ganglion neurons were co-cultured with Schwann cells infected with Rab11 S25N. Our data indicate that the KIAA1985/Rab11 interaction is relevant for peripheral nerve pathophysiology and place endosomal recycling on the list of cellular mechanisms involved in Schwann cell myelination.

On regeneration and collateral sprouting to hind limb digits after sciatic nerve injury in the rat

This study examines the proportions of regenerative and collateral sprouting to the skin after peripheral nerve injury. Methods: In the first experimental paradigm, primary afferent neurones were pre-labelled with Diamidino Yellow (DY), injected in digit 3, followed by sciatic nerve section and repair. After three months of regeneration, digit 3 was re-injected with Fast Blue (FB) to label regernating cells. Fluoro-Gold (FG) was applied to the femoral (FEM) and musculocutaneous (MC) nervers four days later to quantify their contribution to the innveration. In the second experimental paradigm, sciatic nerve was first sectioned and repaired. Three months later, the sciatic was resected, and digit 3 injected with FB. After four more days, FEM and MC were resected and FG injected in all digits. Results: Neurones in dorsal root ganglion (DRG) L5 had a higher rate of correct reinnervation of digit 3 (44-72%) than neurones in DRG L4 (14-44%). Like in control cases, only occasional axons were traced from the FEM and MC. In the second experiment, only occasional labelled neurones appeared. Conclusions: The results indicate differences in the capacity for correct peripheral sensory reinnvervation between segmental levels and that in this model collateral sprouting was practically non-existent compared to regenerative sprouting.

Fast Blue and Diamidino Yellow as retrograde tracers in peripheral nerves: efficacy of combined nerve injection and capsule application to transected nerves in the adult rat

Capsule application of Diamidino Yellow (DY) to the cut end of the sciatic nerve immediately followed by capsule application of Fast Blue (FB) resulted in approximate to 95% double-labelled dorsal root ganglion neurones (DRGn) and motoneurones (Mn). Nerve injection of DY followed either immediately or 2 months later by capsule application of FB resulted in approximate to 90% double-labelled DRGn and Mn, indicating that DY and FB label similar populations of DRGn and Mn, and that insignificant DY fading occurred during this period. Inversing the order of application, however, i.e. nerve injection of FB followed immediately by capsule application of DY, resulted in double labelling in only approximate to 10% of the DRGn and Mn. These percentages increased to 70% of the DRGn and 60% of the Mn when the FB injection was followed 1 or 2 months after by the DY application, indicating that DY uptake is blocked by recent administration of FB. The results indicate that DY and FB might be useful for sequential labelling before and after nerve injury as a tool to investigate the accuracy of sensory and motor regeneration.

Persistence of tracer in the application site -a potential confounding factor in nerve regeneration studies

Selective reinnervation of peripheral targets after nerve injury might be assessed by injecting a first tracer in a target before nerve injury to label the original neuronal population, and applying a second tracer after the regeneration period to label the regenerated population. However, altered uptake of tracer, fading, and cell death may interfere with the results. Furthermore, if the first tracer injected remains in the target tissue, available for 're-uptake' by misdirected regenerating axons, which originally innervated another region, then the identification of the original population would be confused. With the aim of studying this problem, the sciatic nerve of adult rats was sectioned and sutured. After 3 days, to allow the distal axon to degenerate avoiding immediate retrograde transport, one of the dyes: Fast Blue (FB), Fluoro-Gold (FG) or Diamidino Yellow (DY), was injected into the tibial branch of the sciatic nerve, or in the skin of one of the denervated digits. Rats survived 2-3 months. The results showed labelled dorsal root ganglion (DRG) cells and motoneurones, indicating that late re-uptake of a first tracer occurs. This phenomenon must be considered when the model of sequential labelling is used for studying the accuracy of peripheral reinnervation.

Pharmacological immunomodulation enhances peripheral nerve regeneration

To assess the effect of N-Acetylmuramyl-L-Alanyl-D-Isoglutamine MDP topically administrated on the regenerating peripheral neurons, twelve male C57BL/6J adult mice were equally distributed into three groups. Four mice underwent unilateral sciatic nerve transection and polyethylene tubulization, with a 4mm gap between the proximal and distal nerve stumps and were implanted with collagen + PBS (COL). Other four animals underwent the same surgical procedure but received collagen + MDP (COL/MDP) inside the prosthesis. Four animals were not operated and served as control group (NOR). After 4 weeks, the regenerated nerve cables were processed for total myelinated axon counting and myelinated fiber diameter measurement. The L5 dorsal root ganglion (DRG) was also removed and sectioned for sensory neurons counting and measurement. The results revealed significant difference (p<0.05) in axonal counting among the groups NOR (4,355±32), COL (1,869±289) and COL/MDP (2,430±223). There was a significant reduction in the axonal diameter in the operated groups (COL=3.38µm±1.16 and COL/MDP=3.54µm±1.16) compared to NOR (6.19µm±2.45). No difference was found in the number of DRG neurons between the experimental groups (COL=564±51; COL/MDP=514±56), which presented fewer sensory neurons compared to NOR (1,097±142). Data obtained indicate that locally applied MDP stimulates peripheral nerve regeneration in mice.

Rôle et localisation intraspinale du récepteur B1 des kinines dans la douleur neuropathique

Le récepteur B1 des kinines (RB1) joue un rôle important dans l'inflammation et la nociception. Les sites de liaison du RB1 sont augmentés dans la moelle épinière et le ganglion de la racine dorsale (GRD) chez le rat après la ligature partielle du nerf sciatique (LPNS). Dans ce modèle classique de douleur neuropathique, le traitement aigu avec des antagonistes sélectifs du RB1 renverse l'hyperalgésie thermique mais non pas l’allodynie. Cette étude vise à définir dans ce modèle de LPNS: 1- les effets de traitements aigu et chronique avec des antagonistes du RB1 sur l’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid; 2- la contribution du TRPV1 et du stress oxydatif dans la composante de la douleur neuropathique associée au RB1; 3- l’expression du RB1 au niveau de la moelle épinière lombaire, le GRD et le nerf sciatique par RT-PCR quantitatif (Reverse transcriptase-polymerase chain reaction); 4- la localisation cellulaire du RB1 dans la moelle épinière lombaire par microscopie confocale. L’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid ont été mesurées par le réflexe de retrait de la patte arrière après l’application à la surface plantaire d’une source radiante de chaleur (méthode Hargreaves), de filaments de Von Frey et d’une goutte d’acétone qui produit une sensation de froid par évaporation. Nous avons montré, dans un premier temps, que l'hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid sont renversées par un traitement chronique avec l’antagoniste du RB1, SSR240612, administré par gavage à raison de 10 mg /kg/jr entre le 15 e et le 20 e jour après la ligature du nerf sciatique et par un traitement antioxydant, la N-acétyl-L-cystéine, administrée par gavage à la dose de 1g/kg/jr, 4jours précédant la ligature et pendant les 2 semaines après la ligature. Un traitement aigu avec le ii SSR240612 (10 mg/kg) ou avec un antagoniste du RB1 qui ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique, le R-954 (2mg/kg, s.c.), n’a bloqué que l’hyperalgésie thermique. Dans un second temps, l’antagoniste du TRPV1, le SB366791, administré à raison de 1 mg/kg/jr par voie sous-cutanée du j-1 au j-14 a renversé l’allodynie tactile et l’hyperalgésie thermique. De plus, nous avons noté deux semaines après la LPNS, des augmentations significatives des niveaux d'ARNm du RB1 dans la moelle épinière lombaire, le nerf sciatique et le GRD du côté ipsilatéral à la ligature. Ces augmentations ont été renversées par le traitement avec la N-acétyl-L-cystéine et l’antagoniste du TRPV1. Le RB1 a été localisé au niveau des fibres de type C avec le marquage au CGRP (Calcitonin Gene-Related Peptide) et au niveau de la microglie utilisant le marquage au Iba-1 dans la moelle épinière lombaire des rats ayant subi une LPNS, 2 semaines plus tôt. Au terme de cette étude, nous avons suggéré que la surexpression du RB1 sur les fibres de type C contribuerait à l’hyperalgésie thermique alors que le RB1 sur la microglie dans la moelle épinière contribuerait aux allodynies tactile et au froid dans le modèle LPNS chez le rat. Le stress oxydatif pourrait être impliqué dans l’induction du RB1. Bien que le rôle du TRPV1 semble plutôt limité à la douleur thermique, il pourrait cependant agir via le RB1 sur les fibres de type C.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

Trypsin IV or mesotrypsin and p23 cleave protease-activated receptors 1 and 2 to induce inflammation and hyperalgesia

Although principally produced by the pancreas to degrade dietary proteins in the intestine, trypsins are also expressed in the nervous system and in epithelial tissues, where they have diverse actions that could be mediated by protease-activated receptors (PARs). We examined the biological actions of human trypsin IV (or mesotrypsin) and rat p23, inhibitor-resistant forms of trypsin. The zymogens trypsinogen IV and pro-p23 were expressed in Escherichia coli and purified to apparent homogeneity. Enteropeptidase cleaved both zymogens, liberating active trypsin IV and p23, which were resistant to soybean trypsin inhibitor and aprotinin. Trypsin IV cleaved N-terminal fragments of PAR(1), PAR(2), and PAR(4) at sites that would expose the tethered ligand (PAR(1) = PAR(4) > PAR(2)). Trypsin IV increased [Ca(2+)](i) in transfected cells expressing human PAR(1) and PAR(2) with similar potencies (PAR(1), 0.5 microm; PAR(2), 0.6 microm). p23 also cleaved fragments of PAR(1) and PAR(2) and signaled to cells expressing these receptors. Trypsin IV and p23 increased [Ca(2+)](i) in rat dorsal root ganglion neurons that responded to capsaicin and which thus mediate neurogenic inflammation and nociception. Intraplantar injection of trypsin IV and p23 in mice induced edema and granulocyte infiltration, which were not observed in PAR (-/-)(1)(trypsin IV) and PAR (-/-)(2) (trypsin IV and p23) mice. Trypsin IV and p23 caused thermal hyperalgesia and mechanical allodynia and hyperalgesia in mice, and these effects were absent in PAR (-/-)(2) mice but maintained in PAR (-/-)(1) mice. Thus, trypsin IV and p23 are inhibitor-resistant trypsins that can cleave and activate PARs, causing PAR(1)- and PAR(2)-dependent inflammation and PAR(2)-dependent hyperalgesia.

High sensitivity recording of afferent nerve activity using ultra-compliant microchannel electrodes: an acutein vivovalidation

Neuroprostheses interfaced with transected peripheral nerves are technological routes to control robotic limbs as well as convey sensory feedback to patients suffering from traumatic neural injuries or degenerative diseases. To maximize the wealth of data obtained in recordings, interfacing devices are required to have intrafascicular resolution and provide high signal-to-noise ratio (SNR) recordings. In this paper, we focus on a possible building block of a three-dimensional regenerative implant: a polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel electrode capable of highly sensitive recordings in vivo. The PDMS 'micro-cuff' consists of a 3.5 mm long (100 µm × 70 µm cross section) microfluidic channel equipped with five evaporated Ti/Au/Ti electrodes of sub-100 nm thickness. Individual electrodes have average impedance of 640 ± 30 kΩ with a phase angle of −58 ± 1 degrees at 1 kHz and survive demanding mechanical handling such as twisting and bending. In proof-of-principle acute implantation experiments in rats, surgically teased afferent nerve strands from the L5 dorsal root were threaded through the microchannel. Tactile stimulation of the skin was reliably monitored with the three inner electrodes in the device, simultaneously recording signal amplitudes of up to 50 µV under saline immersion. The overall SNR was approximately 4. A small but consistent time lag between the signals arriving at the three electrodes was observed and yields a fibre conduction velocity of 30 m s−1. The fidelity of the recordings was verified by placing the same nerve strand in oil and recording activity with hook electrodes. Our results show that PDMS microchannel electrodes open a promising technological path to 3D regenerative interfaces.

Compliant Multi-electrode Micro-channel Array for Recording Afferent Nerve Activity

We have fabricated a compliant neural interface to record afferent nerve activity. Stretchable gold electrodes were evaporated on a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate and were encapsulated using photo-patternable PDMS. The built-in microstructure of the gold film on PDMS allows the electrodes to twist and flex repeatedly, without loss of electrical conductivity. PDMS microchannels (5mm long, 100μm wide, 100μm deep) were then plasma bonded irreversibly on top of the electrode array to define five parallel-conduit implants. The soft gold microelectrodes have a low impedance of ~200kΩ at the 1kHz frequency range. Teased nerves from the L6 dorsal root of an anaesthetized Sprague Dawley rat were threaded through the microchannels. Acute tripolar recordings of cutaneous activity are demonstrated, from multiple nerve rootlets simultaneously. Confinement of the axons within narrow microchannels allows for reliable recordings of low amplitude afferents. This electrode technology promises exciting applications in neuroprosthetic devices including bladder fullness monitors and peripheral nervous system implants.