Modulation of electrical stimulation applied to human physiology and clinical diagnostic

The use, manipulation and application of electrical currents, as a controlled interference mechanism in the human body system, is currently a strong source of motivation to researchers in areas such as clinical, sports, neuroscience, amongst others. In electrical stimulation (ES), the current applied to tissue is traditionally controlled concerning stimulation amplitude, frequency and pulse-width. The main drawbacks of the transcutaneous ES are the rapid fatigue induction and the high discomfort induced by the non-selective activation of nervous fibers. There are, however, electrophysiological parameters whose response, like the response to different stimulation waveforms, polarity or a personalized charge control, is still unknown. The study of the following questions is of great importance: What is the physiological effect of the electric pulse parametrization concerning charge, waveform and polarity? Does the effect change with the clinical condition of the subjects? The parametrization influence on muscle recruitment can retard fatigue onset? Can parametrization enable fiber selectivity, optimizing the motor fibers recruitment rather than the nervous fibers, reducing contraction discomfort? Current hardware solutions lack flexibility at the level of stimulation control and physiological response assessment. To answer these questions, a miniaturized, portable and wireless controlled device with ES functions and full integration with a generic biosignals acquisition platform has been created. Hardware was also developed to provide complete freedom for controlling the applied current with respect to the waveform, polarity, frequency, amplitude, pulse-width and duration. The impact of the methodologies developed is successfully applied and evaluated in the contexts of fundamental electrophysiology, psycho-motor rehabilitation and neuromuscular disorders diagnosis. This PhD project was carried out in the Physics Department of Faculty of Sciences and Technology (FCT-UNL), in straight collaboration with PLUX - Wireless Biosignals S.A. company and co-funded by the Foundation for Science and Technology.

T-type Ca2+ channels, SK2 channels and SERCAs gate sleep-related oscillations in thalamic dendrites.

T-type Ca2+ channels (T channels) underlie rhythmic burst discharges during neuronal oscillations that are typical during sleep. However, the Ca2+-dependent effectors that are selectively regulated by T currents remain unknown. We found that, in dendrites of nucleus reticularis thalami (nRt), intracellular Ca2+ concentration increases were dominated by Ca2+ influx through T channels and shaped rhythmic bursting via competition between Ca2+-dependent small-conductance (SK)-type K+ channels and Ca2+ uptake pumps. Oscillatory bursting was initiated via selective activation of dendritically located SK2 channels, whereas Ca2+ sequestration by sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPases (SERCAs) and cumulative T channel inactivation dampened oscillations. Sk2-/- (also known as Kcnn2) mice lacked cellular oscillations, showed a greater than threefold reduction in low-frequency rhythms in the electroencephalogram of non-rapid-eye-movement sleep and had disrupted sleep. Thus, the interplay of T channels, SK2 channels and SERCAs in nRt dendrites comprises a specialized Ca2+ signaling triad to regulate oscillatory dynamics related to sleep.

Viral superantigen drives extrafollicular and follicular B cell differentiation leading to virus-specific antibody production.

Mouse mammary tumor virus (MMTV[SW]) encodes a superantigen expressed by infected B cells. It evokes an antibody response specific for viral envelope protein, indicating selective activation of antigen-specific B cells. The response to MMTV(SW) in draining lymph nodes was compared with the response to haptenated chicken gamma globulin (NP-CGG) using flow cytometry and immunohistology. T cell priming occurs in both responses, with T cells proliferating in association with interdigitating dendritic cells in the T zone. T cell proliferation continues in the presence of B cells in the outer T zone, and B blasts then undergo exponential growth and differentiation into plasma cells in the medullary cords. Germinal centers develop in both responses, but those induced by MMTV(SW) appear later and are smaller. Most T cells activated in the T zone and germinal centers in the MMTV(SW) response are superantigen specific and these persist for weeks in lymph nodes draining the site MMTV(SW) injection: this contrasts with the selective loss of superantigen-specific T cells from other secondary lymphoid tissues. The results indicate that this viral superantigen, when expressed by professional antigen-presenting cells, drives extrafollicular and follicular B cell differentiation leading to virus-specific antibody production.

Peptide modification or blocking of CD8, resulting in weak TCR signaling, can activate CTL for Fas- but not perforin-dependent cytotoxicity or cytokine production.

This study describes a form of partial agonism for a CD8+ CTL clone, S15, in which perforin-dependent killing and IFN-gamma production were lost but Fas (APO1 or CD95)-dependent cytotoxicity preserved. Cloned S15 CTL are H-2Kd restricted and specific for a photoreactive derivative of the Plasmodium berghei circumsporozoite peptide PbCS 252-260 (SYIPSAEKI). The presence of a photoactivatable group in the epitope permitted assessment of TCR-ligand binding by TCR photoaffinity labeling. Selective activation of Fas-dependent killing was observed for a peptide-derivative variant containing a modified photoreactive group. A similar functional response was obtained after binding of the wild-type peptide derivative upon blocking of CD8 participation in TCR-ligand binding. The epitope modification or blocking of CD8 resulted in an > or = 8-fold decrease in TCR-ligand binding. In both cases, phosphorylation of zeta-chain and ZAP-70, as well as calcium mobilization were reduced close to background levels, indicating that activation of Fas-dependent cytotoxicity required weaker TCR signaling than activation of perforin-dependent killing or IFN-gamma production. Consistent with this, we observed that depletion of the protein tyrosine kinase p56(lck) by preincubation of S15 CTL with herbimycin A severely impaired perforin- but not Fas-dependent cytotoxicity. Together with the observation that S15 CTL constitutively express Fas ligand, these results indicate that TCR signaling too weak to elicit perforin-dependent cytotoxicity or cytokine production can induce Fas-dependent cytotoxicity, possibly by translocation of preformed Fas ligand to the cell surface.

P2Y1 receptor-evoked glutamate exocytosis from astrocytes: control by tumor necrosis factor-alpha and prostaglandins.

ATP, released by both neurons and glia, is an important mediator of brain intercellular communication. We find that selective activation of purinergic P2Y1 receptors (P2Y1R) in cultured astrocytes triggers glutamate release. By total internal fluorescence reflection imaging of fluorescence-labeled glutamatergic vesicles, we document that such release occurs by regulated exocytosis. The stimulus-secretion coupling mechanism involves Ca2+ release from internal stores and is controlled by additional transductive events mediated by tumor necrosis factor-alpha (TNFalpha) and prostaglandins (PG). P2Y1R activation induces release of both TNFalpha and PGE2 and blocking either one significantly reduces glutamate release. Accordingly, astrocytes from TNFalpha-deficient (TNF(-/-)) or TNF type 1 receptor-deficient (TNFR1(-/-)) mice display altered P2Y1R-dependent Ca2+ signaling and deficient glutamate release. In mixed hippocampal cultures, the P2Y1R-evoked process occurs in astrocytes but not in neurons or microglia. P2Y1R stimulation induces Ca2+ -dependent glutamate release also from acute hippocampal slices. The process in situ displays characteristics resembling those in cultured astrocytes and is distinctly different from synaptic glutamate release evoked by high K+ stimulation as follows: (a) it is sensitive to cyclooxygenase inhibitors; (b) it is deficient in preparations from TNF(-/-) and TNFR1(-/-) mice; and (c) it is inhibited by the exocytosis blocker bafilomycin A1 with a different time course. No glutamate release is evoked by P2Y1R-dependent stimulation of hippocampal synaptosomes. Taken together, our data identify the coupling of purinergic P2Y1R to glutamate exocytosis and its peculiar TNFalpha- and PG-dependent control, and we strongly suggest that this cascade operates selectively in astrocytes. The identified pathway may play physiological roles in glial-glial and glial-neuronal communication.

Neurophysiological effects of vasopressin and oxytocin in the central amygdala of the rat : a potential mechanism for the opposite modulation of anxiety and fear behavior

Abstract The amygdala is a group of nuclei in the temporal lobe of the brain that plays a crucial role in anxiety and fear behavior. Sensory information converges in the basolateral and lateral nuclei of the amygdala, which have been the first regions in the brain where the acquisition of new (fear) memories has been associated with long term changes in synaptic transmission. These nuclei, in turn, project to the central nucleus of the amygdala. The central amygdala, through its extensive projections to numerous nuclei in the midbrain and brainstem, plays a pivotal role in the orchestration of the rapid autonomic and endocrine fear responses. In the central amygdala a large number of neuropeptides and receptors is expressed, among which high levels of vasopressin and oxytocin receptors. Local injections of these peptides into the amygdala modulate several aspects of the autonomic fear reaction. Interestingly, their effects are opposing: vasopressin tends to enhance the fear reactions, whereas oxytocin has anxiolytic effects. In order to investigate the neurophysiological mechanisms that could underlie this opposing modulation of the fear behavior, we studied the effects of vasopressin and oxytocin on the neuronal activity in an acute brain slice preparation of the rat central amygdala. We first assessed the effects of vasopressin and oxytocin on the spontaneous activity of central amygdala neurons. Extracellular single unit recordings revealed two major populations of neurons: a majority of neurons was excited by vasopressin and inhibited by oxytocin, whereas other neurons were only excited by oxytocin receptor activation. The inhibitory effect of oxytocin could be reduced by the block of GABAergic transmission, whereas the excitatory effects of vasopressin and oxytocin were not affected. In a second step we identified the cellular mechanisms for the excitatory effects of both peptides as well as the morphological and biochemical mechanisms underlying the opposing effects, by using sharp electrode recordings together with intracellular labelings. We revealed that oxytocin-excited neurons are localized in the lateral part (CeL) whereas vasopressin excited cells are found in the medial part of the central amygdala (CeM). The tracing of the neuronal morphology showed that the axon collaterals of the oxytocin-excited neurons project from the CeL, far into the CeM. Combined immunohistochemical stainings indicated that these projections are GABAergic. In the third set of experiments we investigated the synaptic interactions between the two identified cell populations. Whole-cell patch-clamp recordings in the CeM revealed that the inhibitory effect of oxytocin was caused by the massive increase of inhibitory GABAergic currents, which was induced by the activation of CeL neurons. Finally, the effects of vasopressin and oxytocin on evoked activity were investigated. We found on the one hand, that the probability of evoking action potentials in the CeM by stimulating the basolateral amygdala afferents was enhanced under vasopressin, whereas it decreased under oxytocin. On the other hand, the impact of cortical afferents stimulation on the CeL neurons was enhanced by oxytocin application. Taken together, these findings have allowed us to develop a model, in which the opposing behavioral effects of vasopressin and oxytocin are caused by a selective activation of two distinct populations of neurons in the GABAergic network of the central amygdala. Our model could help to develop new anxiolytic treatments, which modulate simultaneously both receptor systems. By acting on a GABAergic network, such treatments can further be tuned by combinations with classical benzodiazepines. Résumé: L'amygdale est un groupe de noyaux cérébraux localisés dans le lobe temporal. Elle joue un rôle essentiel dans les comportements liés à la peur et l'anxiété. L'information issue des aires sensorielles converge vers les noyaux amygdaliens latéraux et basolatéraux, qui sont les projections vers différents noyaux du tronc cérébral et de l'hypothalamus, joue un rôle clef premières régions dans lesquelles il a été démontré que l'acquisition d'une nouvelle mémoire (de peur) était associée à des changements à long terme de la transmission synaptique. Ces noyaux envoient leurs projections sur l'amygdale centrale, qui à travers ses propres dans l'orchestration des réponses autonomes et endocrines de peur. Le contrôle de l'activité neuronale dans l'amygdale centrale module fortement la réaction de peur. Ainsi, un grand nombre de neuropeptides sont spécifiquement exprimés dans l'amygdale centrale et un bon nombre d'entre eux interfère dans la réaction de peur et d'anxiété. Chez les rats, une forte concentration de récepteurs à l'ocytocine et à la vasopressine est exprimée dans le noyau central, et l'injection de ces peptides dans l'amygdale influence différents aspects de la réaction viscérale associée à la peur. Il est intéressant de constater que ces peptides exercent des effets opposés. Ainsi, la vasopressine augmente la réaction de peur alors que l'ocytocine a un effet anxiolytique. Afin d'investiguer les mécanismes neurophysiologiques responsables de ces effets opposés, nous avons étudié l'effet de la vasopressine et de l'ocytocine sur l'activité neuronale de préparations de tranches de cerveau de rats contenant entre autres de l'amygdale centrale. Tout d'abord, notre intérêt s'est porté sur les effets de ces deux neuropeptides sur l'activité spontanée dans l'amygdale centrale. Des enregistrements extracellulaires ont révélé différentes populations de neurones ; une majorité était excitée par la vasopressine et inhibée par l'ocytocine ; d'autres étaient seulement excités par l'activation du récepteur à l'ocytocine. L'effet inhibiteur de l'ocytocine a pu être réduit par l'inhibition de la transmission GABAergique, alors que ses effets excitateurs n'étaient pas affectés. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les mécanismes cellulaires responsables de l'effet excitateur de ces deux peptides et analysé les caractéristiques morphologiques et biochimiques des neurones affectés. Des enregistrements intracellulaires ont permis de localiser les neurones excités par l'ocytocine dans la partie latérale de l'amygdale centrale (CeL), et ceux excités par la vasopressine dans sa partie médiale (CeM). Le traçage morphologique des neurones a révélé que les collatérales axonales des cellules excitées par l'ocytocine projetaient du CeL loin dans le CeM. De plus, des colorations immuno-histochimiques ont révélé que ces projections étaient GABAergiques. Dans un troisième temps, nous avons étudié les interactions synaptiques entre ces deux populations de cellules. Les enregistrements en whole-cell patch-clamp dans le CeM ont démontré que les effets inhibiteurs de l'ocytocine résultaient de l'augmentation massive des courants GABAergique résultant de l'activation des neurones dans le CeL. Finalement, les effets de l'ocytocine et de la vasopressine sur l'activité évoquée ont été étudiés. Nous avons pu montrer que la probabilité d'évoquer un potentiel d'action dans le CeM, par stimulation de l'amygdale basolatérale, était augmentée sous l'effet de la vasopressine et diminuée sous l'action de l'ocytocine. Par contre, l'impact de la stimulation des afférences corticales sur les neurones du CeL était augmenté par l'application de l'ocytocine. L'ensemble de ces résultats nous a permis de développer un modèle dans lequel les effets comportementaux opposés de la vasopressine et de l'ocytocine sont causés par une activation sélective des deux différentes populations de neurones dans un réseau GABAergique. Un tel modèle pourrait mener au développement de nouveaux traitements anxiolytiques en modulant l'activité des deux récepteurs simultanément. En agissant sur un réseau GABAergique, les effets d'un tel traitement pourraient être rendus encore plus sélectifs en association avec des benzodiazépines classiques.

Important role of ventromedial hypothalamic carnitine palmitoyltransferase-1a in the control of food intake

Carnitine palmitoyltransferase-1 (CPT-1) liver isoform or CPT-1a is implicated in CNS control of food intake. However, the exact brain nucleus site(s) in mediating this action of CPT-1a has not been identified. In this report, we assess the role of CPT-1a in hypothalamic ventromedial nucleus (VMN). We stereotaxically injected an adenoviral vector containing CPT-1a coding sequence into the VMN of rats to induce overexpression and activation of CPT-1a. The VMN-selective activation of CPT-1a induced orexigenic effect, suggesting CPT-1a in the VMN is involved in the central control of feeding. Intracerebroventricular administration of etomoxir, a CPT-1 inhibitor, decreases food intake. Importantly, in the animals with VMN-overexpression of a CPT-1a mutant that antagonizes the CPT-1 inhibition by etomoxir, the anorectic response to etomoxir was attenuated. This suggests that VMN is involved in mediating the anorectic effect of central inhibition of CPT-1a. In contrast, Arc overexpression of the mutant did not alter etomoxir-induced inhibition of food intake, suggesting that Arc CPT-1a does not play significant roles in this anorectic action. Furthermore, in the VMN, CPT-1a appears to act downstream of hypothalamic malonyl-CoA action of feeding. Finally, we show that in the VMN, CPT-1 activity altered in concert with fasting and refeeding states, supporting a physiological role of CPT-1a in mediating the control of feeding. Taking together, CPT-1a in the hypothalamic VMN appears to play an important role in the central control of food intake. VMN-selective modulation of CPT-1a activity may therefore be a promising strategy in controlling food intake and maintaining normal body weight.

Reovirus infection activates JNK and the JNK-dependent transcription factor c-Jun.

Viral infection often perturbs host cell signaling pathways including those involving mitogen-activated protein kinases (MAPKs). We now show that reovirus infection results in the selective activation of c-Jun N-terminal kinase (JNK). Reovirus-induced JNK activation is associated with an increase in the phosphorylation of the JNK-dependent transcription factor c-Jun. Reovirus serotype 3 prototype strains Abney (T3A) and Dearing (T3D) induce significantly more JNK activation and c-Jun phosphorylation than does the serotype 1 prototypic strain Lang (T1L). T3D and T3A also induce more apoptosis in infected cells than T1L, and there was a significant correlation between the ability of these viruses to phosphorylate c-Jun and induce apoptosis. However, reovirus-induced apoptosis, but not reovirus-induced c-Jun phosphorylation, is inhibited by blocking TRAIL/receptor binding, suggesting that apoptosis and c-Jun phosphorylation involve parallel rather than identical pathways. Strain-specific differences in JNK activation are determined by the reovirus S1 and M2 gene segments, which encode viral outer capsid proteins (sigma1 and mu1c) involved in receptor binding and host cell membrane penetration. These same gene segments also determine differences in the capacity of reovirus strains to induce apoptosis, and again a significant correlation between the capacity of T1L x T3D reassortant reoviruses to both activate JNK and phosphorylate c-Jun and to induce apoptosis was shown. The extracellular signal-related kinase (ERK) is also activated in a strain-specific manner following reovirus infection. Unlike JNK activation, ERK activation could not be mapped to specific reovirus gene segments, suggesting that ERK activation and JNK activation are triggered by different events during virus-host cell interaction.

Pró-fármaco ativado por enzima, uma estratégia promissora na quimioterapia

Strategies that promote selective activation of prodrugs by enzymes can be divided into two major classes: 1) deliver of a monoclonal antibody-enzyme immunoconjugate that can recognize a specific antigen and promote the prodrug to a citotoxic drug, with a high selectivity for the target cells, and 2) selective gene delivery encoding an enzyme that can promote the prodrug to a citotoxic drug for the target cells. In this article are discussed ADEPT (antibody-directed enzyme prodrug therapy), GDEPT (gene-directed enzyme prodrug therapy), VDEPT (virus-directed enzyme prodrug therapy), GPAT (genetic prodrug activation therapy) and PDEPT (polymer-directed enzyme prodrug therapy) approaches, their clinical trials, advantages, disadvantages and perspectives.

New mechanisms regulating human Th1 and Th2 cell differentiation

Selective development of human T helper (Th) cells into functionally distinct Th1 and Th2 subtypes plays an essential role in the host immune response towards pathogens. However, abnormal function or differentiation of these cells can lead to development of various autoimmune diseases as well as asthma and allergy. Therefore, identification of key factors and the molecular mechanisms mediating Th1 and Th2 cell differentiation is important for understanding the molecular mechanisms of these diseases. The goal of this study was to identify novel factors involved in the regulation of Th1 and Th2 differentiation processes. A new method was optimized for enrichment of transiently transfected resting human primary T lymphocytes, that allowed the study of the influence of genes of interest in human Th1/Th2 cell differentiation and other primary Th cell functions. Functional characterization of PRELI, a novel activation-induced protein in human Th cells, identified it as a mitochondrial protein involved in the regulation of Th cell differentiation and apoptosis. By influencing the intracellular redox state, PRELI induces mitochondrial apoptosis pathway and downregulates STAT6 and Th2 differentiation. The data suggested that Calpain, an oxidative stress induced cysteine protease, is involved as a mediator in PRELI-induced downregulation of STAT6. PIM serine/threonine-specific kinases were identified as new regulators of human Th1 cell differentiation. PIM1 and PIM2 kinases were shown to be preferentially expressed in Th1 cells as compared to Th2 cells. RNA interference studies showed that PIM kinases enhance the production of IFN, the hallmark cytokine produced by Th1 cells. They also induce the expression of the key Th1-driving factor T-bet and the IL-12 signaling pathway during early phases of Th1 cell differentiation. Taken together, new regulators of human T helper cell differentiation were identified in this study, which provides new insights into the signaling mechanisms controlling the selective activation of human Th cell subsets.

Glutamatergic transmission in the nucleus tractus solitarii: from server to peripherals in the cardiovascular information superhighway

Afferent nerves carrying signals from mechanoreceptors in the aortic arch and carotid sinus terminate predominantly in the nucleus tractus solitarii (NTS). Signal transduction and neurotransmission in the NTS are critical for central cardiovascular reflex control, but little was known about either until the late 1970's. None of the numerous neuroactive chemicals found in the NTS had met strict criteria as a neurotransmitter in the baroreflex arc until data suggested that the excitatory amino acid L-glutamate (GLU) might be released from baroreceptor afferent terminals in the NTS. In anesthetized animals microinjection into the NTS of GLU, which can be demonstrated in terminals in the NTS, produces cardiovascular responses like those seen with activation of the baroreceptor reflex. Similar responses occur in awake animals if the chemoreceptor reflex is eliminated; otherwise, in conscious animals responses mimic those of chemoreceptor reflex activation. GLU is released in the NTS upon selective activation of the baroreceptor, and possibly the chemoreceptor, reflex. Responses to selective agonists as well as baroreflex responses are eliminated by GLU antagonists microinjected into the NTS. Non-NMDA (N-methyl-D-aspartic acid) receptors seem to predominate at primary baroreceptor synapses in the NTS while NMDA receptors may be involved at later synapses. Although inhibition of soluble guanylate cyclase attenuates responses to ionotropic glutamate agonists in the NTS, nitric oxide does not seem to play a role in glutamate transmission in the NTS. GLU may also participate in transmission at cardiovascular neurons beyond the NTS. For example, a role has been suggested for GLU in the ventrolateral medulla and spinal cord. Work continues concerning GLU signal transduction and mechanisms that modulate that transduction both at the NTS and at other cardiovascular nuclei

Le VEGF induit la synthèse du PAF par l’entremise de l’activation du VEGFR-2 : identification des phosphotyrosines impliquées

Notre laboratoire a démontré que la capacité proinflammatoire du vascular endothelial growth factor (VEGF-A165) implique la synthèse endothéliale du facteur d’activation plaquettaire (PAF) via l’activation du récepteur tyrosine kinase homodimérique VEGFR-2/R-2. La synthèse du PAF requiert l’activation de la p38 MAPK et p42/44 MAPK qui activent la phospholipase A2 secrétée de type V (sPLA2-V). Nous avons découvert que la synthèse aigue de prostacycline (PGI2) induite par le VEGF-A165 requiert l’activation des récepteurs hétérodimériques VEGFR-1/R-2. L’activation sélective des récepteurs du VEGF peut donc agir comme balance dans la synthèse de facteurs pro-(PAF) et anti-(PGI2) inflammatoire. Cependant, les tyrosines impliquées dans la transphosphorylation de VEGFR-2/R-2 menant à la synthèse du PAF sont inconnues. Par mutagenèse dirigée, nous avons effectué des transfections transitoires de cellules endothéliales avec des plasmides codant pour le VEGFR-2 dont les tyrosines ciblées ont été remplacées de façon séquentielle par une phénylalanine. Un vecteur vide pcDNA a été utilisé comme contrôle négatif. La stimulation des cellules endothéliales de l’aorte bovine (BAEC) transfectées avec le VEGF-A165 (1nM) pendant 15 minutes augmente la synthèse du PAF de 300%, laquelle était similaire dans les BAEC non transfectées. Dans les BAEC transfectées avec les vecteurs pcDNA codant pour les mutations Y801F, Y1059F, Y1175F et Y1214F, nous avons observé une réduction de 54, 73, 68, et 57% respectivement de la synthèse du PAF induite par le VEGF par rapport au pcDNA témoin. Nos résultats apportent un nouvel aperçu sur le mécanisme par lequel le VEGF induit la synthèse du PAF qui est connu pour sa contribution dans l’activité pro-inflammatoire du VEGF.

Le rôle des cellules gliales de Müller dans la mort des cellules ganglionnaires de la rétine par des mécanismes cellulaires non-autonomes

Les cellules gliales sont essentielles au fonctionnement du système nerveux. Dans la rétine, les cellules gliales de Müller assurent à la fois l’homéostasie du tissu et la protection des neurones, notamment celle des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). L’hypothèse principale de la thèse est que les cellules de Müller joueraient un rôle primordial dans la survie neuronale tant au plan de la signalisation des neurotrophines/proneurotrophines par suite d’une blessure que lors des mécanismes d’excitotoxicité. Contrairement au brain-derived neurotrophic factor (BDNF), le nerve growth factor (NGF) n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs après une section du nerf optique. Le premier objectif de la thèse a donc été de localiser les récepteurs p75NTR et TrkA du NGF dans la rétine adulte et d’établir leur fonction respective en utilisant des ligands peptidomimétiques agonistes ou antagonistes spécifiques pour chacun des récepteurs. Nos résultats ont démontré que TrkA est surexprimé par les CGRs après l’axotomie, tandis que p75NTR est spécifiquement exprimé par les cellules de Müller. Alors que NGF n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs, l’activation spécifique de TrkA par des ligands peptidomimétique est nettement neuroprotectrice. De façon surprenante, le blocage sélectif de p75NTR ou l’absence de celui-ci protège les CGRs de la mort induite par l’axotomie. De plus, la combinaison de NGF avec l’antagoniste de p75NTR agit de façon synergique sur la survie des CGRS. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel le récepteur p75NTR exprimé par les cellules gliales de Müller peut grandement influencer la survie neuronale. Ensuite, nous avons voulu déterminer l’effet des proneurotrophines dans la rétine adulte. Nous avons démontré que l’injection de proNGF induit la mort des CGRs chez le rat et la souris par un mécanisme dépendant de p75NTR. L’expression de p75NTR étant exclusive aux cellules de Müller, nous avons testé l’hypothèse que le proNGF active une signalisation cellulaire non-autonome qui aboutit à la mort des CGRs. En suivant cette idée, nous avons montré que le proNGF induit une forte expression du tumor necrosis factor α (TNFα) dans les cellules de Müller et que l’inhibition du TNF bloque la mort neuronale induite par le proNGF. L’utilisation de souris knock-out pour la protéine p75NTR, son co-récepteur sortiline, ou la protéine adaptatrice NRAGE a permis de montrer que la production de TNF par les cellules gliales était dépendante de ces protéines. Le proNGF semble activer une signalisation cellulaire non-autonome qui cause la mort des neurones de façon dépendante du TNF in vivo. L’hypothèse centrale de l’excitotoxicité est que la stimulation excessive des récepteurs du glutamate sensibles au N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) est dommageable pour les neurones et contribue à plusieurs maladies neurodégénératives. Les cellules gliales sont soupçonnées de contribuer à la mort neuronale par excitotoxicité, mais leur rôle précis est encore méconnu. Le dernier objectif de ma thèse était d’établir le rôle des cellules de Müller dans cette mort neuronale. Nos résultats ont démontré que l’injection de NMDA induit une activation du nuclear factor κB (NF-κB) dans les cellules de Müller, mais pas dans les CGRs, et que l’utilisation d’inhibiteurs du NF-κB empêche la mort des CGRs. De plus, nous avons montré que les cellules de Müller en réaction à l’activation du NF-κB produisent la protéine TNFα laquelle semble être directement impliquée dans la mort des CGRs par excitotoxicité. Cette mort cellulaire se produit principalement par l’augmentation à la surface des neurones des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, un phénomène dépendant du TNFα. Ces donnés révèlent un nouveau mécanisme cellululaire non-autonome par lequel les cellules gliales peuvent exacerber la mort neuronale lors de la mise en jeu de mécanismes excitotoxiques.

Étude de la pharmacologie de ligands du récepteur EP4 de prostaglandine E2

La prostaglandine E2 est une hormone lipidique produite abondamment dans le corps, incluant dans le rein où elle agit localement pour réguler les fonctions rénales. Un couplage à la protéine Gαs menant à une production d’AMPc a classiquement été attribué au récepteur EP4 de PGE2. La signalisation d’EP4 s’est cependant avérée plus complexe et implique aussi un couplage aux protéines sensibles à la PTX Gαi et des effets reliés aux β-arrestines. Il y a maintenant plusieurs exemples de l’activation sélective de voies de signalisation indépendantes par des ligands des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), et ce concept désigné sélectivité fonctionnelle pourrait être exploité dans le développement de nouveaux médicaments plus spécifiques et efficaces. Dans une première étude, la puissance et l’activité intrinsèque d’une série de ligands d’EP4 pour l’activation de Gαs, Gαi et de la ß-arrestine ont été systématiquement déterminées relativement au ligand endogène PGE2. Dans ce but, trois essais de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) ont été adaptés pour évaluer les différentes voies dans des cellules vivantes. Nos résultats montrent une sélectivité fonctionnelle importante parmi les agonistes évalués et ont une implication pour l’utilisation d’analogues de la PGE2 dans un contexte expérimental et possiblement clinique, puisque leur spectre d’activité diffère de l’agoniste naturel. La méthodologie basée sur le BRET utilisée lors de cette première évaluation systématique d’une série d’agonistes d’EP4 devrait être applicable à l’étude d’autres RCPG. Dans une deuxième étude, des peptides reproduisant des régions juxtamembranaires extracellulaires du récepteur EP4 ont été conçus selon le raisonnement que des peptides ciblant des régions éloignées du site de liaison du ligand naturel ont le potentiel de ne moduler qu’une partie des activités du récepteur. L’insuffisance rénale aiguë est une complication médicale grave caractérisée par un déclin brusque et soutenu de la fonction rénale et pour laquelle il n’y a pas de traitement efficace à l’heure actuelle. Nos résultats montrent que le peptidomimétique dérivé d’EP4 optimisé (THG213.29) améliore significativement les fonctions rénales et les changements histologiques dans une insuffisance rénale aiguë induite par cisplatine ou par occlusion des artères rénales dans des rats Sprague-Dawley. Le THG213.29 ne compétitionnait pas la liaison de la PGE2 à EP4, mais modulait la cinétique de dissociation de la PGE2, suggérant une liaison à un site allostérique d’EP4. Le THG213.29 démontrait une sélectivité fonctionnelle, puisqu’il inhibait partiellement la production d’AMPc induite par EP4 mais n’affectait pas l’activation de Gαi ou le recrutement de la ß-arrestine. Nos résultats indiquent que le THG213.29 représente une nouvelle classe d’agent diurétique possédant les propriétés d’un modulateur allostérique non-compétitif des fonctions du récepteur EP4 pour l’amélioration des fonctions rénales suite à une insuffisance rénale aiguë.

Cardiac cell fate control by the imidazoline I1 receptor/nischarin : application in cardiac pathology

La moxonidine, un médicament antihypertenseur sympatholytique de type imidazolinique, agit au niveau de la médulla du tronc cérébral pour diminuer la pression artérielle, suite à l’activation sélective du récepteur aux imidazolines I1 (récepteur I1, aussi nommé nischarine). Traitement avec de la moxonidine prévient le développement de l’hypertrophie du ventricule gauche chez des rats hypertendus (SHR), associé à une diminution de la synthèse et une élévation transitoire de la fragmentation d’ADN, des effets antiprolifératifs et apoptotiques. Ces effets se présentent probablement chez les fibroblastes, car l’apoptose des cardiomyocytes pourrait détériorer la fonction cardiaque. Ces effets apparaissent aussi avec des doses non hypotensives de moxonidine, suggérant l’existence d’effets cardiaques directes. Le récepteur I1 se trouvé aussi dans les tissus cardiaques; son activation ex vivo par la moxonidine stimule la libération de l’ANP, ce qui montre que les récepteurs I1 cardiaques sont fonctionnels malgré l’absence de stimulation centrale. Sur la base de ces informations, en plus du i) rôle des peptides natriurétiques comme inhibiteurs de l’apoptose cardiaque et ii) des études qui lient le récepteur I1 avec la maintenance de la matrix extracellulaire, on propose que, à part les effets sympatholytiques centrales, les récepteurs I1 cardiaques peuvent contrôler la croissance-mort cellulaire. L’activation du récepteur I1 peut retarder la progression des cardiopathies vers la défaillance cardiaque, en inhibant des signaux mal adaptatifs de prolifération et apoptose. Des études ont été effectuées pour : 1. Explorer les effets in vivo sur la structure et la fonction cardiaque suite au traitement avec moxonidine chez le SHR et le hamster cardiomyopathique. 2. Définir les voies de signalisation impliquées dans les changements secondaires au traitement avec moxonidine, spécifiquement sur les marqueurs inflammatoires et les voies de signalisation régulant la croissance et la survie cellulaire (MAPK et Akt). 3. Explorer les effets in vitro de la surexpression et l’activation du récepteur I1 sur la survie cellulaire dans des cellules HEK293. 4. Rechercher la localisation, régulation et implication dans la croissance-mort cellulaire du récepteur I1 in vitro (cardiomyocytes et fibroblastes), en réponse aux stimuli associés au remodelage cardiaque : norépinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α) et oxydants (H2O2). Nos études démontrent que la moxonidine, en doses hypotensives et non-hypotensives, améliore la structure et la performance cardiaque chez le SHR par des mécanismes impliquant l’inhibition des cytokines et des voies de signalisation p38 MAPK et Akt. Chez le hamster cardiomyopathique, la moxonidine améliore la fonction cardiaque, module la réponse inflammatoire/anti-inflammatoire et atténue la mort cellulaire et la fibrose cardiaque. Les cellules HEK293 surexprimant la nischarine survivent et prolifèrent plus en réponse à la moxonidine; cet effet est associé à l’inhibition des voies ERK, JNK et p38 MAPK. La surexpression de la nischarine protège aussi de la mort cellulaire induite par le TNF-α, l’IL-1β et le H2O2. En outre, le récepteur I1 s’exprime dans les cardiomyocytes et fibroblastes, son activation inhibe la mort des cardiomyocytes et la prolifération des fibroblastes induite par la norépinephrine, par des effets différentiels sur les MAPK et l’Akt. Dans des conditions inflammatoires, la moxonidine/récepteur aux imidazolines I1 protège les cardiomyocytes et facilite l’élimination des myofibroblastes par des effets contraires sur JNK, p38 MAPK et iNOS. Ces études démontrent le potentiel du récepteur I1/nischarine comme cible anti-hypertrophique et anti-fibrose à niveau cardiaque. L’identification des mécanismes cardioprotecteurs de la nischarine peut amener au développement des traitements basés sur la surexpression de la nischarine chez des patients avec hypertrophie ventriculaire. Finalement, même si l’effet antihypertenseur des agonistes du récepteur I1 centraux est salutaire, le développement de nouveaux agonistes cardiosélectifs du récepteur I1 pourrait donner des bénéfices additionnels chez des patients non hypertendus.