Fructose-1,6-bisphosphate reduces inflammatory pain-like behaviour in mice: role of adenosine acting on A(1) receptors

Background and purpose: D-Fructose-1,6-bisphosphate (FBP) is an intermediate in the glycolytic pathway, exerting pharmacological actions on inflammation by inhibiting cytokine production or interfering with adenosine production. Here, the possible antinociceptive effect of FBP and its mechanism of action in the carrageenin paw inflammation model in mice were addressed, focusing on the two mechanisms described above. Experimental approach: Mechanical hyperalgesia (decrease in the nociceptive threshold) was evaluated by the electronic pressure-metre test; cytokine levels were measured by elisa and adenosine was determined by high performance liquid chromatography. Key results: Pretreatment of mice with FBP reduced hyperalgesia induced by intraplantar injection of carrageenin (up to 54%), tumour necrosis factor alpha (40%), interleukin-1 beta (46%), CXCL1 (33%), prostaglandin E(2) (41%) or dopamine (55%). However, FBP treatment did not alter carrageenin-induced cytokine (tumour necrosis factor alpha and interleukin-1 beta) or chemokine (CXCL1) production. On the other hand, the antinociceptive effect of FBP was prevented by systemic and intraplantar treatment with an adenosine A(1) receptor antagonist (8-cyclopentyl-1,3-dipropylxanthine), suggesting that the FBP effect is mediated by peripheral adenosine acting on A(1) receptors. Giving FBP to mice increased adenosine levels in plasma, and adenosine treatment of paw inflammation presented a similar antinociceptive mechanism to that of FBP. Conclusions and implications: In addition to anti-inflammatory action, FBP also presents an antinociceptive effect upon inflammatory hyperalgesia. Its mechanism of action seems dependent on adenosine production but not on modulation of hyperalgesic cytokine/chemokine production. In turn, adenosine acts peripherally on its A(1) receptor inhibiting hyperalgesia. FBP may have possible therapeutic applications in reducing inflammatory pain.

Role of cholinergic, opioidergic and GABAergic neurotransmission of the dorsal hippocampus in the modulation of nociception in guinea pigs

Aims: Several physiological, pharmacological and behavioral lines of evidence suggest that the hippocampal formation is involved in nociception. The hippocampus is also believed to play an important role in the affective and motivational components of pain perception. Thus, Our aim was to investigate the participation of cholinergic, opioidergic and GABAergic systems of the dorsal hippocampus (DH) in the modulation of nociception in guinea pigs. Main methods: The test used consisted of the application of a peripheral noxious stimulus (electric shock) that provokes the emission of a vocalization response by the animal. Key findings: Our results showed that, in guinea pigs, microinjection of carbachol, morphine and bicuculline into the DH Promoted anti nociception, while muscimol promoted pronociception. These results were verified by a decrease and all increase, respectively, in the vocalization index in the vocalization test. This antinociceptive effect of carbachol (2.7 nmol) was blocked by previous administration of atropine (0.7 nmol) or naloxone (1.3 nmol) into the same site. In addition, the decrease in the vocalization index induced by the microinjection of morphine (2.2 nmol) into the DH was prevented by pretreatment with naloxone (1.3 nmol) or muscimol (0.5 nmol). At doses of 1.0 nmol, muscimol microinjection caused pronociception, while bicuculline promoted antinociception. Significance: These results indicate the involvement of the cholinergic, opioidergic and GABAergic systems of the DH in the modulation of antinociception in guinea pigs. In addition, the present study suggests that cholinergic transmission may activate the release of endorphins/enkephalin from interneurons of the DH, Which Would inhibit GABAergic neurons, resulting in antinociception. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Hemispheric dorsolateral prefrontal cortex lateralization in the regulation of empathy for pain

The dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) is involved in the cognitive appraisal and modulation of the pain experience. In this sham-controlled study, with healthy volunteers, we used bi-hemispheric transcranial direct current stimulation (tDCS) over the DLPFC to assess emotional reactions elicited by pain observation. Left-cathodal/right-anodal tDCS decreased valence and arousal evaluations compared to other tDCS conditions. Compared to sham condition, both left-cathodal/right-anodal and left-anodal/right-cathodal tDCS decreased hostility, sadness and self-pain perception. These decreased sensations after both active tDCS suggest a common role for left and right DLPFC in personal distress modulation. However, the differences in arousal and valence evaluations point to distinct roles of lateralized DLPFC in cognitive empathy, probably through distinct emotion regulation mechanisms.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Subtype-specific Modulation of Acid-sensing Ion Channel (ASIC) Function by 2-Guanidine-4-methylquinazoline.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+)-selective channels that are transiently activated by extracellular acidification. ASICs are involved in fear and anxiety, learning, neurodegeneration after ischemic stroke, and pain sensation. The small molecule 2-guanidine-4-methylquinazoline (GMQ) was recently shown to open ASIC3 at physiological pH. We have investigated the mechanisms underlying this effect and the possibility that GMQ may alter the function of other ASICs besides ASIC3. GMQ shifts the pH dependence of activation to more acidic pH in ASIC1a and ASIC1b, whereas in ASIC3 this shift goes in the opposite direction and is accompanied by a decrease in its steepness. GMQ also induces an acidic shift of the pH dependence of inactivation of ASIC1a, -1b, -2a, and -3. As a consequence, the activation and inactivation curves of ASIC3 but not other ASICs overlap in the presence of GMQ at pH 7.4, thereby creating a window current. At concentrations >1 mm, GMQ decreases maximal peak currents by reducing the unitary current amplitude. Mutation of residue Glu-79 in the palm domain of ASIC3, previously shown to be critical for channel opening by GMQ, disrupted the GMQ effects on inactivation but not activation. This suggests that this residue is involved in the consequences of GMQ binding rather than in the binding interaction itself. This study describes the mechanisms underlying the effects of a novel class of ligands that modulate the function of all ASICs as well as activate ASIC3 at physiological pH.

Upregulation of the GABA transporter GAT-1 in the gracile nucleus in the spared nerve injury model of neuropathic pain.

Neuropathic pain is a major health issue and is frequently accompanied by allodynia (painful sensations in response to normally non-painful stimulations), and unpleasant paresthesia/dysesthesia, pointing to alterations in sensory pathways normally dedicated to the processing of non-nociceptive information. Interestingly, mounting evidence indicate that central glial cells are key players in allodynia, partly due to changes in the astrocytic capacity to scavenge extracellular glutamate and gamma-aminobutyric acid (GABA), through changes in their respective transporters (EAAT and GAT). In the present study, we investigated the glial changes occurring in the dorsal column nuclei, the major target of normally innocuous sensory information, in the rat spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain. We report that together with a robust microglial and astrocytic reaction in the ipsilateral gracile nucleus, the GABA transporter GAT-1 is upregulated with no change in GAT-3 or glutamate transporters. Furthermore, [(3)H] GABA reuptake on crude synaptosome preparation shows that transporter activity is functionally increased ipsilaterally in SNI rats. This GAT-1 upregulation appears evenly distributed in the gracile nucleus and colocalizes with astrocytic activation. Neither glial activation nor GAT-1 modulation was detected in the cuneate nucleus. Together, the present results point to GABA transport in the gracile nucleus as a putative therapeutic target against abnormal sensory perceptions related to 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.

Cellules gliales et douleur chronique: du laboratoire a l'espoir clinique [Glial cells and chronic pain: from the laboratory to clinical hope].

Despite their high prevalence, associated disability and seemingly rich pharmacopeia, the various forms of chronic pain remain frequently intractable. The past decade witnessed the rise of a concept stating that non-neuronal cells of the central nervous system, astrocytes and microglia, are crucial elements in pathological pain. This review gathers and summarizes the experimental data underpinning this theory in animal models and addresses their pertinence in humans. The potential opportunities and constraints of glial inhibition are exposed and compared to more moderate strategies of selective modulation. This therapeutic hope is particularly highlighted in our discussion of the first completed clinical trials employing glial inhibitors in the treatment of chronic pain.

Involvement of calcium in pain and antinociception

Calcium ions are widely recognized to play a fundamental role in the regulation of several biological processes. Transient changes in cytoplasmic calcium ion concentration represent a key step for neurotransmitter release and the modulation of cell membrane excitability. Evidence has accumulated for the involvement of calcium ions also in nociception and antinociception, including the analgesic effects produced by opioids. The combination of opioids with drugs able to interfere with calcium ion functions in neurons has been pointed out as a useful alternative for safer clinical pain management. Alternatively, drugs that reduce the flux of calcium ions into neurons have been indicated as analgesic alternatives to opioids. This article reviews the manners by which calcium ions penetrate cell membranes and the changes in these mechanisms caused by opioids and calcium antagonists regarding nociceptive and antinociceptive events.

Involvement of the TRPV1 channel in the modulation of spontaneous locomotor activity, physical performance and physical exercise-induced physiological responses

Physical exercise triggers coordinated physiological responses to meet the augmented metabolic demand of contracting muscles. To provide adequate responses, the brain must receive sensory information about the physiological status of peripheral tissues and organs, such as changes in osmolality, temperature and pH. Most of the receptors involved in these afferent pathways express ion channels, including transient receptor potential (TRP) channels, which are usually activated by more than one type of stimulus and are therefore considered polymodal receptors. Among these TRP channels, the TRPV1 channel (transient receptor potential vanilloid type 1 or capsaicin receptor) has well-documented functions in the modulation of pain sensation and thermoregulatory responses. However, the TRPV1 channel is also expressed in non-neural tissues, suggesting that this channel may perform a broad range of functions. In this review, we first present a brief overview of the available tools for studying the physiological roles of the TRPV1 channel. Then, we present the relationship between the TRPV1 channel and spontaneous locomotor activity, physical performance, and modulation of several physiological responses, including water and electrolyte balance, muscle hypertrophy, and metabolic, cardiovascular, gastrointestinal, and inflammatory responses. Altogether, the data presented herein indicate that the TPRV1 channel modulates many physiological functions other than nociception and thermoregulation. In addition, these data open new possibilities for investigating the role of this channel in the acute effects induced by a single bout of physical exercise and in the chronic effects induced by physical training.

Mécanismes cérébraux et cérébraux-spinaux impliqués dans la modulation de la douleur par la musique et les émotions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Rôle et implication du système cannabinoïde dans la modulation périphérique de la douleur inflammatoire et neuropathique

Les dérivés de l’opium (opioïdes) et du cannabis (cannabinoïdes) présentent de nombreuses propriétés intéressantes. Suite à l’identification de leurs récepteurs respectifs, diverses stratégies pharmacologiques ont tenté d’exploiter leurs propriétés analgésiques. Le clonage des récepteurs cannabinoïdes CB1 et CB2 a favorisé la découverte de composés endogènes pour ces récepteurs, les endocannabinoïdes, dont les deux plus étudiés sont l’anandamide et le 2-arachidonyl glycérol (2-AG). Cette découverte a également mené à l’identification d’enzymes qui catalysent l’inactivation de ces cannabinoïdes endogènes : une amidohydrolase des acides gras ou FAAH ainsi qu’une monoacylglycérol lipase ou MAGL. Le système cannabinoïde endogène est régulé à la hausse dans une variété de processus pathologiques, tels que les douleurs inflammatoire et neuropathique. Cette augmentation est habituellement interprétée comme une réaction physiologique visant à rétablir l’homéostasie et elle a notamment été observée en périphérie. Les endocannabinoïdes semblent donc agir de façon spécifique à des moments clés dans certains tissus ciblés afin de minimiser les conséquences reliées au déclenchement de ces douleurs. Cette observation est très intéressante d’un point de vue thérapeutique puisqu’elle suggère la possibilité de cibler les enzymes de dégradation des endocannabinoïdes dans le but d’augmenter leurs concentrations locales et d’ainsi prolonger leur action neuromodulatrice. En périphérie, l’activation des récepteurs cannabinoïdes induit des effets antinociceptifs bénéfiques tout en minimisant les effets indésirables souvent associés à leur activation centrale. Nous avons orienté nos travaux vers la modulation périphérique de ce système endogène à l’aide d’inhibiteurs des enzymes de dégradation des endocannabinoïdes afin d’évaluer leur potentiel thérapeutique et d’élucider les mécanismes d’action qui sous-tendent leurs effets dans des modèles animaux de douleurs inflammatoire et neuropathique. Nous avons démontré que cette approche permet de soulager les symptômes associés à ces deux types de douleurs, et ce via les récepteurs CB1 et CB2. Les systèmes cannabinoïde et opioïde présentent des similitudes, dont des localisations similaires le long des voies de la douleur, des mécanismes d’action relayés par des récepteurs couplés aux protéines G et des propriétés pharmacologiques communes telles que l’analgésie. Le système opioïde est impliqué dans les effets antinociceptifs induits par les cannabinoïdes. À l’inverse, le rôle joué par le système cannabinoïde dans ceux induits par la morphine demeure incertain. Nous avons démontré que les effets antinociceptifs périphériques et spinaux produits par la morphine sont diminués chez les souris génétiquement modifiées chez lesquelles l’expression des récepteurs CB1 ou CB2 a été éliminée, laissant supposer un rôle pour ces récepteurs dans les effets de la morphine. Nous avons de plus démontré que la diminution de l'analgésie produite par la morphine dans ces souris n'est pas causée par un dysfonctionnement des récepteurs opioïdes mu (MOP) ni par une régulation à la baisse de ces récepteurs. Nos résultats confirment l'existence d'interactions fonctionnelles entre les systèmes cannabinoïde et opioïde au niveau périphérique et spinal. Ces observations sont prometteuses d’un point de vue thérapeutique puisqu’une modulation périphérique ciblée des niveaux d’endocannabinoïdes et d’opioïdes endogènes permettrait de produire des effets analgésiques bénéfiques potentiellement synergiques tout en minimisant les effets indésirables associés à l’activation centrale de ces systèmes.

Modulation allostérique du récepteur FP dans le cancer colorectal

Les prostaglandines modulent d’importants rôles physiologiques. Elles sont aussi impliquées dans le développement d’une variété de conditions pathologiques telles l’inflammation, la douleur et le cancer. La prostaglandine PGF2α et son récepteur (récepteur FP) se trouvent impliqué dans la modulation de nombreuses pathologies tels lors de l’accouchement préterme et le cancer colorectal. Récemment, nous avons fait partie d’un groupe de recherche ayant développé des modulateurs allostériques du récepteur FP. Dans une première étude, l’action du PGF2α sur le déclenchement des contractions myométriales a été évaluée, car peu d’information est connue sur la signalisation de cette prostaglandine lors de l’accouchement. Ainsi, nous avons utilisé un peptidomimétique de la deuxième boucle extracellulaire, dénommée PDC113.824. Nos résultats ont démontré que le PDC113.824 permettait de retarder la mise bas chez des souris gestantes, mais agissait de manière différente sur les multiples voies de signalisation de la PGF2α. Ainsi, le PDC113.824 inhibait la voie RhoA-ROCK, dépendante de l’activation de la protéine Gα12 par le. Les protéines RhoA-ROCK sont des acteurs clés dans le remodelage du cytosquelette d’actine et des contractions myométriales lors de l’accouchement. De plus, le PDC113.824 en présence de PGF2α agit comme un modulateur positif sur la voie dépendante de l’activation de la protéine Gαq. Le PDC113.824 serait donc un modulateur allostérique non compétitif possédant des actions à la fois de modulateurs positifs et négatifs sur la signalisation du récepteur FP Dans une seconde étude, des analogues du PDC113.824 ont été conçus et analysés dans un second modèle pathologique, le cancer colorectal. Ce cancer possède de hauts niveaux de récepteur FP. Nous avons donc étudié le rôle du récepteur FP dans le développement et la progression du cancer colorectal et l’effet de modulateurs allostériques. Il est généralement accepté que dans le cancer colorectal, la prostaglandine PGE2 permet la croissance et l’invasion tumorale, ainsi que l’angiogenèse. Toutefois, peu d’informations sont connues sur le rôle du PGF2α dans le cancer colorectal. C’est dans ce contexte que nous avons décidé d’examiner la contribution de ce récepteur dans la progression du cancer colorectal et cherché à déterminer si la modulation des fonctions du récepteur FP a un impact sur la croissance de tumeurs colorectales. Nos recherches ont révélé que l’activation du récepteur FP permet la migration et la prolifération de plusieurs lignées cellulaires humaines et murines d’adénocarcinomes colorectaux. Dans ce contexte, nos expériences ont démontré que la migration des cellules cancéreuses était dépendante de l’activation de la voie Rho. Nos résultats démontrent qu’en effet, l’activation de RhoA, une petite GTPase clé de la voie Gα12, est inhibée de façon sélective par nos composés. De plus, nos molécules allostériques sont également efficaces pour inhiber la voie de signalisation de la ß-caténine, une protéine impliquée dans la genèse du cancer colorectal. In vivo, le traitement de souris avec un des ces modulateurs a permis une inhibition effective de la croissance tumorale. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent donc que les modulateurs allostériques des récepteurs FP pourraient constituer une nouvelle classe de médicaments utilisés pour le traitement du cancer colorectal.

Individual differences in the effects of perceived controllability on pain perception: critical role of the prefrontal cortex

The degree to which perceived controllability alters the way a stressor is experienced varies greatly among individuals. We used functional magnetic resonance imaging to examine the neural activation associated with individual differences in the impact of perceived controllability on self-reported pain perception. Subjects with greater activation in response to uncontrollable (UC) rather than controllable (C) pain in the pregenual anterior cingulate cortex (pACC), periaqueductal gray (PAG), and posterior insula/SII reported higher levels of pain during the UC versus C conditions. Conversely, subjects with greater activation in the ventral lateral prefrontal cortex (VLPFC) in anticipation of pain in the UC versus C conditions reported less pain in response to UC versus C pain. Activation in the VLPFC was significantly correlated with the acceptance and denial subscales of the COPE inventory [Carver, C. S., Scheier, M. F., & Weintraub, J. K. Assessing coping strategies: A theoretically based approach. Journal of Personality and Social Psychology, 56, 267–283, 1989], supporting the interpretation that this anticipatory activation was associated with an attempt to cope with the emotional impact of uncontrollable pain. A regression model containing the two prefrontal clusters (VLPFC and pACC) predicted 64% of the variance in pain rating difference, with activation in the two additional regions (PAG and insula/SII) predicting almost no additional variance. In addition to supporting the conclusion that the impact of perceived controllability on pain perception varies highly between individuals, these findings suggest that these effects are primarily top-down, driven by processes in regions of the prefrontal cortex previously associated with cognitive modulation of pain and emotion regulation.

Inhibition of synaptic transmission and G protein modulation by synthetic CaV2.2 Ca2+ channel peptides

Abstract: Modulation of presynaptic voltage-dependent Ca+ channels is a major means of controlling neurotransmitter release. The CaV 2.2 Ca2+ channel subunit contains several inhibitory interaction sites for Gβγ subunits, including the amino terminal (NT) and I–II loop. The NT and I–II loop have also been proposed to undergo a G protein-gated inhibitory interaction, whilst the NT itself has also been proposed to suppress CaV 2 channel activity. Here, we investigate the effects of an amino terminal (CaV 2.2[45–55]) ‘NT peptide’ and a I–II loop alpha interaction domain (CaV 2.2[377–393]) ‘AID peptide’ on synaptic transmission, Ca2+ channel activity and G protein modulation in superior cervical ganglion neurones (SCGNs). Presynaptic injection of NT or AID peptide into SCGN synapses inhibited synaptic transmission and also attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. In isolated SCGNs, NT and AID peptides reduced whole-cell Ca2+ current amplitude, modified voltage dependence of Ca2+ channel activation and attenuated noradrenaline-induced G protein modulation. Co-application of NT and AID peptide negated inhibitory actions. Together, these data favour direct peptide interaction with presynaptic Ca2+ channels, with effects on current amplitude and gating representing likely mechanisms responsible for inhibition of synaptic transmission. Mutations to residues reported as determinants of Ca2+ channel function within the NT peptide negated inhibitory effects on synaptic transmission, Ca2+ current amplitude and gating and G protein modulation. A mutation within the proposed QXXER motif for G protein modulation did not abolish inhibitory effects of the AID peptide. This study suggests that the CaV 2.2 amino terminal and I–II loop contribute molecular determinants for Ca2+ channel function; the data favour a direct interaction of peptides with Ca2+ channels to inhibit synaptic transmission and attenuate G protein modulation. Non-technical summary: Nerve cells (neurones) in the body communicate with each other by releasing chemicals (neurotransmitters) which act on proteins called receptors. An important group of receptors (called G protein coupled receptors, GPCRs) regulate the release of neurotransmitters by an action on the ion channels that let calcium into the cell. Here, we show for the first time that small peptides based on specific regions of calcium ion channels involved in GPCR signalling can themselves inhibit nerve cell communication. We show that these peptides act directly on calcium channels to make them more difficult to open and thus reduce calcium influx into native neurones. These peptides also reduce GPCR-mediated signalling. This work is important in increasing our knowledge about modulation of the calcium ion channel protein; such knowledge may help in the development of drugs to prevent signalling in pathways such as those involved in pain perception.