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.

Hexyl-aminolevulinate mediated photodynamic therapy: how to spare normal urothelium. An in vitro approach

Résumé Objectifs : La thérapie photodynamique a pour but la destruction sélective du tissu néoplasique par interaction de lumière, d'oxygène et d'une substance photosensibilisatrice (la Protoporphyrine IX dans notre étude). Malgré une accumulation sélective du photosensibilisateur dans le tissu tumoral, la thérapie photodynamique du carcinome urothélial de la vessie peut endommager les cellules normales de l'épithélium urinaire. La prévention de ces lésions est importante pour la régénération de la muqueuse. Notre étude sur un modèle in vitro d'urothélium porcin étudie l'influence de la concentration du photosensibilisateur, des paramètres d'irradiation et de la production d'intermédiaires réactifs de l'oxygène (ROS) sur les effets photodynamique. Le but était de déterminer les conditions seuil pour épargner l'urothélium sain. Méthode: Dans une chambre de culture transparente à deux compartiments, des muqueuses vésicales de porc maintenues en vie ont été incubées avec une solution d'hexyl-aminolévulinate (HAL), le précurseur de la Protoporphyrine IX. Ces muqueuses ont ensuite été irradiées avec des doses lumineuses croissantes en lumière bleue et en lumière blanche, et les altérations cellulaires ont été évaluées par microscopie électronique à balayage et par un colorant fluorescent, le Sytox green. Nous avons également évalué la production d'intermédiaires réactifs de l'oxygène parla mesure de la fluorescence intracellulaire de Rhodamine 123 (R123), produit de l'oxydation de la Dihydrorhodamine 123 (DHR123) non fluorescente. Ces valeurs ont été corrélées avec celles du photo blanchiment de la PAIX. Résultats : Le taux de mortalité cellulaire était dépendant de la concentration de PAIX. Après 3 heures d'incubation, la valeur seuil de dose lumineuse pour la lumière bleu était de 0.15 et 0.75 J/cm2 (irradiance 30 et 75 mW/cm2, respectivement) et pour la lumière blanche de 0.55 J/cm2 (irradiante 30 mW/cm2). Le taux de photo blanchiment était inversement proportionnel à l'irradiante. Le système de détection des intermédiaires réactifs de l'oxygène DHR123/R123 a démontré une bonne corrélation avec les valeurs seuil pour toutes les conditions d'irradiation utilisées. Conclusions : Nous avons déterminé les doses lumineuses permettant d'épargner 50% des cellules urothéliales saines. L'utilisation d'une faible irradiante associée à des systèmes permettant de mesurer la production d'intermédiaires réactifs de l'oxygène dans les tissus irradiés pourrait améliorer la dosimétrie in vivo et l'efficacité de la thérapie photodynamique. Abstract Background and Objectives: Photodynamic therapy of superficial bladder cancer may cause damages to the normal surrounding bladder wall. Prevention of these is important for bladder healing. We studied the influence of photosensitizes concentration, irradiation parameters and production of reactive oxygen species (ROS) on the photodynamically induced damage in the porcine urothelium in vitro. The aim was to determine the threshold conditions for the cell survival. Methods: Living porcine bladder mucosae were incubated with solution of hexylester of 5-aminolevulinic acid (HAL). The mucosae were irradiated with increasing doses and cell alterations were evaluated by scanning electron microscopy and by Sytox green fluorescence. The urothelial survival score was correlated with Protoporphyrin IX (PpIX) photobleaching and intracellular fluorescence of Rhodamine 123 reflecting the ROS production. Results: The mortality ratio was dependent on PpIX concentration. After 3 hours of incubation, the threshold radiant exposures for blue light were 0.15 and 0.75 J/cm2 (irradiance 30 and 75 mW/cm2, respectively) and for white light 0.55 J/cm2 (irradiance 30 mW/cm2). Photobleaching rate increased with decreasing irradiance. Interestingly, the DHR123/R123 reporter system correlated well with the threshold exposures under all conditions used. Conclusions: we have determined radiant exposures sparing half of normal urothelial cells. We propose that the use of low irradiance combined with systems reporting the ROS production in the irradiated tissue could improve the in vivo dosimetry and optimize the PDT.

AUTOREGULATION CEREBROVASCULAIRE SOUS ANESTHESIE GENERALE

 En situation post-­‐opératoire, les complications de type accident vasculaire cérébral (AVC), délires et confusions sont plus fréquemment observées chez les personnes âgées que chez les jeunes. L'âge a d'ailleurs été défini comme un facteur de risque d'atteinte cognitive post-­‐opératoire [14, 15]. Il a également été montré que pour diverses raisons expliquées ci-­‐dessus, le mécanisme d'AC était perturbé sous anesthésie générale par volatils [12]. Ainsi, l'AC étant moins fiable sous sédation, le DSC est moins constant et les variations de PPC peuvent être à l'origine d'épisodes ischémiques cliniquement silencieux. Il est alors légitime de se demander si l'atteinte du système d'AC sous anesthésie générale par volatil ne serait pas en lien avec les complications post-­‐ opératoires observées chez la personne âgée. L'objectif de l'étude est de déterminer le comportement du système d'AC et ses valeurs seuils sous anesthésie générale par volatil, chez la personne âgée comparativement au sujet jeune. Si une différence de seuil d'AC peut-­‐être mise en évidence entre les deux populations, il sera intéressant de voir si elle est applicable en clinique, ceci afin de prévenir les complications post-­‐opératoires. Peu de travaux ont été menés sur le lien entre le système d'AC et l'âge, qui plus est sous sédation par volatil. Et pourtant, avec le vieillissement de la population, le nombre d'anesthésie générale chez des patients âgés est en constante augmentation. Les AVC, à l'origine d'handicaps physiques et cognitifs majeurs, et leur prise en charge représentent un coût certain pour l'assurance maladie. Il devient donc de plus en plus urgent de comprendre le comportement du système d'AC chez la personne âgée sous anesthésie générale. Plus qu'un simple intérêt scientifique, cette étude est directement appliquée à la clinique et est pleinement d'actualité.