Les mécanismes de régulation du métabolisme lipidique par les peptides QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides)

Plusieurs cibles thérapeutiques dans le développement de médicaments contre l’obésité visent une diminution de l’appétit et de la masse adipeuse et à augmenter la dépense énergétique. L’appétit et le métabolisme énergétique sont régulés par certains neuropeptides qui agissent au niveau du système nerveux central, notamment dans l’hypothalamus. Parmi ces neuropeptides, les peptides RF-amide ou QRFP (pyroglutamylated RF-amide peptides), ainsi nommés par la présence du motif conservé Arg-Phe-NH2 dans le domaine C-terminal, induisent une hyperphagie et une augmentation de la masse adipeuse lorsqu’administrés par voie centrale. Les formes bioactives de ces peptides comprennent principalement 43 (QRFP-43) et 26 (QRFP-26) acides aminés. Outre les peptides QRFP, leurs récepteurs, les GPR103 de la famille des récepteurs à 7 passages transmembranaires couplés aux protéines G, sont exprimés dans l’hypothalamus. Plus récemment, des études ont montré la sécrétion de ces neuropeptides, et la présence du GPR103, dans le tissu adipeux. Cependant, le rôle de la voie signalétique (QRFP/GPR103) dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau périphérique est peu connu. Les travaux de cette thèse ont porté sur la caractérisation des effets adipogéniques périphériques des neuropeptides QRFP. En premier lieu, nos travaux ont montré que les adipocytes 3T3-L1 et les adipocytes murins isolés des dépôts adipeux blancs expriment le prépro-QRFP et uniquement le récepteur GPR103B, un des deux sous-types de récepteurs présents chez la souris. De plus, nous avons montré que l’expression du récepteur est régulée par une diète riche en lipides réduisant l’expression du prépro-QRFP, mais augmentant celle du GPR103B dans les dépôts lipidiques. Chez l’humain, les adipocytes de l’omentum expriment autant le GPR103 que le prépro-QRFP. Nous avons de plus étudié la fonctionnalité du GPR103B dans les adipocytes 3T3-L1 par l’utilisation d’ARN interférents. Nous avons observé que ce récepteur médie les effets adipogéniques des QRFPs en augmentant l’expression du récepteur nucléaire PPAR-gamma (peroxisome proliferator-activated receptor gamma) et le facteur de transcription C/EBP-alpha (CCAAT-enhancer binding protein alpha) résultant en une accumulation des triglycérides. Nous avons aussi mis en évidence les effets anti-lipolytiques des QRFPs. En effet, les QRFP inhibent fortement la lipolyse induite avec l’isoprotérénol. L’étude des mécanismes moléculaires à l’origine des effets anti-lipolytiques du QRFP-43 a montré l’activation de la voie de signalisation PI3-K/PKB (phosphatidylinositol 3-kinase/protéine kinase B) en réponse à la stimulation du GPR103B. La réponse anti-lipolytique induite par le QRFP-43 est associée à une diminution de la phosphorylation de la périlipine A (PLIN1a) et de la lipase hormono-sensible (HSL). Nos études ont élucidé les mécanismes conduisant à l’inhibition de la phosphorylation de la PLIN1a en réponse à l’activation du GPR103B, impliquant l’inhibition de la migration de la cavéoline 1 et de la sous unité catalytique de la protéine kinase A (PKA) au niveau des gouttelettes lipidiques, ainsi que l’inhibition de l’activité des Src kinases et de la protéine kinase C (PKC). En conclusion, nos travaux ont montré que les QRFP-43 et -26 exercent un effet adipogénique et anti-lipolytique dans les adipocytes, mettant ainsi en évidence le rôle des neuropeptides QRFPs dans la régulation du métabolisme lipidique au niveau adipocytaire.

La régénération axonale suivant l'axotomie du nerf sciatique et stimulation électrique directe et transcutanée chez la souris

La stimulation électrique directe (SED), pour une heure, améliore la régénération de nerfs périphériques chez le rat après la réparation. Cliniquement, ceci augmenterait le temps opératoire, rehaussant les risques de complications périopératoires. Objectif: Cette étude examine si la stimulation électrique transcutanée (SETC) est aussi efficace à améliorer la régénération de nerfs périphériques que la stimulation électrique directe. Méthode: Le nerf sciatique droit de 28 souris a été axotomisé. Une réparation par microsuture est effectuée. Quatre groupes sont étudiés : (1) sham; (2) suture seulement; (3) suture et SED; (4) suture et SETC. La stimulation est appliquée pour 1 heure à 20 Hz. Les souris sont étudiées pour un total de 12 semaines. La récupération sciatique est évaluée aux semaines 0, 1, 2 et aux 2 semaines par la suite par analyse de démarche sur la poutre. Résultats: La cinématique post-récupération démontre un index fonctionnel sciatique et angle de décollement significativement améliorés pour les groupes SED et SETC aux semaines 8, 10 et 12. Conclusions: 12 semaines après l’axotomie du nerf sciatique, la récupération fonctionnelle est significativement améliorée avec la SED et la SETC. Donc, la SETC est aussi bénéfique pour la promotion de la régénération nerveuse et réinnervation musculaire fonctionnelle que la SED.

Étude de l'oligomérisation et de la fonction de canaux ioniques par spectroscopie de fluorescence et fluorométrie en voltage imposé

La fonction des canaux ioniques est finement régulée par des changements structuraux de sites clés contrôlant l’ouverture du pore. Ces modulations structurales découlent de l’interaction du canal avec l’environnement local, puisque certains domaines peuvent être suffisamment sensibles à des propriétés physico-chimiques spécifiques. Les mouvements engendrés dans la structure sont notamment perceptibles fonctionnellement lorsque le canal ouvre un passage à certains ions, générant ainsi un courant ionique mesurable selon le potentiel électrochimique. Une description détaillée de ces relations structure-fonction est cependant difficile à obtenir à partir de mesures sur des ensembles de canaux identiques, puisque les fluctuations et les distributions de différentes propriétés individuelles demeurent cachées dans une moyenne. Pour distinguer ces propriétés, des mesures à l’échelle de la molécule unique sont nécessaires. Le but principal de la présente thèse est d’étudier la structure et les mécanismes moléculaires de canaux ioniques par mesures de spectroscopie de fluorescence à l’échelle de la molécule unique. Les études sont particulièrement dirigées vers le développement de nouvelles méthodes ou leur amélioration. Une classe de toxine formeuse de pores a servi de premier modèle d’étude. La fluorescence à l’échelle de la molécule unique a aussi été utilisée pour l’étude d’un récepteur glutamate, d’un récepteur à la glycine et d’un canal potassique procaryote. Le premier volet porte sur l’étude de la stœchiométrie par mesures de photoblanchiment en temps résolu. Cette méthode permet de déterminer directement le nombre de monomères fluorescents dans un complexe isolé par le décompte des sauts discrets de fluorescence suivant les événements de photoblanchiment. Nous présentons ici la première description, à notre connaissance, de l’assemblage dynamique d’une protéine membranaire dans un environnement lipidique. La toxine monomérique purifiée Cry1Aa s’assemble à d’autres monomères selon la concentration et sature en conformation tétramérique. Un programme automatique est ensuite développé pour déterminer la stœchiométrie de protéines membranaires fusionnées à GFP et exprimées à la surface de cellules mammifères. Bien que ce système d’expression soit approprié pour l’étude de protéines d’origine mammifère, le bruit de fluorescence y est particulièrement important et augmente significativement le risque d’erreur dans le décompte manuel des monomères fluorescents. La méthode présentée permet une analyse rapide et automatique basée sur des critères fixes. L’algorithme chargé d’effectuer le décompte des monomères fluorescents a été optimisé à partir de simulations et ajuste ses paramètres de détection automatiquement selon la trace de fluorescence. La composition de deux canaux ioniques a été vérifiée avec succès par ce programme. Finalement, la fluorescence à l’échelle de la molécule unique est mesurée conjointement au courant ionique de canaux potassiques KcsA avec un système de fluorométrie en voltage imposé. Ces enregistrements combinés permettent de décrire la fonction de canaux ioniques simultanément à leur position et densité alors qu’ils diffusent dans une membrane lipidique dont la composition est choisie. Nous avons observé le regroupement de canaux KcsA pour différentes compositions lipidiques. Ce regroupement ne paraît pas être causé par des interactions protéine-protéine, mais plutôt par des microdomaines induits par la forme des canaux reconstitués dans la membrane. Il semble que des canaux regroupés puissent ensuite devenir couplés, se traduisant en ouvertures et fermetures simultanées où les niveaux de conductance sont un multiple de la conductance « normale » d’un canal isolé. De plus, contrairement à ce qui est actuellement suggéré, KcsA ne requiert pas de phospholipide chargé négativement pour sa fonction. Plusieurs mesures indiquent plutôt que des lipides de forme conique dans la phase cristalline liquide sont suffisants pour permettre l’ouverture de canaux KcsA isolés. Des canaux regroupés peuvent quant à eux surmonter la barrière d’énergie pour s’ouvrir de manière coopérative dans des lipides non chargés de forme cylindrique.

Effets de la stimulation magnétique transcrânienne dans la maladie de Parkinson avec déficits cognitifs légers

Beaucoup de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP) peuvent souffrir de troubles cognitifs dès les étapes initiales de la maladie et jusqu’à 80% d’entre eux vont développer une démence. Des altérations fonctionnelles au niveau du cortex préfrontal dorsolatéral (CPFDL), possiblement en relation avec le noyau caudé, seraient à l’origine de certains de ces déficits cognitifs. Des résultats antérieurs de notre groupe ont montré une augmentation de l’activité et de la connectivité dans la boucle cortico-striatale cognitive suite à la stimulation magnétique transcrânienne (SMT) utilisant des paramètres « theta burst » intermittent (iTBS) sur le CPFDL gauche. Pour cette étude, 24 patients atteints de la MP avec des troubles cognitifs ont été séparées en 2 groupes : le groupe iTBS active (N=15) et le groupe sham (stimulation simulée, N=9). Une batterie neuropsychologique détaillée évaluant cinq domaines cognitifs (attention, fonctions exécutives, langage, mémoire et habiletés visuo-spatiales) a été administrée lors des jours 1, 8, 17 et 37. Le protocole iTBS a été appliqué sur le CPFDL gauche durant les jours 2, 4 et 7. Les scores z ont été calculés pour chaque domaine cognitif et pour la cognition globale. Les résultats ont montré une augmentation significative de la cognition globale jusqu’à 10 jours suivant l’iTBS active, particulièrement au niveau de l’attention, des fonctions exécutives et des habiletés visuo-spatiales. Cet effet sur la cognition globale n’est pas répliqué dans le groupe sham. Ces résultats suggèrent donc que l’iTBS peut moduler la performance cognitive chez les patients atteints de MP avec des déficits cognitifs.

Design of a semi-implantable hearing device for direct acoustic cochlear stimulation

A new hearing therapy based on direct acoustic cochlear stimulation was developed for the treatment of severe to profound mixed hearing loss. The device efficacy was validated in an initial clinical trial with four patients. This semi-implantable investigational device consists of an externally worn audio processor, a percutaneous connector, and an implantable microactuator. The actuator is placed in the mastoid bone, right behind the external auditory canal. It generates vibrations that are directly coupled to the inner ear fluids and that, therefore, bypass the external and the middle ear. The system is able to provide an equivalent sound pressure level of 125 dB over the frequency range between 125 and 8000 Hz. The hermetically sealed actuator is designed to provide maximal output power by keeping its dimensions small enough to enable implantation. A network model is used to simulate the dynamic characteristics of the actuator to adjust its transfer function to the characteristics of the middle ear. The geometry of the different actuator components is optimized using finite-element modeling.

Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on behaviour and electrophysiology of language production

Excitatory anodal transcranial direct current stimulation (A-tDCS) over the left dorsal prefrontal cortex (DPFC) has been shown to improve language production. The present study examined neurophysiological underpinnings of this effect. In a single-blinded within-subject design, we traced effects of A-tDCS compared to sham stimulation over the left DPFC using electrophysiological and behavioural correlates during overt picture naming. Online effects were examined during A-tDCS by employing the semantic interference (SI-)Effect – a marker that denotes the functional integrity of the language system. The behavioural SI-Effect was found to be reduced, whereas the electrophysiological SI-Effect was enhanced over left compared to right temporal scalp-electrode sites. This modulation is suggested to reflect a superior tuning of neural responses within language-related generators. After -(offline) effects of A-tDCS were detected in the delta frequency band, a marker of neural inhibition. After A-tDCS there was a reduction in delta activity during picture naming and the resting state, interpreted to indicate neural disinhibition. Together, these findings demonstrate electrophysiological modulations induced by A-tDCS of the left DPFC. They suggest that A-tDCS is capable of enhancing neural processes during and after application. The present functional and oscillatory neural markers could detect positive effects of prefrontal A-tDCS, which could be of use in the neuro-rehabilitation of frontal language functions.

A Novel Implantable Hearing System with Direct Acoustic Cochlear Stimulation

A new implantable hearing system, the direct acoustic cochlear stimulator (DACS) is presented. This system is based on the principle of a power-driven stapes prosthesis and intended for the treatment of severe mixed hearing loss due to advanced otosclerosis. It consists of an implantable electromagnetic transducer, which transfers acoustic energy directly to the inner ear, and an audio processor worn externally behind the implanted ear. The device is implanted using a specially developed retromeatal microsurgical approach. After removal of the stapes, a conventional stapes prosthesis is attached to the transducer and placed in the oval window to allow direct acoustical coupling to the perilymph of the inner ear. In order to restore the natural sound transmission of the ossicular chain, a second stapes prosthesis is placed in parallel to the first one into the oval window and attached to the patient's own incus, as in a conventional stapedectomy. Four patients were implanted with an investigational DACS device. The hearing threshold of the implanted ears before implantation ranged from 78 to 101 dB (air conduction, pure tone average, 0.5-4 kHz) with air-bone gaps of 33-44 dB in the same frequency range. Postoperatively, substantial improvements in sound field thresholds, speech intelligibility as well as in the subjective assessment of everyday situations were found in all patients. Two years after the implantations, monosyllabic word recognition scores in quiet at 75 dB improved by 45-100 percent points when using the DACS. Furthermore, hearing thresholds were already improved by the second stapes prosthesis alone by 14-28 dB (pure tone average 0.5-4 kHz, DACS switched off). No device-related serious medical complications occurred and all patients have continued to use their device on a daily basis for over 2 years. Copyright (c) 2008 S. Karger AG, Basel.

Neuroprotective effect of cathodal transcranial direct current stimulation in a rat stroke model

Experimental focal brain ischemia generates in the penumbra recurrent depolarizations which spread across the injured cortex inducing infarct growth. Transcranial direct current stimulation can induce a lasting, polarity-specific, modulation of cortical excitability. To verify whether cathodal transcranial direct current stimulation could reduce the infarct size and the number of depolarizations, focal ischemia was induced in the rat by the 3 vessels occlusion technique. In the first experiment 12 ischemic rats received cathodal stimulation (alternating 15min on and 15min off) starting 45min after middle cerebral artery occlusion and lasting 4h. In the second experiment 12 ischemic rats received cathodal transcranial direct current stimulation with the same protocol but starting soon after middle cerebral artery occlusion and lasting 6h. In both experiments controls were 12 ischemic rats not receiving stimulation. Cathodal stimulation reduced the infarct volume in the first experiment by 20% (p=0.002) and in the second by 30% (p=0.003). The area of cerebral infarction was smaller in animals receiving cathodal stimulation in both experiments (p=0.005). Cathodal stimulation reduced the number of depolarizations (p=0.023) and infarct volume correlated with the number of depolarizations (p=0.048). Our findings indicate that cathodal transcranial direct current stimulation exert a neuroprotective effect in the acute phase of stroke possibly decreasing the number of spreading depolarizations. These findings may have translational relevance and open a new avenue in neuroprotection of stroke in humans.

Studying the neurobiology of social interaction with transcranial direct current stimulation--the example of punishing unfairness.

Studying social behavior often requires the simultaneous interaction of many subjects. As yet, however, no painless, noninvasive brain stimulation tool existed that allowed the simultaneous affection of brain processes in many interacting subjects. Here we show that transcranial direct current stimulation (tDCS) can overcome these limits. We apply right prefrontal cathodal tDCS and show that subjects' propensity to punish unfair behavior is reduced significantly.

Diminishing risk-taking behavior by modulating activity in the prefrontal cortex: a direct current stimulation study.

Studies have shown increased risk taking in healthy individuals after low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation, known to transiently suppress cortical excitability, over the right dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). It appears, therefore, plausible that differential modulation of DLPFC activity, increasing the right while decreasing the left, might lead to decreased risk taking, which could hold clinical relevance as excessively risky decision making is observed in clinical populations leading to deleterious consequences. The goal of the present study was to investigate whether risk-taking behaviors could be decreased using concurrent anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) of the right DLPFC, which allows upregulation of brain activity, with cathodal tDCS of the left DLPCF, which downregulates activity. Thirty-six healthy volunteers performed the risk task while they received either anodal over the right with cathodal over the left DLPFC, anodal over the left with cathodal over the right DLPFC, or sham stimulation. We hypothesized that right anodal/left cathodal would decrease risk-taking behavior compared with left anodal/right cathodal or sham stimulation. As predicted, during right anodal/left cathodal stimulation over the DLPFC, participants chose more often the safe prospect compared with the other groups. Moreover, these participants appeared to be insensitive to the reward associated with the prospects. These findings support the notion that the interhemispheric balance of activity across the DLPFCs is critical in decision-making behaviors. Most importantly, the observed suppression of risky behaviors suggests that populations with boundless risk-taking behaviors leading to negative real-life consequences, such as individuals with addiction, might benefit from such neuromodulation-based approaches.