Ninjurin-1 est une molécule d'adhérence de la barrière hémato-encéphalique impliquée dans le recrutement de monocytes au sein du système nerveux central

La sclérose en plaques (SEP) est caractérisée par des infiltrations périvasculaires de cellules immunitaires et par de la démyélinisation au sein du système nerveux central (SNC). Ces deux paramètres de la maladie sont associés à la fragilisation de la barrière hémato-encéphalique (BHE). En ce sens, le recrutement des cellules présentatrices d’antigène (CPA) myéloïdes, telles que les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques, dans le SNC à travers la BHE, est une étape cruciale dans l’initiation et la persistance de l’inflammation cérébrale. Nerve injury-induced protein (Ninjurin)-1 est une nouvelle molécule d’adhérence qui médie une interaction de type homophilique et dont l’expression sur l’endothélium vasculaire de la BHE humaine fut identifiée grâce à une analyse protéomique des protéines associées à la BHE. Les résultats présentés dans ce mémoire montrent que l’expression de Ninjurin-1 augmente dans un contexte inflammatoire dans les cultures primaires de cellules endothéliales de la BHE (CE-BHE) et sur les CPA myéloïdes humaines ex vivo et générées in vitro. De plus, les CPA infiltrantes retrouvées dans les lésions cérébrales de patients atteints de SEP et dans le SNC des souris atteintes d’encéphalomyélite autoimmune expérimentale (EAE), le modèle murin de la SEP, expriment de hauts niveaux de Ninjurin-1. À l’aide du modèle in vitro de la BHE, la neutralisation de Ninjurin-1 restreint spécifiquement la migration des monocytes à travers les CE-BHE sans affecter le recrutement des lymphocytes, ni la perméabilité des CE-BHE. Enfin, les souris atteintes d’EAE et traitées avec un peptide bloquant dirigé contre Ninjurin-1 présentent une maladie moins sévère ainsi qu’une diminution des CPA infiltrant le SNC et ce comparé au groupe contrôle. Ces résultats suggèrent que Ninjurin-1 est une molécule d’adhérence de la BHE impliquée dans le recrutement de CPA myéloïdes au sein du SNC et qu’elle peut être considérée comme une cible thérapeutique potentielle en SEP.

Modulation de la réponse immunitaire dans le cerveau par la barrière hémato-encéphalique : implication en sclérose en plaques

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire du système nerveux central (SNC) caractérisée par une infiltration périvasculaire de cellules mononucléaires, telles que les lymphocytes T CD4+ et CD8+, les lymphocytes B ainsi que les cellules myéloïdes qui comprend les monocytes, les macrophages et les cellules dendritiques (DCs). Ce phénomène d’infiltration est dû à une fragilisation de la barrière hémato-encéphalique (BHE). L’entrée des cellules immunitaires au SNC va mener à la destruction de la gaine de myéline et donc à l’apparition de plaques de démyélinisation. Ainsi, nous avons émis l’hypothèse que la migration des divers sous-types de cellules immunitaires du sang périphérique à travers la BHE est contrôlée par des mécanismes moléculaires distincts et spécifiques à chaque type cellulaire. Afin de répondre à cette hypothèse, quatre différentes études ont été mises sur pieds. En premier lieu, nous démontrons un effet bénéfique des statines sur la BHE en SEP, en diminuant la migration des lymphocytes T et des monocytes, et en diminuant la diffusion de marqueurs moléculaire soluble. Ce phénomène s’opère via la suppression du processus d’isoprenylation, et en empêchant probablement la contraction des cellules endothéliales de la BHE. De plus, nous démontrons que les monocytes qui migrent au SNC en condition inflammé sont en mesures de se différencier en DCs et d’induire une réponse inflammatoire de la part des lymphocytes T CD4+. La migration des monocytes à travers la BHE est contrôlée par une nouvelle molécule d’adhérence nommée Ninjurin-1. Le blocage de Ninjurin-1 conduit à une inhibition spécifique de la migration des monocytes in vitro, ainsi qu’à une amélioration des signes cliniques du modèle animal de la SEP, soit l’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE). Finalement, nous démontrons que la migration des lymphocytes T CD8+ au SNC s’effectue via l’intégrine alpha-4. De plus, la majorité des lymphocytes T CD8+ que l’on retrouve dans le liquide céphalo-rachidien de patients SEP, dans le SNC de souris EAE ainsi que dans le SNC de souris infectée au virus de l’hépatite murine portent un phénotype effecteur mémoire. Ces données pourraient expliquer l’émergence de leucoencéphalopathie multifocale progressive observée chez certains patients SEP traités au natalizumab, un anticorps dirigé contre l’intégrine alpha-4. En conclusion, notre étude a permis de démontrer l’importance des monocytes provenant de la périphérie dans le processus inflammatoire prenant part au SNC en SEP. L’inhibition d’entrée de ces cellules pourrait s’avérer bénéfique en SEP tout en permettant l’immuno-surveillance du cerveau, ce que l’anti-alpha-4 intégrine ne permet pas. Les statines pourraient s’avérer une autre option intéressante puisqu’elles agissent sur les processus inflammatoires impliqués dans la SEP.

Nerve Injury-Induced Neuropathic Pain Causes Disinhibition of the Anterior Cingulate Cortex

Neuropathic pain caused by peripheral nerve injury is a debilitating neurological condition of high clinical relevance. On the cellular level, the elevated pain sensitivity is induced by plasticity of neuronal function along the pain pathway. Changes in cortical areas involved in pain processing contribute to the development of neuropathic pain. Yet, it remains elusive which plasticity mechanisms occur in cortical circuits. We investigated the properties of neural networks in the anterior cingulate cortex (ACC), a brain region mediating affective responses to noxious stimuli. We performed multiple whole-cell recordings from neurons in layer 5 (L5) of the ACC of adult mice after chronic constriction injury of the sciatic nerve of the left hindpaw and observed a striking loss of connections between excitatory and inhibitory neurons in both directions. In contrast, no significant changes in synaptic efficacy in the remaining connected pairs were found. These changes were reflected on the network level by a decrease in the mEPSC and mIPSC frequency. Additionally, nerve injury resulted in a potentiation of the intrinsic excitability of pyramidal neurons, whereas the cellular properties of interneurons were unchanged. Our set of experimental parameters allowed constructing a neuronal network model of L5 in the ACC, revealing that the modification of inhibitory connectivity had the most profound effect on increased network activity. Thus, our combined experimental and modeling approach suggests that cortical disinhibition is a fundamental pathological modification associated with peripheral nerve damage. These changes at the cortical network level might therefore contribute to the neuropathic pain condition.

Large A-fiber activity is required for microglial proliferation and p38 MAPK activation in the spinal cord: different effects of resiniferatoxin and bupivacaine on spinal microglial changes after spared nerve injury.

BACKGROUND: After peripheral nerve injury, spontaneous ectopic activity arising from the peripheral axons plays an important role in inducing central sensitization and neuropathic pain. Recent evidence indicates that activation of spinal cord microglia also contributes to the development of neuropathic pain. In particular, activation of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in spinal microglia is required for the development of mechanical allodynia. However, activity-dependent activation of microglia after nerve injury has not been fully addressed. To determine whether spontaneous activity from C- or A-fibers is required for microglial activation, we used resiniferatoxin (RTX) to block the conduction of transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1) positive fibers (mostly C- and Adelta-fibers) and bupivacaine microspheres to block all fibers of the sciatic nerve in rats before spared nerve injury (SNI), and observed spinal microglial changes 2 days later. RESULTS: SNI induced robust mechanical allodynia and p38 activation in spinal microglia. SNI also induced marked cell proliferation in the spinal cord, and all the proliferating cells (BrdU+) were microglia (Iba1+). Bupivacaine induced a complete sensory and motor blockade and also significantly inhibited p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord. In contrast, and although it produced an efficient nociceptive block, RTX failed to inhibit p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord. CONCLUSION: (1) Blocking peripheral input in TRPV1-positive fibers (presumably C-fibers) is not enough to prevent nerve injury-induced spinal microglial activation. (2) Peripheral input from large myelinated fibers is important for microglial activation. (3) Microglial activation is associated with mechanical allodynia.

Distinct ASIC currents are expressed in rat putative nociceptors and are modulated by nerve injury.

The H(+)-gated acid-sensing ion channels (ASICs) are expressed in dorsal root ganglion (DRG) neurones. Studies with ASIC knockout mice indicated either a pro-nociceptive or a modulatory role of ASICs in pain sensation. We have investigated in freshly isolated rat DRG neurones whether neurones with different ASIC current properties exist, which may explain distinct cellular roles, and we have investigated ASIC regulation in an experimental model of neuropathic pain. Small-diameter DRG neurones expressed three different ASIC current types which were all preferentially expressed in putative nociceptors. Type 1 currents were mediated by ASIC1a homomultimers and characterized by steep pH dependence of current activation in the pH range 6.8-6.0. Type 3 currents were activated in a similar pH range as type 1, while type 2 currents were activated at pH < 6. When activated by acidification to pH 6.8 or 6.5, the probability of inducing action potentials correlated with the ASIC current density. Nerve injury induced differential regulation of ASIC subunit expression and selective changes in ASIC function in DRG neurones, suggesting a complex reorganization of ASICs during the development of neuropathic pain. In summary, we describe a basis for distinct cellular functions of different ASIC types in small-diameter DRG neurones.

Neuropathic Pain Phenotype Does Not Involve the NLRP3 Inflammasome and Its End Product Interleukin-1β in the Mice Spared Nerve Injury Model.

The NACHT, LRR and PYD domains-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome is one of the main sources of interleukin-1β (IL-1β) and is involved in several inflammatory-related pathologies. To date, its relationship with pain has not been studied in depth. The aim of our study was to elucidate the role of NLRP3 inflammasome and IL-1β production on neuropathic pain. Results showed that basal pain sensitivity is unaltered in NLRP3-/- mice as well as responses to formalin test. Spared nerve injury (SNI) surgery induced the development of mechanical allodynia and thermal hyperalgesia in a similar way in both genotypes and did not modify mRNA levels of the NLRP3 inflammasome components in the spinal cord. Intrathecal lipopolysaccharide (LPS) injection increases apoptosis-associated speck like protein (ASC), caspase-1 and IL-1β expression in both wildtype and NLRP3-/- mice. Those data suggest that NLRP3 is not involved in neuropathic pain and also that other sources of IL-1β are implicated in neuroinflammatory responses induced by LPS.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: Modulation in the spared nerve injury model of neuropathic pain.

Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltage-gated sodium channels (VGSCs), which gives rise to allodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC α-subunits (Na(v)), in particular Na(v)1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Na(v)1.7 and Na(v)1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in sham-operated animals, seven days after SNI and 48h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7±2.7% and 55.0±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Na(v)1.7 and Na(v)1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9±1.9% to 33.5±0.7% (p<0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%±0.13% of its basal level (p<0.01, n=4 animals in each group, mean±SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Na(v)s involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the spared nerve injury model of neuropathic pain

Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltage-gated sodium channels (VGSCs), which gives rise to allodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC α-subunits (Na(v)), in particular Na(v)1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Na(v)1.7 and Na(v)1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in sham-operated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7 ± 2.7% and 55.0 ± 3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Na(v)1.7 and Na(v)1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9 ± 1.9% to 33.5 ± 0.7% (p<0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44% ± 0.13% of its basal level (p<0.01, n=4 animals in each group, mean ± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Na(v)s involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Evidence that N-acetylcysteine inhibits TNF-alpha-induced cerebrovascular endothelin-1 upregulation via inhibition of mitogen- and stress-activated protein kinase

N-acetylcysteine (NAC) is neuroprotective in animal models of acute brain injury such as caused by bacterial meningitis. However, the mechanism(s) by which NAC exerts neuroprotection is unclear. Gene expression of endothelin-1 (ET-1), which contributes to cerebral blood flow decline in acute brain injury, is partially regulated by reactive oxygen species, and thus a potential target of NAC. We therefore examined the effect of NAC on tumor necrosis factor (TNF)-alpha-induced ET-1 production in cerebrovascular endothelial cells. NAC dose dependently inhibited TNF-alpha-induced preproET-1 mRNA upregulation and ET-1 protein secretion, while upregulation of inducible nitric oxide synthase (iNOS) was unaffected. Intriguingly, NAC had no effect on the initial activation (i.e., IkappaB degradation, nuclear p65 translocation, and Ser536 phosphorylation) of NF-kappaB by TNF-alpha. However, transient inhibition of NF-kappaB DNA binding suggested that NAC may inhibit ET-1 upregulation by inhibiting (a) parallel pathway(s) necessary for full transcriptional activation of NF-kappaB-mediated ET-1 gene expression. Similar to NAC, the MEK1/2 inhibitor U0126, the p38 inhibitor SB203580, and the protein kinase inhibitor H-89 selectively inhibited ET-1 upregulation without affecting nuclear p65 translocation, suggesting that NAC inhibits ET-1 upregulation via inhibition of mitogen- and stress-activated protein kinase (MSK). Supporting this notion, cotreatment with NAC inhibited the TNF-alpha-induced rise in MSK1 and MSK2 kinase activity, while siRNA knock-down experiments showed that MSK2 is the predominant isoform involved in TNF-alpha-induced ET-1 upregulation.

Assessment and analysis of mechanical allodynia-like behavior induced by spared nerve injury (SNI) in the mouse

Rrésumé: La première description dans une publication médicale des douleurs neuropathiques remonte à 1872, le Dr S.W. Mitchell les résumant ainsi [...]" la causalgie est la plus terrible des tortures qu'une lésion nerveuse puisse entraîner "[...]. Par définition, la douleur neuropathique est une douleur chronique faisant suite à une lésion ou dysfonction du système nerveux. Malgré les progrès faits dans la compréhension de ce syndrome, le détail des mécanismes impliqués nous échappe encore et son traitement reste insuffisant car moins de 50% des patients sont soulagés par les thérapies actuelles. Différents modèles expérimentaux ont été élaborés chez l'animal de laboratoire, en particulier des modèles de lésion de nerfs périphériques chez le rat, permettant des investigations tant moléculaires que fonctionnelles des mécanismes impliqués dans le développement de ces douleurs. En revanche, peu de modèles existent chez la souris, alors que cet animal, grâce à la transgénèse, est très fréquemment utilisé pour l'approche fonctionnelle ciblée sur un gène. Dans l'étude présentée ici, nous avons évalué chez la souris C57BL/6 l'adaptation d'un modèle neuropathique, proposé une nouvelle modalité de mesure de la sensibilité douloureuse adaptée à la souris et défini une méthode d'analyse performante des résultats. Ce modèle, dit de lésion avec épargne nerveuse (spared Werve injury, SNI), consiste en la lésion de deux des trois branches du nerf sciatique, soit les nerfs peronier commun et tibial. La troisième branche, le nerf sural est laissé intact et c'est dans le territoire cutané de ce dernier que la sensibilité douloureuse à des stimulations mécaniques est enregistrée. Des filaments calibrés de force croissante sont appliqués sur la surface de la patte impliquée et la fréquence relative de retrait de la patte a été modélisée mathématiquement et analysée par un modèle statistique intégrant tous les paramètres de l'expérience (mixed-effects model). Des variantes chirurgicales lésant séquentiellement les trois branches du nerf sciatique ainsi que la réponse en fonction du sexe de l'animal ont également été évaluées. La lésion SNI entraîne une hypersensibilité mécanique marquée comparativement aux souris avec chirurgie contrôle; cet effet est constant entre les animaux et persiste durant les quatre semaines de l'étude. De subtiles différences entre les variables, y compris une divergence de sensibilité mécanique entre les sexes, ont été démontrées. La nécessité de léser le nerf tibial pour le développement des symptômes a également été documentée par notre méthode d'évaluation et d'analyse. En conclusion, nous avons validé le modèle SNI chez la souris par l'apparition d'un symptôme reproductible et apparenté à l'allodynie mécanique décrite par les patients souffrant de douleurs neuropathiques. Nous avons développé des méthodes d'enregistrement et d'analyse de la sensibilité douloureuse sensibles qui permettent la mise en évidence de facteurs intrinsèques et extrinsèques de variation de la réponse. Le modèle SNI utilisé chez des souris génétiquement modifiées, de par sa précision et reproductibilité, pourra permettre la discrimination de facteurs génétiques et épigénétiques contribuant au développement et à la persistance de douleurs neuropathiques.

Characterization of TcSTI-1, a homologue of stress-induced protein-1, in Trypanosoma cruzi

The life cycle of the protozoan Trypanosoma cruzi exposes it to several environmental stresses in its invertebrate and vertebrate hosts. Stress conditions are involved in parasite differentiation, but little is known about the stress response proteins involved. We report here the first characterization of stress-induced protein-1 (STI-1) in T. cruzi (TcSTI-1). This co-chaperone is produced in response to stress and mediates the formation of a complex between the stress proteins HSP70 and HSP90 in other organisms. Despite the similarity of TcSTI-1 to STI-1 proteins in other organisms, its expression profile in response to various stress conditions, such as heat shock, acidic pH or nutrient starvation, is quite different. Neither polysomal mRNA nor protein levels changed in exponentially growing epimastigotes cultured under any of the stress conditions studied. Increased levels of TcSTI-1 were observed in epimastigotes subjected to nutritional stress in the late growth phase. Co-immunoprecipitation assays revealed an association between TcSTI-1 and TcHSP70 in T. cruzi epimastigotes. Immunolocalization demonstrated that TcSTI-1 was distributed throughout the cytoplasm and there was some colocalization of TcSTI-1 and TcHSP70 around the nucleus. Thus, TcSTI-1 associates with TcHSP70 and TcSTI-1 expression is induced when the parasites are subjected to stress conditions during specific growth phase.

The expressions of GABA and glutannate transporters are altered in the spared nerve injury model of neuropathic pain in the rat

Neuropathic pain is a common form of chronic pain, and is unsuccessfully alleviated by usual medications. Mounting evidence strongly point at non-neuronal glial cells in the spinal cord as key actors behind the persistence of pain. In particular, a change in the astrocytic capacity to regulate extracellular concentrations of neurotransmitters might account for the strengthened spinal nociceptive neurotransmission. Therefore, we investigated whether spinal expressions of GABA (GAT) and glutamate (EAAT) transporters were affected in the spared nerve injury (SNI) rat model of neuropathic pain. SNI was induced in male Sprague-Dawley rats by a unilateral section of tibial and common peroneal branches of the sciatic nerve, leaving the sural branch untouched. Western-blot analysis was performed to study the expression of GAT-1 and GAT-3 as well as EAAT-1 and EAAT-2, the main astrocytic GABA and glutamate transporters respectively. Seven days post-surgery, a significant increase in GAT-1, GAT-3 and EAAT-1 expressions is detected in both ipsilateral and contralateral sides of lumbar spinal cord in comparison to sham animals. No change in EAAT-2 signal could be detected. Furthermore, the astrocytic reaction parallels the glutamate and GABA transporters changes as we found an increased GFAP expression compared to the sham condition, in both spinal sides. Together, our results indicate that modifications in GABA and glutamate transport may occur along with SNI-associated painful neuropathy and identify spinal neurotransmitter reuptake machinery as a putative pharmacological target in neuropathic pain.

A selective nociceptive block is not sufficient to prevent central changes after peripheral nerve injury

Background: Providing analgesia without suppressing motor or sensory function is a challenge for regional anesthesia and postoperative pain management. Resiniferatoxin (RTX), an ultrapotent agonist for transient receptor potential subtype-1 (TRPV1) can produce this selective blockade, as TRPV1 is selectively expressed on nociceptors. Futhermore, after peripheral nerve injury, spontaneous ectopic activity arises from all types of nerve fibers that can affect spinal neurons and glial cells. The goal of the present experiment is to determine whether spontaneous activity generated in C-fibers or in both A&C-fibers is required for microglia activation. Method: We applied RTX (0.01%) or bupivacaine microspheres to the sciatic nerve of rats to block the conduction of C-fibers or A&C-fibers, respectively, before spared nerve injury (SNI). Behavior was tested and all the rats were sacrificed 2 days later; immunohistochemistry was performed on their spinal cord for mitogen-activated protein kinase (MAPK) p38, bromodeoxyuridine (BrdU, marker of proliferation) and Iba1 (microglial marker). Result: At day 2 after SNI robust mechanical allodynia and p38 activation in spinal microglia were documented. There was also a substantial cell proliferation in the spinal cord, all proliferating cells (BrdU+) being microglia (Iba1+). RTX blocked heat sensitivity and produced heat hypoalgesia without affecting mechanical allodynia and motor function. Microglial proliferation and p38 activation in the spinal cord were not affected by RTX (p >0.05). In contrast, a complete sensory and motor blockade was seen with bupivacaine which also significantly inhibited p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord (p <0.05). Conclusion: We conclude that (1) RTX can provide a selective nociceptive blockade but that (2) blocking only nociceptive fibers does not impair the development of mechanical allodynia and microglia activation. Therefore (3) if microglia activation is important for chronic pain development then specific nociceptive blockade won't be sufficient to prevent it.

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.