Augmentation du calcium intracellulaire et origines

L’augmentation du calcium intracellulaire relié à une cytotoxicité après un influx de calcium extracellulaire a été mise en évidence sur différents types de neurones (Sattler and Tymianski 2000) :

¾ sur des axones amputés (Schlaepfer and Bunge 1973), ¾ sur des cultures corticales (Choi 1985),

¾ sur les cultures d’hippocampe (Michaels and Rothman 1990), ¾ sur les cultures spinales (MacDermott et al. 1986),

¾ sur les culture de cellules granulaires du cervelet (Milani et al. 1991), ¾ sur les cultures striatales (Murphy et al. 1987b; Freese et al. 1990), ¾ sur les tranches de cortex pyriforme (Hori et al. 1985),

¾ sur les tranches de cervelet (Garthwaite et al. 1986), ¾ sur les tranches striatales (Calabresi et al. 1990)

¾ sur les tranches hippocampales (Seubert et al. 1988).

Selon le type neuronal étudié, cette neurotoxicité retardée dépendante du calcium peut être consécutive à l’entrée de calcium via les récepteurs du NMDA, via les récepteurs non- NMDA ou via les canaux calciques (Sattler and Tymianski 2000).

L’activation des récepteurs NMDA a été mise en évidence dans les neurones corticaux

(Choi et al. 1988; Hartley et al. 1993), les neurones spinaux (MacDermott et al. 1986), les neurones d’hippocampe (Michaels and Rothman 1990),les neurones striataux après au moins deux semaines de culture (Koroshetz et al. 1990; Freese et al. 1992), sur les tranches hippocampales (Seubert et al. 1988) et striatales (Calabresi et al. 1990). L’activation des récepteurs non-NMDA a été mise en évidence dans les neurones cotricaux (Koh et al. 1990), les neurones spinaux (MacDermott et al. 1986), les neurones hippocampaux (Jahr and Stevens 1987), les neurones striataux (Chen et al. 1995) et les tranches striatales (Calabresi et al. 1990). Les canaux calciques voltage-dépendant peuvent être activés secondairement à l’activation de récepteurs NMDA dans les tranches corticostriatales (Akopian and Walsh 2002).

In vivo, l’intervention du calcium dans le mécanisme de l’excitotoxicité est

partiellement ou indirectement mise en évidence. En effet, la réduction du calcium extracellulaire a été observée dans la solution de perfusion de microdialyse en présence de kaïnate perfusé dans le striatum (Butcher et al. 1987). De même, la perfusion de NMDA par microdialyse dans l’hippocampe de lapin s’accompagne d’une réduction de la concentration de 45Ca2+ dans le dialysat, reflet d’un influx calcique. Dans un modèle d’ischémie cérébrale ou de maladie de Parkinson induite par l’injection de 6-hydroxydopamine chez le rat, l’autoradiographie du 45Ca2+, injecté par voie intraveineuse avant la lésion est superposable à la région lésée (Dienel 1984; Gramsbergen et al. 1988). En parallèle, l’injection de kaïnate chez le chat s’accompagne d’une imagerie par PET au 55Co2+ marquant le Ca2+ superposable à la zone lésée (Gramsbergen et al. 1988). Par la suite, ce même groupe a mis en évidence une accumulation de 45Ca2+ dans le striatum et la substance noire de rat, dépendant du temps et de la dose de quinolinate injecté dans le striatum (Gramsbergen and van der Sluijs-Gelling 1993). L’accumulation striatale de 45Ca2+ se fait dans les 48 heures suivant l’injection, en corrélation avec le développement de la lésion détectée par la disparition de la glutamate décarboxylase, avec une présence restreinte au site d’injection après 6H qui s’étend à la presque totalité du striatum par la suite, détectable 6 semaines plus tard (Gramsbergen and van der Sluijs-Gelling 1993). La substance noire ipsilatérale accumule le 45Ca2+ avec un maximum atteint 7 jours plus tard, reflétant soit le temps nécessaire à la mort retardée induite par l’excitotoxine endogène soit la neurodégénérescence des terminaisons nerveuses striatonigrales (Gramsbergen and van der Sluijs-Gelling 1993). En parallèle, des dépôts de calcium intra et extracellulaires ont été observés dans la région du cerveau lésée par l’injection d’AMPA, comme l’hippocampe et le cortex préfrontal, plus de 30 jours après la lésion (Rodriguez et al. 2000). Ceci a aussi été observé dans le cortex et l’hippocampe de cerveaux de patients atteints de pathologies neurodégénératives chronique et aiguës susceptibles d’être associées à l’excitotoxicité, comme la maladie d’Alzheimer, la démence vasculaire et l’ischémie cérébrale (Ramonet et al. 2002). Par ailleurs, l’utilisation de différents chélateurs du calcium comme le BAPTA (Abdel-Hamid and Tymianski 1997) et le PAN-811

(Jiang et al. 2006) ont un effet neuroprotecteur dans des modèles d’ischémie in vitro ou in

vivo. De même, la surexpression de la calbindine permet de protéger une culture primaire

striatale de la mort cellulaire induite par le NMDA (Koroshetz et al. 1990). Les autres éléments en faveur d’une augmentation de la concentration du calcium in vivo, est la détection de protéases activées par le calcium ou plus exactement de leurs substrats sous la forme protéolysée dans les modèles d’excitotoxicité ou dans certaines pathologies neurodégénératives.

La présence du calcium en excès dans la cellule n’est cependant pas toujours reliée ou indispensable à une cytotoxicité. Paradoxalement, dans les cellules rétiniennes et les cellules ganglionnaires ciliées, la surcharge calcique intracellulaire ne s’accompagne pas de

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Figure 69 : Compartiments intracellulaire impliqués dans la gestion du calcium

Figure représentant les différents compartiments de gestion du calcium issue de (Carafoli 2004).

La concentration extracellulaire de calcium libre est d’environ 1mM alors que la concentration intracellulaire de calcium libre est maintenue à 100nM par les protéines tampon du calcium et les différents compartiments intracellulaires comme la mitochondrie, le réticulum endoplasmique et éventuellement le noyau. Le calcium entre dans la cellule par les canaux calciques membranaires et ressort par l’ATPase membranaire (PMCA) ou l’échangeur Na+_/Ca2+ _{membranaire (NCX). Dans la}

cellule, il rentre dans la mitochondrie par un uniporteur et ressort contre l’entrée du sodium alors que le calcium rentre dans le réticulum par une Ca2+-ATPase (pompe SERCA) et ressort par les canaux activés par l’inositol-3-phosphate (InsP3/cADPr) ou les canaux ryanodine activés par l’ADP-ribose cyclique (cADPr) ou par l’acide nicotinique ADP.

neurodégénérescence (Price et al. 1985; Collins et al. 1991). En parallèle, la cytotoxicité peut être observée même en absence de calcium extracellulaire lors de l’ajout de kaïnate sur les neurones granulaires du cervelet (Kato et al. 1991). De même, une neuroprotection des culture d’hippocampe vis-à-vis de la cytotoxicité du kaïnate par le MK-801 peut s’observer en présence d’une élévation de la concentration de calcium intracellulaire (Michaels and Rothman 1990). Ceci s’explique par le fait que plusieurs paramètres interviennent pour que la surcharge calcique intracellulaire soit toxique. Premièrement, elle dépendrait plutôt de l’influx net de calcium plutôt que de la concentration intracellulaire atteinte (Kurth et al. 1989).

Secondairement, ce serait la gestion du calcium intracellulaire par les organelles de stockage et les protéines « tampon » du calcium, qui interviendrait surtout dans la toxicité (Figure 69)

(Carafoli 2004). Ainsi la capture du calcium par la mitochondrie suivie du relargage lent dans le cytosol constiturait le point central de la toxicité du calcium. Celui-ci a été mis en évidence par l’inhibition de la toxicité du glutamate sur une culture primaire de neurones du cerveau antérieur de rat par l’inhibition de la capture du calcium par la mitochondrie (Stout et al. 1998). Finalement, l’élévation calcique résultant ou non d’une libération mitochondriale, permet la formation de radicaux libres (Coyle and Puttfarcken 1993), l’activation de différentes enzymes (Lipton and Rosenberg 1994) pour aboutir à la mort neuronale.