Conséquences de la toxicité du plomb sur l'activité des ganglions de la base et les rythmes circadiens chez le rat : Approches électrophysiologique, neurochimique et anatomo-fonctionnelle

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«La science consiste à passer d'un étonnement à un autre » 

Aristote  

                         

         

A la mémoire de mon papa chéri, 

A ma très tendre mère,  

Ames sœurs et mes frères, 

Amon mari chéri,  

A la mémoire de mon frère Mohammed, 

A toute ma famille que j’aime, 

A mes ami(e)s, 

             

REMERCIEMENTS 

Une  partie  des  travaux  de  recherche  a  été  réalisé  au  sein  du  laboratoire  « Rythmes Biologiques, Neurosciences et Environnement » à la Faculté Des Sciences de  Rabat sous la direction du Pr. Nouria Lakhdar­Ghazal et une autre partie a été réalisée  au  sein  du  laboratoire  «Mouvement  Adaptation  et  Cognition»  puis  de  «l’institut  des  maladies  neurodégénératives»  de  l’université  Bordeaux  2  sous  la  direction  du  Dr.  Abdelhamid Benazzouz.  

Je  tiens tout  d’abord  à  remercier mon  Directeur  de thèse,  Pr. Nouria  Lakhdar­ Ghazal  particulièrement  pour  la  confiance  qu’elle  m’a  accordée  durant  ces  années.  D’abord,  de  m’avoir  accueilli  au  sein  de  son  laboratoire,  pour  les  discussions  scientifiques et extrascientifiques que nous avons pu avoir. Je souhaiterais également lui  exprimer  toute  ma  reconnaissance,  d’avoir  toujours  cru  en  moi.  Elle  m’a  donné  ma  chance, en me permettant d’effectuer d’abord un DESA et puis un  Doctorat au sein de  son  laboratoire.  Elle  m'a  encouragé  continuellement  à  aller  acquérir  de  l’expérience  dans  d’autres  structures  de  recherche.  Sans  nul  doute,  c’est  l’excellence  de  l’encadrement dans son laboratoire, son ouverture d’esprit et ses conseils judicieux qui  m’ont permis d’effectuer et mener à bien cette thèse. Je lui souhaite de recevoir au moins  la moitié de l’amour, et de la bonne humeur qu’elle en partage avec les autres.  

Mes  remerciements  s’adressent  également  à  Monsieur  le  Dr.  Abdelhamid  Benazzouz, mon co‐directeur de thèse, qui a dirigé cette thèse en y apportant conseils et  soutien. Je le remercie d’avoir accepté de m’accueillir dans son laboratoire et de m’avoir  personnellement encadré pendant cette période et de m’avoir aidé à avancer dans mon  travail de recherche. Je lui suis particulièrement reconnaissante pour la confiance qu’il  m’a témoignée et l’expérience dont il m’a fait bénéficier ainsi que ses précieux conseils  ayant  contribué  à  l’aboutissement  de  ce  travail.  Qu’il  soit  assuré  de  ma  profonde  reconnaissance. Mes sincères remerciements ainsi que mon plus profond respect. 

Je  tiens  à  remercier  particulièrement  Monsieur  Wail  Benjelloun,  Président  de  l’Université Mohammed V‐ Agdal et Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, pour  l’honneur qu’il me fait en présidant ce jury, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail et pour  ses  qualités  humaines  et  scientifiques.  Qu’il  trouve  ici  l’expression  de  ma  profonde  gratitude. 

J’adresse  mes  sincères  remerciements  à  Madame  le  professeur  Saloua  El  Ouezzani,  Professeur  à  la  Faculté  des  Sciences  de  Fès,  pour  avoir  acceptée  d’être  rapporteur de ma thèse et de siéger parmi les membres du jury. Qu’elle soit assurée de  ma profonde reconnaissance. 

Mes sincères remerciements au Docteur Howard Cooper, Directeur de l’équipe  de  recherche :  Inserm  U846,  à  l’Institut  Cellule  Souche  et  Cerveau  à  Bron,  de  m’avoir  accueillie  dans  son  laboratoire  et  d’avoir  mis  à  ma  disposition  tous  les  moyens  scientifiques  pour  la  réalisation  d’une  partie  de  ce  travail  et  d’avoir  accepté  d’être  rapporteur de ma thèse. Qu’il trouve ici le témoignage de mon profond respect. 

Je  tiens  à  exprimer  ma  plus  grande  estime  au  Docteur  Roger  Butterworth,  professeur à la Faculté de Médecine à l’Université de Montréal et directeur de l’unité de  recherche  des  sciences  neurologiques  CHUM  Hôpital  St‐Luc  à  Montréal,  pour  les  discussions  enrichissantes  et  pour  son  soutien  moral  et  scientifique  incessant,  de  sa  générosité et disponibilité qui m’ont aidé à dépasser beaucoup de moments difficiles, et  d’avoir  accepté  de  nous  faire  profiter  de  son  expérience  en  acceptant  d'examiner  ce  travail  malgré  ses  nombreuses  occupations.  C’est  pour  moi  un  grand  honneur  de  bénéficier  de  ses  critiques  et  ses  encouragements,  qu’il  soit  assuré  de  ma  sincère  reconnaissance et ma profonde gratitude.  

Je remercie Monsieur Saaid Amzazi, doyen de la faculté des Sciences de Rabat et  le  responsable  de  l’UFR  Biochimie‐Immunologie  d’avoir  accepté  mon  inscription  dans  l’UFR et pour les facilités et les moyens qu’il a mis à ma disposition pour que cette thèse  puisse être soutenue.  

Je remercie chaleureusement Monsieur Philippe De Deurwaerdère, professeur  et  chercheur  «l’institut  des  maladies  neurodégénératives»  (CNRS  UMR  5293)  de  l’université Victor Segalen Bordeaux 2 pour m’avoir accueilli dans son laboratoire, à qui  je dois mes premières connaissances en techniques de Chromatographie liquide à haute  pression.  Cette  expérience  a  été  pour  moi  très  enrichissante.  Je  le  remercie  pour  sa  confiance, sa gentillesse, sa disponibilité et son engagement ont définitivement marqué  mon passage dans ce laboratoire. Qu’il soit assuré de toute ma gratitude. 

Mes  sincères  remerciements  vont  à  Madame  Houria  Dkhissi­Benyahya,  pour  son aide précieuse lors des analyses des actogrammes via ClockLab. Qu’elle soit assurée  de ma sincère reconnaissance.  

Je  tiens  à  exprimer  ma  grande  considération  à  Madame  Soumaya  Benomar,  professeur à la faculté des Sciences de Rabat et membre du groupe de recherche sur les  rythmes  biologiques  et  l’environnement,  pour  sa  générosité  et  son  soutien  moral  et  scientifique. 

J’adresse  toute  ma  reconnaissance  aux  enseignants  du  groupe  de  Physiologie  Animale,  en  particulier  le  Professeur  Khalid  Taghzouti,  Directeur  du  Laboratoire  et  professeur à la Faculté des Sciences,  Rabat. 

Mes remerciements aux Chercheurs du Centre de Recherches CNESTEN à Rabat  que  je  nomme  Dr.  Laila  Benbacer  et  Mr.  El  Mzibri  de  m’avoir  permis  d’utiliser  leur  matériel « Cryostat » pour la confection des coupes histologiques. 

Ce travail a été financé par GDRI‐Neuro, NEUROMED, Volubilis, et le programme Rhône‐ Alpes. Je remercie tous ces organismes pour leurs soutiens. 

Je souhaite remercier…ceux qui ont initié ma marche dans ce laboratoire …   Rachid  El  Moussaouiti  de  m’avoir  initié  la  perfusion  trans‐cardiaque  et  l’immunocytochimie, et pour ses qualités scientifiques et sa disponibilité. 

Simo  Chekkabeb  avec  son  grand  cœur  et  son  ouverture  d’esprit,  m’a  appris  la  confection des coupes, le montage et l’hybridation in situ… 

Claire  Delaville,  ma  première  co‐équipière  au  sein  du  laboratoire  de  «  Mouvement Adaptation et  Cognition» (CNRS UMR 5227) qui a guidé mes premiers pas  aussi bien dans le laboratoire que dans la ville « Bordeaux ». C’est à elle que je dois mes  premières  connaissances  en  techniques  d’électrophysiologie  et  comportement.  Merci  pour  ta  gentillesse,  ta  disponibilité  et  ton  amitié.  Il  m’est  particulièrement  difficile  d’exprimer tout ce je te dois…… 

Je souhaite remercier…ceux qui ont partagé un « bon » bout de mon chemin de  thèse et qui aujourd’hui font partie de ma vie avec amitié…  

Nezha Bouhaddou,  Sarah Mounia Klouche et Dounia Salhi  « mes compagnes  de  route »  pour  leur  gentillesse  et  disponibilité  (les  nuits  de  perfusion),  leur  aide  précieuse (elles se sont bien occupées de mes petits rats pendant mon stage), générosité  et  pour  les  discussions  enrichissantes  (dehkk)  et  l’ambiance  familiale  dans  le  laboratoire.  Merci  pour  votre  soutien  moral  et  vos  conseils.  Je  salue  votre  complicité  toujours  présente  au  fil  des  années.  On  a  passé  beaucoup  de  moments  difficiles  mais  également des moments de joie et de fou rires, des souvenirs qui seront gravés à tout  jamais….Je suis extrêmement reconnaissante … Et bien sûr, Merci  pour notre amitié.  

Pamphyle  Abedi  avec  qui  je  clôture  cette  étape  qu’est  mon  doctorat  mais  pas  notre amitié. Je le remercie d’être là dans ces passages déterminants.  

A celle qui a croisé ma route et l’a toujours agrémenté…de conseils, d’expériences,  de sollicitude et d’encouragements. Un grand merci à Hanane Khalki. 

Ma  sympathie  et  mon  amitié  vont  également  à  mes  collègues  et  amis  à  qui  je  souhaite  bonne  continuation  dans  leur  vie  Jonathan,  Stéphanie,  Laura,  Bérangère,  Sylvia  ,  Mélanie, Mark,  Omar,  Safa,  Emilie  S,  Emilie  F,  Fred,  David,  Coralie,  Léa,  Radwa, Loubna et Mariam. 

Saloua, Rajae et Jihad, pour leur amitié qui m’est très précieuse… 

Je remercie aussi tout le personnel (techniciens et animaliers) du laboratoire de  physiologie  animale  que  je  nomme  Mustapha,  Abderahmane,  Mustapha  et  Khamar,  pour  leur  aide  précieuse  la  sympathie  et  la  gentillesse  que  vous  m’avez  exprimées  durant  toutes  ses  années.  Sans  Oublier  Hourtane,  qui  a  monté  la  chambre  noire  et  réalisé toutes les installations pour l’actimétrie.  

Je  souhaite  remercier  particulièrement,  ma  mère  qui  me  soutient  toujours.  Tu  m’as transmis la persévérance et la volonté. Et tu me transmets encore toutes les valeurs  qui donnent de la richesse à l’existence. Merci « oumi ».  

Olivier, mon Mari chéri, Merci de veiller à l’équilibre délicat entre le soutien et le  respect de l’indépendance, je sais que ce n’est pas évident. Merci pour ta confiance en  moi et en l’avenir.  

Enfin je souhaite remercier tous les miens, mes sœurs et mes frères, mes tantes et  oncles,  mes  nièces  et  neveux,  sans  oublier,  mes  beaux‐parents  pour  toute  l’attention,  l’affection et l’amour.  Je vous remercie tous pour votre patience et votre compréhension lorsque le temps pour  vous m’a manqué durant cette thèse, je pense que vous savez que vous pouvez compter  sur moi.      Affectueusement,  Mariam   

Ce travail a été financé par GDRI­Neuro, NEUROMED, Volubilis, et le 

programme Rhône­Alpes. 

 

 This work has been supported by GDRI­Neuro, French­Morocco 

network, Neuromed consortium and Rhônes ­ Alpes program. 

         

     

PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS REALISEES AU COURS DE

CE TRAVAIL

Publications

El Moussaouiti R, Bouhaddou N, Sabbar M, Cooper HM, Lakhdar-Ghazal N. (2010). Phase and period responses of the jerboa Jaculus orientalis to short light pulses. Chronobiol Int. 27(7):1348-64.

Sabbar M., Delaville C., De Deurwaerdère P., Benazzouz A. and Lakhdar-Ghazal N. (2012). Lead intoxication induces noradrenalinee depletion, motor and non-motor disabilities and changes in the firing pattern of subthalamic nucleus neurons. Neurosciences 17; 210:375-83.

Communications affichées

Sabbar M, Delaville C, De Deurwaerdère P, Benazzouz A and Lakhdar-Ghazal N. Behavioural, biochemical and electrophysiological consequences of lead exposure in the rat.10th meeting of the French Neuroscience Society, Marseille, France, May 24-27, 2011.

Sabbar M, Ouzir M and Lakhdar-Ghazal N., Neuroprotective effects of pineal hormones in lead-induced neurotoxicity. The XI Congress of the European Biological Rhythms Society, Strasbourg, France, August 22-28, 2009.

Sabbar M, Salhi D., Bouhaddou N., Cooper H M., Benazzouz A. and Lakhdar- Ghazal N. Effects of heavy metal intoxication on circadian rhythms and basal ganglia, 20th Congress of the European Sleep research Society, Lisbon, Portugal, 14-18 September 2010.

Communication orale

Sabbar M, Lead Neurotoxicity, basal ganglia and circadian rhythms. The 8th IBRO world Congress of neurosciences, Florence, Italy, July 14-18, 2011.

 

SOMMAIRE Abstract

Résume

Liste des Abréviations

Chapitre I: Etude Bibliographique 1

Introduction Générale 2

I.1. L’exposition à un métal lourd: le plomb 3

I.1.1. Généralités 3

I.1.2. Propriétés physico-chimique du plomb 3

I.1.3. Source d’exposition au plomb 4

I.1.4. Bio-cinétique du plomb après une exposition 6

I.1.4.1. Les voies de pénétration du plomb dans l’organisme 6 I.1.4.2. Distribution du plomb aux différents organes 6

I.1.4.3. Rétention et excrétion du plomb 8

I.1.5. Exemples de quelques effets toxiques du plomb 8

I.1.5.1 Effet hématologiques 8

I.1.5.2 Effet rénaux 8

I.1.5.3 Effet sur le système reproducteur 9

I.1.5.3 Effet cardiovasculaires 9

I.1.5.3 Effet hépatiques 9

I.1.6. Effets toxiques du plomb sur le système nerveux 10 I.1.6.1 Effets cognitifs et comportementaux chez l'animal 10

I.1.6.2 Plomb et neurotransmission 11

I.1.6.2.1 Effet du plomb sur le système glutamatergique 11 I.1.6.2.2 Effet du plomb sur les systèmes monoaminergiques 14 I.1.6.2. 3 Astrocytes dans les conditions de toxicité au plomb 15

I.1.6.2.4 Le plomb et la maladie de Parkinson 16

I.2. La maladie de Parkinson 17

I.2.1 Généralités 17

I.2.2 Symptômes moteurs et non moteurs 17

I.2.2.1 Symptômes moteurs 17

I.2.2.2 Symptômes non-moteurs 18

I.2.3 Les ganglions de la base 19

I.2.3.1 Organisation anatomo-fonctionnelle 19

I.2.3.1.1 Le noyau sous-thalamique: Considérations anatomo-fonctionnelles du STN 21 I.2.3.1.2 La substance noire pars compacta et le système dopaminergique 23 I.2.3.1.3 La substance noire pars compacta et la maladie de Parkinson 25 I.2.3.1.4 Système noradrénergique et Locus Coeruleus 27 I.2.3.1.5 Le Locus Coeruleus et la maladie de Parkinson 28

I.3. Le système circadien de mesure de temps 30

I.3.1 Le noyau suprachiasmatique : horloge principale 30

I.3.1.1 Localisation anatomo-fonctionnelle 30

I.3.1.2 Voies nerveuses d’entraînement 31

I.3.2 Elaboration du message circadien 33

I.3.2.1 Les Composantes moléculaires de l'horloge : les gènes et les protéines horloges 34 I.3.2.2 Interactions entre les différents acteurs de l’horloge 36

Objectifs 40

Chapitre II : Matériel et Méthodes 43

A Neurotixicité au plomb et ganglions de base 44

I Modèle d’étude 44

I.1 Protocoles expérimentaux 44

I.1.1 Modalités de traitement au plomb 45

I.1.1.1 Protocole expérimental -1- : Traitement semi-chronique à l'acétate de plomb 45 I.1.1.2 Protocole expérimental -2- : Traitement chronique à l'acétate de plomb 45 I.1.1.3 Protocole expérimental -3- : Etude de l’effet de la L-DOPA 46 I.1.1.4 Protocole expérimental -4- : Effets de la déplétion noradrénergique : Comparaison avec

le modèle de toxicité au plomb 46

I.2 Tests comportementaux 46

I.2.1 Evaluation du comportement explorateur et moteur: test du champ ouvert 47

I.2.2 Evaluation de la coordination motrice 47

I.2.3 Evaluation d’un comportement d’anxiété : test du labyrinthe en croix surélevé 48 I.2.4 Evaluation du comportement « Depressive-like » ou l’anhédonie : test de la préférence au

sucrose 49

I.3. Enregistrements électrophysiologiques 49

I.3.1 Enregistrement extracellulaire unitaire in vivo 49

I.3.1.1 Chirurgie 49

I.3.1.2 Acquisition des signaux 49

I.3.1.3 Analyse de l’activité neuronale enregistrée 50

I.3.1.4 Validation du site d’enregistrement 50

I.4 Histochimie de la cytochrome oxydase 51

I.5 Dosage des monoamines (dopamine, sérotonine et noradrénaline) cérébrales 52 I.5.1 Principe du dosage électrochimique après séparation en chromatographie liquide à haute

performance 52

I.5.2 Prélèvements de structures cérébrales 52

I.5.3 Préparation tissulaire 53

I.5.4 Dosage électrochimique après séparation HPLC 53

I.6 Analyses statistiques 54

B. Neurotoxicité au plomb et le système circadien 54

I. Modèle d’étude 54

I.1 Protocole expérimental : Traitement semi chronique au plomb 54

I.2 Tests comportementaux 54

I.2.1 Evaluation du comportement explorateur: Test du champ ouvert 54 I.2.2 Evaluation de la coordination motrice : Test du Rotarod 55 I.2.3 Evaluation de l’activité locomotrice circadienne 55

I.3 Etude immunohistochimique 57

I.3.1 Perfusion 58

I.3.2 Confection des coupes 58

I.3.3 Immunohistochimie 58

I.3.3.1 Principe de la technique 58

I.3.3.2 Procédure immunohistochimique 59

I.3.3.3 Quantification du marquage et analyse statistique 60 Chapitre III: Résultats et discussion 61 A. Neurotoxicité au plomb : conséquences sur l’activité fonctionnelle des ganglions de la base 62 I. Effet du traitement semi chronique à l’acétate de plomb 62 I.1 Le traitement à l’acétate de plomb inhibe la prise du poids corporel 62 I.2 Effet de l’acétate de plomb sur l’exploration et l’activité locomotrice 63 I.3 Effet de l’acétate de plomb sur la coordination motrice 66

I.4 Dépression: test de préférence au sucrose 66

I.5 Anxiété: test du labyrinthe sur croix surélevée 66

I.6 Effet de l’acétate de plomb sur l’activité du noyau sous-thalamique 68

I.8 Effet du traitement à l’acétate de plomb sur le contenu tissulaire en monoamines dans le

cortex et le striatum 70

Discussion 72

II. Impact du traitement chronique à l’acétate de plomb : comparaison avec le modèle de

déplétion noradrénergique par le DSP-4 76

II.1 Effet de l’acétate de plomb sur le poids corporel 77 II.2 Evaluation de l’activité exploratrice et locomotrice 78 II.2.1 Evaluation de l’activité exploratrice : test du champ ouvert 78

II.2.1.1 Effet chronique de l’acétate de plomb 78

II.2.1.2 Effet de la déplétion noradrénergique 78

II.2.1.3 Effet de la LDOPA 78

II.2.2 Evaluation de l’activité locomotrice : test de champ ouvert 80

II.2.2.1 Effet chronique de l’acétate de plomb 80

II.2.2.2 Effet de la déplétion noradrénergique 80

II.2.2.3 Effet de la LDOPA 80

I. 3 Evaluation de la coordination motrice : test du rotarod 82 II.4 Evaluation de l’anxiété : test du labyrinthe en croix surélevée 84 II.5 Effet de l’acétate de plomb et de la déplétion noradrénergique sur l’activité neuronale du

noyau sous-thalamique 85

II.6 Effet de l’acétate de plomb et de la déplétion noradrénergique sur l’activité neuronale du

globus pallidus (GP) 87

II.7 Effet de l’acétate de plomb et de la déplétion noradrénergique sur l’activité neuronale de la

substance noire « pars reticulata» 89 II.8 Effet de l’acétate de plomb et la déplétion noradrénergique sur le contenu tissulaire en

monoamines dans le cortex et le striatum 91

Discussion 94

B. Effet du traitement semi chronique de l’acétate de plomb sur les rythmes circadiens 98

Introduction 98

I.1 Le traitement à l’acétate de plomb inhibe la prise du poids corporel 100 I.2 Effet de l’acétate de plomb sur le comportement explorateur: Test du champ ouvert 101 I.3 Effet de l’acétate de plomb sur la coordination motrice : test du Rotarod 102 I.4 Effet de l’acétate de plomb sur les rythmes circadiens 103 I.4.1 Effet de l’acétate de plomb sur l’activité locomotrice générale en fonction des conditions

du cycle L/D et D/D 103

I.4.1.1 Conditionnement1 : cycle de lumière / obscurité (14/10) 103

I.4.1.2 Conditionnement 2 : cycle d’obscurité totale 110

I.4.2 Effet de l’entrainement par la lumière 115

I.4.2.1 Avant le traitement au plomb : Condition LD : 14/10 115 I.4.2.2 Traitement à l’acétate de plomb : Condition LD : 14/10 115 I.4.2.3Après l'arrêt du traitement au plomb : Condition L14 / D10 124 I.4.2.4 Après 4 semaines de traitement au plomb : avance de phase de 6 heures 128 I.4.2.5 Effet de l’acétate de plomb sur l’activité locomotrice circadienne sous un cycle

d’obscurité totale 134

I.4.3 Conséquences de l’intoxication au plomb sur le métabolisme du noyau

suprachiasmatique : horloge circadienne principale 138

I.4.3.1 Conséquences sur le contenu en vasopressine 138

I.4.3.2 Conséquences sur le contenu en peptide intestinal vasoactif 138 I.4.3.3 Intégration du message lumineux mesurée par l’induction de la protéine FOS 138 I.4.3.4 Conséquence sur l’expression des protéines horloges : BMAL1, PER1, PER2, CRY1

et CRY2 143

I.4.3.5 Conséquences sur le système astrocytaire : Immunoréactivité à la protéine GFAP 151

Discussion 153

Conclusions générales et Perspectives 160

Références Bibliographiques 165

     

ABSTRACT

Lead has many toxic effects on animals and humans and a major target organ for lead is the central nervous system. Previous research has shown that chronic low doses of lead have severe cellular and behavioral effects. More recently, Lead intoxication has been suggested as a high risk factor for the development of Parkinson's disease. However, its impact on motor and non-motor functions and the mechanism by which it can be involved in the disease are still unclear. The objective of this study was to determine the link between lead exposure and the development of the disease.

First, we focused on subchronic lead acetate effects on motor and non-motor behaviors, on monoamine levels, and on the neuronal activity of subthalamic nucleus (STN), a basal ganglia structure playing a key role in the pathophysiology of Parkinson’s disease. Rats were exposed to a subchronic low dose of lead acetate at a daily dose of 20mg/Kg of body weight. Results show that lead induced noradrenalin (NA) depletion and increase in the number of bursty STN neurons. Furthermore, lead induced motor disabilities expressed by a reduction in locomotor activity and deficit in motor coordination and anxiety behavior.

Second, we investigated the effects of lead intoxication and DSP-4-induced noradrenaline depletion on motor behavior and on the neuronal activity of three major basal ganglia nuclei, the STN, the globus pallidus (GP) and the pars reticulata of substantia nigra (SNr). Chronic lead acetate treatment significantly reduced the parameters of exploratory and locomotor behavior. Post-mortem HPLC analysis showed, in parallel, a reduction in NA tissue content in the cortex and dopamine in the striatum. Similarly, DSP-4 (N-(2-chloroethyl)-N-ethyl-2-bromobenzylamine hydrochloride) induced a selective NA depletion without affecting the other monoamines. These DSP-4 rats showed a similar decrease in exploratory behavior and hypolocomotor activity. Furthermore, electrophysiological data showed that both lead and DSP-4 resulted in a switch from the regular normal firing to irregular and bursty discharge patterns of STN neurons without any changes in the firing pattern of GP and SNr neurons. Altogether, our results provide evidence that lead intoxication affect the exploratory behavior, locomotor activity and STN neuronal activity as a consequence of NA and DA depletion.

Finally, as few studies focused on lead effect on circadian rhythms, we studied the effects of this metal on circadian locomotor activity under different Dark/light cycles and on suprachiasmatic nuclei (SCN) neurons. We show that lead acetate induces a decrease of vasopressin (VP) and vasoactive intestinal peptide (VIP) immunoreactive cells in the SCN paralleled with disturbance in the locomotor activity rhythm. Lead also induces a disturbance in the molecular clock by reducing the number of clock proteins BMAL1, PER2 and PER 1.

In conclusion, Lead exposure in rats significantly impairs neuronal functions lead to changes in motor and cognitive behavior described in this research.

Key words: Lead, Parkinsonism, Subthalamic nucleus, globus pallidus, substantia nigra pars reticulata, Noradrenalin Dopamine, Suprachiasmatic nucleus and Genes Clock

   

RESUME

Le plomb a de nombreux effets toxiques sur l’Homme et les animaux, avec comme cible majeure le système nerveux central. Des recherches antérieures ont montré que l’exposition chronique à de faibles doses de plomb entraîne des effets délétères cellulaires et comportementaux. Récemment, l'intoxication au plomb a été suggérée comme étant un facteur de risque du développement de la maladie de Parkinson. Cependant, son impact sur les fonctions motrices et non motrices et le mécanisme par lequel il peut être impliqué dans l'induction de la maladie sont encore mal connus. L'objectif de cette étude est de d'établir une corrélation de cause à effet entre l'exposition au plomb et le développement de la maladie de Parkinson.

Dans la première partie de ce travail, nous nous sommes concentrés sur les effets semi-chroniques de l’acétate de plomb sur le comportement moteur et non moteur, sur les niveaux concentrations des monoamines dans le cortex et le striatum, et sur l'activité neuronale électrique du noyau sous-thalamique (STN), une structure des ganglions de la base qui joue un rôle clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson. Les résultats montrent que le plomb induit une déplétion noradrénergique (NA) et une augmentation du nombre de neurones qui déchargent en bouffées dans le STN chez les animaux traités au plomb. De plus, le plomb induit aussi une réduction de l'activité locomotrice et un déficit dans la coordination motrice et l'expression du comportement d'anxiété.

Dans la seconde partie, nous avons étudié les effets de l'intoxication par le plomb en même temps que et la dépletion NA induite par le DSP-4 sur le comportement moteur et sur l'activité neuronale de trois structures majeure des ganglions de la base, le STN, le globus pallidus (GP) et la pars reticulata de la substance noire (SNr). Les résultats montrent que le traitement chronique à l’acétate de plomb induit une hypoactivité, une diminution du comportement explorateur, une altération de la coordination motrice et l'anxiété chez le rat. Ces altérations qui sont associées à une diminution partielle de la dopamine (DA) et de la noradrénaline (NA), apportent des arguments expérimentaux solides quant à la contribution de la neurotoxicité du plomb dans la pathogenèse des symptômes neuropsychiatriques du Parkinsonisme, et ce, par des actions sélectives sur les systèmes monoaminergiques. Les rats DSP-4 ont montré une baisse similaire du comportement explorateur et de l'activité locomotrice. En outre, les données électrophysiologiques ont montré que le plomb et le DSP-4 augmentent le nombre de cellules qui déchargent de manière irrégulière et en bouffées dans le STN sans affecter le mode de décharges des neurones dans le GP et la SNr.

Enfin, comme peu d'études ont porté sur l'effet du plomb sur les rythmes circadiens, et sachant que ces rythmes sont profondément perturbés chez le malade Parkinsonien, nous avons étudié les effets de ce métal sur le rythme de l'activité locomotrice sous différents cycles de Lumière / Obscurité et sur l'activité métabolique et moléculaire du noyau suprachiasmatique (SCN). Ainsi, Nous avons montré que l'acétate de plomb induit une diminution des cellules immunoréactives à la vasopressine (VP) et au peptide intestinal vasoactif (VIP) dans le SCN en parallèle avec les perturbations dans le rythme de l'activité locomotrice circadienne. Le plomb induit aussi une perturbation de l'horloge moléculaire exprimée par la diminution du nombre de cellules exprimant les protéines horloges BMAL1, PER1 et PER 2.

En conclusion, le plomb s'avère être un métal toxique environnementale à conséquences graves chez les rats, il altère les fonctions neuronales qui vont entraîner des changements dans le

comportement moteur et cognitif, et peut être à l'origine de troubles symptomatiques ressemblant à ceux rencontrés chez le malade Parkinsonien.

Mots clés: Plomb, Parkinsonisme, Noyau Sous-thalamique, globus pallidus, substance noire, Noradrénaline, Dopamine, Noyau Suprachiasmatique et les Gènes Horloges.

Liste des Abréviations

3V : 3ème ventricule

5HIAA : Acide 5-hydroxyindol-acétique

5-HT : Sérotonine

5-HTTP : 5-hydroxytryptophane 6-OHDA : 6- hydroxydopamine AD : Maladie d’Alzheimer

ALA : Acide delta-aminolévulinique

ALAD : Acide delta-aminolévuliniquedéshydratase ARs : Récepteurs adrénergiques

VTA: Aire tegmentale ventrale

AVP : Arginine vasopressine

BDNF: Brain-derived neurotrophic factor bHLH: Basic helix loop helix

Bmal1: Brain and muscle Arnt-like protein1 BSA: Bovine Albumine Serum

CaMKII: Calmoduline kinase II

CAMS: Circadian Activity Monitoring System Clock: Circadian Locomotor Output Cycles Kaput

CO: Chiasma optique

CoA: Acétyl coenzyme A CO-I: Cytochrome oxydase I COMT : Catéchol-O-méthyl transférase

CRF: Facteur de libération de la corticotrophine

Cry1-2 : Cryptochromes 1-2 CT: Temps Circadien

DA : Dopamine

DAB : Diaminobenzedine tétra-hydrochloride DBH : Dopamine beta hydroxylase

DCAA : Décarboxylase des acides aminés aromatiques DD : Obscurité totale

dmSCN : SCN dorsomédial DOPAC : Dihydroxyphénylacétate

DSP-4 : N-(2-Chloroethyl)-N-ethyl-2-bromobenzylamine hydrochloride ECD : Détection électrochimique

EPM: Labyrinthe en croix surélevé (Elevated Plus Maze) ESM : Erreur standard à la moyenne

GABA : Acide γ aminobutyrique

GABA A : Récepteurs GABA de type A

GABA B : Récepteurs GABA de type B

GFAP: Protéine acide fibrillaire gliale (Glial fibrillary acidic protein) GHT : Tractus géniculo-hypothalamique

GP : Glande pinéale

GPe : Globus pallidus externe GPi : Globus pallidus interne

GRP : Peptide libérant la Gastrine (gastrin releasing peptide) HIOMT: Enzyme hydroxyindol-O-méthyl-transférase

HOF : Habituation Open Field

HPLC : Chromatographie liquide à haute performance HR : Habituation Rotarod

HVA : Acide homovanilique i.p. : Intra-péritonéale

IGL : Feuillets intergéniculés latéraux

IML : Colonne intermédiolatérales de la moelle épinière Ir : Immunoréactivité

L/D : Lumière/obscurité LC : Locus coeruleus

L-Dopa : L-3,4-dihydroxyphénylalanine

MFB : Faisceau médian du télencéphale (medial forebrain bundle) MPTP : 1-Methyl-4-Phenyl-1,2,3,6-Tetrahydropyridine

MSN: Medium spiny neuron NA : Noradrénaline NAS : N-acétyl sérotonine NAT : N-acétyl transférase

NCAM : Neural Cell Adhesion Molecule

NET: Transporteur noradrénergique

NMDA : N-méthyl-D-aspartate

nNOS : Oxyde nitrique synthétase neuronale NPY : Neuropeptide Y

OF: Open Field

PACAP: Polypeptide activant l’adénylate cyclase pituitaire PAF : Paraformaldéhyde

PAS : Period-Arnt-sim

PBS : Tampon phosphate salin PBST : PBS Triton

PD : Maladie de Parkinson per1-3 : Period 1-3

PKA : Protéine kinase AMPc dépendante

PVN : Noyaux paraventriculaires de l’hypothalamus

R: Rotarod

RCPG : Récepteurs couplés aux protéines G RD : Raphé dorsal

RHT : Tractus rétino-hypothalamique

ROREs: Retinoic acid related Orphan Receptors response Element SCG : Ganglions cervicaux supérieurs

SCN : Noyau suprachiasmatique SHF : Stimulation à Haute Fréquence

SN: Substance noire

SNc : Substance noire pars compacta SNr : Substance noire pars reticulata ST : Sans Traitement

ST : Striatum

STN : Noyau sous-thalamique

TH: Tyrosine hydroxylase TRP: Tryptophane

VIP : Peptide Vasoactif Intestinal vlSCN : SCN ventrolatéral

 

 

 

 

 

 

 

Chapitre I : Etudes 

Bibliographique 

Introduction Générale

Différents métaux sont naturellement présents à l’état de traces dans l’environnement sous forme organique ou inorganique. Pour les organismes vivants, certains métaux (p. ex. cuivre, fer, zinc, manganèse, magnésium) appartiennent aux oligoéléments essentiels à la vie. A l’inverse, d’autres métaux, également présents à la fois dans l’environnement et dans la chaîne alimentaire (p. ex. mercure, plomb, cadmium, nickel ou uranium), sont non essentiels à la vie mais néanmoins constitutifs du vivant. Cependant, lorsque leur concentration dans l’environnement augmente, la toxicité intrinsèque de ces métaux peut devenir un risque de santé publique pour l’Homme. Des études toxicologiques ont mis en évidence que l’ensemble des systèmes physiologiques (respiratoire, digestif, vasculaire, hématopoïétique, immunitaire, reproducteur et nerveux) pouvait alors être concernés par les effets toxiques de ces métaux. De plus, l’intensité et l’ampleur des effets de ces métaux sur la santé dépendent, comme tout toxique, de la voie de contamination, de la quantité reçue, de la répétition de l’intoxication et de la nature chimique du contaminant.

Le plomb est un métal exploité depuis des millénaires, mais son usage s'est accentué avec la révolution industrielle entraînant sa libération intense et son accumulation massive dans l’environnement. L'exposition de populations travaillant dans les industries utilisant le plomb a révélé les effets délétères de ce métal sur différentes fonctions biologiques. Dans beaucoup de pays en voie de développement, l’exposition professionnelle au plomb est souvent mal réglementée et constitue un problème majeur de santé publique. Malgré que ces pays aient pris de plus en plus conscience de l’importance de l’exposition au plomb, peu d’entre eux ont introduit des politiques et des réglementations visant à la réduire.

La toxicité du plomb est relativement bien décrite dans la littérature. Le plomb a des effets bien caractérisés sur tous les organes, y compris le système cardiovasculaire, rénale, immunitaire, et sur le système reproducteur. Il a également été identifié comme agent cancérigène pour l’être humain. Cependant, le système nerveux central reste la cible majeure du plomb.

Dans ce chapitre, la première partie concerne le plomb, sa bio-cinétique et ses effets toxiques, en particulier, sur le système nerveux central. Ensuite, une seconde partie sera consacrée à la physiopathologie de la maladie de Parkinson. La dernière partie concernera le système circadien de mesure de temps et son fonctionnement.

I.1. L’exposition à un métal lourd: le plomb I.1.1. Généralités

Le plomb (Pb) est considéré comme l'un des métaux lourds les plus polluants de l’environnement avec des propriétés neurotoxiques bien documentées. Ce métal sans fonction biologique apparente, est considéré comme l'un des plus nocifs des métaux lourds pour la santé. Il est largement utilisé dans le secteur industriel, ce qui contribue à sa large dissémination dans l'environnement, faisant de lui un facteur à haut risque pour la santé publique en dépit des efforts fournis pour réduire sa présence dans l'écosystème.

I.1.2. Propriétés physico-chimiques du plomb

Le plomb est un métal lourd gris bleuâtre malléable. Le plomb n’est pas inerte chimiquement mais présente une remarquable résistance à la corrosion (par formation, à la surface du métal, d’un film de produits de corrosion insolubles, imperméables et adhérents). En plus de sa forme métallique, le plomb existe également sous formes d’acétate, de bromure, de carbonate, de chlorure, de nitrate, d’oxyde, de sulfate et de tétra-éthyl sans compter les multiples dérivés produits par l’industrie. Les principales propriétés physico-chimiques du plomb et de quelques-uns de ses dérivés inorganiques sont résumées dans le tableau 1.

Tableau 1: Propriétés physiques et chimiques du plomb et de ses principaux dérivés inorganiques. (D’après IPCS : International Programme on chemical Safety, 2005).

I.1.3 Source d’exposition au plomb

Les peintures au plomb constituent la source principale d'exposition à ce métal. Un très grand nombre de foyers contiennent ce genre de peintures, surtout dans les pays du Sud, ce qui représente un taux très élevé d’exposition. En effet, la détérioration de la peinture avec le temps, l’humidité et lors des travaux favorisent l’apparition d'écailles et de poussières riches en plomb entraînant la contamination du sol et de l’air. Il a été montré que les enfants sont les plus touchés par ce mode d’exposition (Su et al., 2002).

Les pollutions de l’eau, de l’air et du sol peuvent être dues à des sources de plomb naturelles ou anthropiques. Le plomb est un élément naturellement présent à la surface de la Terre. Cependant, le plomb présent dans l'environnement provient majoritairement des activités humaines: industries de métallurgie et de sidérurgie notamment, sans oublier la pollution. Sa principale application industrielle est la fabrication de batteries d’accumulateurs. Il a été utilisé aussi pour la fabrication de tuyaux d’évacuation d’eau, celle d’éléments de couverture de toits, de terrasses, de balcons, pour l’isolation contre le bruit et les vibrations, la protection de câbles, de fils d’acier ou de lignes téléphoniques. Divers oxydes et sels de plomb ont été employés pour la production de peintures, d’encres, d’émaux, de matières plastiques, de colorants capillaires dont l’utilisation est en voie d’abandon. Le plomb est également utilisé en verrerie, notamment pour la production de cristal. Le plomb fait partie aussi des constituants d’additifs antidétonants des carburants automobiles (Tableau 2).

Tableau 2 : Usages actuels et anciens de quelques composés de plomb (d’après Boileau et al., 1987).

Le plomb libéré dans l'atmosphère est une source majeure de contamination environnementale. Les antidétonants des carburants automobiles ont constitué la première source d’émission de plomb dans l’atmosphère. Elle est modérément influencée par la circulation automobile de proximité (elle décroît rapidement à distance des routes). Lorsque le plomb se dépose sur le sol et les plantes ainsi que dans les eaux de surface, il s'introduit dans la chaîne alimentaire par différents mécanismes. La concentration de plomb dans les eaux naturelles souterraines et de surface est généralement faible étant donné qu’il est en grande partie insoluble dans l'eau. Cependant, les eaux acides ou faiblement minéralisées peuvent s’enrichir en plomb, lors de leur distribution, si le système d’adduction contient des éléments en plomb (tuyaux, soudures, robinetterie, etc.). La figure 1 illustre la pollution de l’air et le sol par le plomb. Les aliments n’apportent habituellement qu’une faible quantité de plomb, à condition qu’ils ne proviennent pas de végétaux cultivés ou d’animaux élevés dans une zone contaminée, qu’ils n’aient pas été préparés avec des ustensiles ou encore conservés dans des récipients contenant du plomb (étains décoratifs, céramiques artisanales, cristaux).

Figure 1 : Pollution des sols par le plomb induite par l’industrie et les gaz d’échappement

I.1.4 Bio-cinétique du plomb après une exposition

I.1.4.1 Les voies de pénétration du plomb dans l’organisme

Le plomb pénètre dans l'organisme par inhalation, ingestion, par voie cutanée, et par transfert au foetus via le placenta (Figure2). L’absorption par voie respiratoire constitue la voie la plus importante, en particulier, pour les personnes exposées en milieu industriel.

L’absorption digestive se fait suite à une ingestion d’aliments contaminés, l’eau, de même que les écailles de peinture, les poussières domestiques ou les sols. Chez l’adulte, ce mode de pénétration est faible (5 à 10 %) alors qu’il est plus important chez l’enfant (40 à 55%). L’absorption cutanée est le mode le moins important mais qui reste non négligeable. Seuls les composés organiques du plomb, liposolubles, utilisent cette voie, et seulement si la peau est lésée.

I.1.4.2 Distribution du plomb aux différents organes

Le plomb est transporté, principalement, dans le sang sous forme liée aux globules rouges. Sa distribution dans l’organisme n’est pas homogène. On distingue trois compartiments, en fonction de leurs cinétiques d’élimination:

¾ Le premier compartiment où la demi-vie du plomb est de 35 jours est le Sang. Le plomb sanguin ne représente que 1 à 2 % de la quantité présente dans l’organisme (Rabinowitz et al., 1976, Nilsson et al., 1991).

¾ Le deuxième compartiment est formé des tissus mous (foie, reins, cerveau…) où la demi-vie est de 40 jours.

¾ Le troisième compartiment est constitué des tissus osseux où le plomb est stocké sous forme biologiquement inactif et très peu toxique. Sa demi-vie est de l'ordre de 5 à 27 ans (Christoffersson et al., 1986, Nilsson et al., 1991).

Figure 2 : Les voies de pénétration du plomb

Les sels de plomb se fixent en particulier dans les os du squelette et y sont stockés en entrant en compétition avec les ions calcium (Ca²+). C'est le cas de 80 à 90 % du plomb absorbé (Wedeen, 1988) avec comme conséquence, l'augmentation de sa concentration avec

l’âge. Le plomb sera ensuitelibéré dans l'organisme lentement, et sur des dizaines d’années. Ce lent largage du plomb varie selon les besoins de l’organisme, notamment en calcium. En effet, dans des situations particulières (grossesse, allaitement, ménopause), les modifications du métabolisme osseux peuvent entraîner une augmentation ponctuelle du largage endogène de plomb. De même, certaines pathologies (hyperthyroïdie, ostéoporose,…) pourraient entraîner une mobilisation intense du plomb osseux et favoriser la réapparition de diverses manifestations neuropsychologiques ou le développement de perturbations de la fonction rénale (Goldman et al ., 1994, Berlin et al., 1995).

I .1.4.3 Rétention et excrétion du plomb

Le plomb serait éliminé de l’organisme selon trois phases:

¾ une première, rapide, correspondrait à l’élimination du plomb non fixé; ¾ une seconde, lente, représenterait la fraction du plomb faiblement liée;

¾ une troisième, très lente, pourrait n’intervenir que plusieurs années après les deux premières phases, car elle correspond au plomb fortement fixé notamment au niveau osseux.

L’excrétion du plomb est principalement urinaire (> 75 %) (Haguenoer et Furon, 1982) et fécale (15-20 %) (Kehoe, 1987). Le plomb peut également être éliminé par la salive, la sueur (Asayama et al., 1975), les cheveux (Watt et al., 1995) et les ongles.

I.1.5 Exemples de quelques effets toxiques du plomb I.1.5.1 Effets hématologiques

Le plomb interfère avec la synthèse de l’hème, principalement en inhibant la déshydratase de l’acide delta-aminolévulinique (ALAD) (Hernberg et al., 1970) qui catalyse la transformation de l’acide delta-aminolévulinique (ALA) en porphobilinogène et la ferrochélatase (ou hème-synthétase) qui contrôle la dernière étape de la synthèse de l’hème. L’inhibition de la synthèse de l’hème est le principal mécanisme de l’anémie saturnine, qui résulte aussi d’une hyper-hémolyse (due à une déplétion érythrocytaire en glutathion et à une toxicité membranaire directe), d’une inhibition de la synthèse de la globine, du transport du fer et de la production d’érythropoïétine. Les anémies plus sévères s’accompagnent le plus souvent de l’apparition fréquente de granulations basophiles dans les hématies (Pagliuca et al., 1990).

I.1.5.2 Effets rénaux

Deux types de néphropathies sont induits par l’exposition au plomb :

¾ une néphropathie subaiguë, qui survient précocement après le début de l’exposition au plomb. Elle est, histologiquement, caractérisée par une atteinte des cellules tubulaires

proximales qui sont hyperplasiques avec une atteinte mitochondriale et des inclusions intranucléaires (Cramer et al., 1974).

¾ une néphropathie tardive, qui s’observe après 10 à 30 ans d’exposition au plomb. L’atteinte est cette fois tubulo-interstitielle et glomérulaire et elle est définitive. Elle peut être transitoirement améliorée par l’arrêt de l’exposition et/ou un traitement chélateur (Wedeen et al., 1986), mais à moyen terme, elle continue de s’aggraver, même après l’éviction du risque (Perazella,1996).

I.1.5.3 Effets sur le système reproducteur ¾ Toxicité testiculaire

De nombreuses études épidémiologiques montrent que le plomb perturbe la spermatogenèse. Lorsque la plombémie dépasse 400-450 μg/l, apparaissent une oligospermie, une asthénospermie et une tératospermie (Lancranjan et al., 1975). Cet effet toxique testiculaire est également bien documenté chez l’animal (Apostoli et al., 1998, Bonde et al., 2002).

¾ Effets sur la grossesse

Plusieurs études épidémiologiques ont montré un risque élevé d’avortement, d’accouchement prématuré et d’enfants de petits poids à la naissance, chez les femmes dont la plombémie dépasse 250 μg/l, mais d’autres études ne retrouvent pas cet excès de risque. Le plomb passe librement la barrière placentaire.

I.1.5.4 Effets cardiovasculaires

La colique de plomb s’accompagne classiquement d’une élévation modérée et transitoire de la pression artérielle. Expérimentalement, l’exposition répétée au plomb augmente la pression artérielle. Des études ont montré qu’un doublement de la plombémie s’accompagnait d’une augmentation de 1 mmHg de la pression systolique et de 0,6 mmHg de la diastolique (Staessen et al., 1994, Schwartz, 1995, Nawrot et al., 2002).

I.1.5.5 Effets hépatiques

La cytolyse hépatique est un signe d’intoxication aiguë par le plomb. Elle ne s’observe qu’après des contaminations massives, correspondant à une plombémie supérieure à 1500-2000 μg/l. Le plomb inhibe la synthèse des hémoprotéines, particulièrement celle du cytochrome P450, ce qui peut être à l’origine d’interactions médicamenteuses et d’effets toxiques d’autres substances, en cas de co-exposition. Ce sont des effets potentiels du plomb qui n’ont été que très peu étudiés (Alvares et al., 1976, Meredith et al., 1977).

I.1.6 Effets toxiques du plomb sur le système nerveux

Le plomb entraîne une encéphalopathie et une neuropathie dépendantes de l'âge, de la voie de pénétration, et de la dose. L'accumulation du plomb à fortes doses chez le nouveau-né produit un complexe clinico-pathologique que ce soit chez l’Homme ou chez les animaux. Œdème aigu cérébral et cérébelleux avec hémorragie sont des caractéristiques d’une administration aiguë de plomb à forte dose avec les manifestations cliniques appropriées d'encéphalopathie aiguë et des convulsions (Smith et al., 1960). Les changements neuro-cliniques et pathologiques associés à l'exposition chronique au plomb à faible dose sont bien documentés. Il y a une forte incidence de l'irritabilité, l’hyperactivité, le retard du développement normal, les convulsions et les troubles psychomoteurs. Le plomb provoque plusieurs altérations morphologiques du cerveau, y compris des lésions cellulaires, et réduit le développement axonique et dendritique des neurones. Les mécanismes moléculaires par lesquels le plomb exerce ses effets toxiques sur le système nerveux ne sont pas encore bien compris. Un grand nombre de mécanismes a été proposé, tel que: inhibition du métabolisme énergétique aérobie (Holtzman et al., 1980), substitution du calcium par le plomb (Markovac and Goldstein, 1988), inhibition de l'activité Na+K+ATPase (Chanez et al., 1986), blocage des canaux calciques voltage dépendants (Audesirk, 1993), blocage des récepteurs du glutamate de type N-méthyl-D-aspartate (NMDA) (Ujihara and Albuquerque, 1992). L'influence du plomb sur la croissance, la survie et la différenciation neuronale pourrait également dépendre d'une action toxique sur les cellules gliales (Tiffany-Castiglioni et al., 1989).

I.1.6.1 Effets cognitifs et comportementaux chez l'animal

Le plomb est reconnu comme un facteur de risque de troubles neurologiques et psychiatriques. Les lésions cérébrales induites par le plomb se produisent préférentiellement dans le cortex préfrontal, le cervelet et l'hippocampe (Petit et al., 1983). Les fonctions cognitives sont assurées par le cortex cérébral, alors que le cervelet régule l'exécution de la motricité, et l'hippocampe, qui est le centre de stockage de la mémoire, a également été lié au comportement. Par conséquent, ces sites anatomiques sont cruciaux pour la modulation de la réponse émotionnelle, la mémoire, le comportement, l'apprentissage, et la fonction neuromusculaire.

L'exposition au plomb est associée à l'hyperactivité, qui est un facteur de risque connu pour le comportement antisocial et agressif. De nombreux modèles expérimentaux ont été utilisés chez l'animal pour tester les effets cognitifs et comportementaux de l'exposition au

plomb. Ces modèles développés chez le rat et chez le singe, mais aussi chez les oiseaux (Burger and Gochfeld, 1995, 1996), ont confirmé que le plomb est la cause de troubles des apprentissages et de la mémoire spatiale et non spatiale (Banks et al., 1997). Chez le singe, Rice (1988, 1992, 1993) a montré aussi des comportements de persévération, une augmentation de la distractibilité et une incapacité à inhiber les réponses inappropriées, témoignant ainsi d'un défaut d'attention. Les changements rapportés sur le comportement chez les animaux exposés au plomb en postnatal comprennent des convulsions, un déficit de la coordination motrice, et une augmentation de l'agressivité (Sauerhoff and Michaelson, 1973). Le syndrome clinique causé par le plomb organique, par exemple, évolue en trois phases: une phase initiale de léthargie suivie par des tremblements, une hyperexcitabilité, hypermotilité et un comportement agressif conduisant finalement à des convulsions, l’ataxie, la paralysie et la mort.

I.1.6.2 Plomb et neurotransmission

L'exposition au plomb affecte une grande variété de systèmes de neurotransmetteurs dans le cerveau. Il a été largement démontré que l'exposition à de faibles doses de plomb induit des changements neurochimiques dans les systèmes monoaminergiques et aminoacidergiques. De nombreuses études ont montré les effets du plomb sur la capacité fonctionnelle des systèmes de neurotransmetteurs GABAergique, cholinergique, noradrénergique, glutamatergique, dopaminergique, sérotoninergique et peptidergique (Minnema et al., 1986, Minnema and Michaelson, 1986, Minnema et al., 1988, Kitchen, 1993, Kala and Jadhav, 1995a, b, Pokora et al., 1996, Jadhav and Ramesh, 1997, Luo and Berman, 1997, Nagata et al., 1997, Sun et al., 1997a). Les altérations provoquées par le plomb sur les systèmes de neurotransmetteurs ont été mises en évidence dans différentes régions du cerveau (noyau accumbens, hippocampe, septum...).

I.1.6.2.1 Effet du plomb sur le système glutamatergique

Le plomb exerce une action inhibitrice sur le récepteur au glutamate de type NMDA (Alkondon et al., 1990), plus importante dans le cerveau du rat nouveau-né comparé à celui de l'adulte (Rajanna et al., 1997). Le glutamate est le principal neurotransmetteur excitateur du système nerveux central, impliqué dans la transmission de l'influx nerveux dans le cerveau adulte. Au cours de la maturation et en fonction du stade de développement cérébral, le glutamate et le récepteur NMDA ont des rôles multiples: morphogènese, prolifération cellulaire, migration, apoptose, synaptogenèse, stabilisation synaptique (Kleinschmidt et al., 1987, McDonald and Johnston, 1990, Marret et al., 1995, Marret et al., 1996). Le glutamate

en excès est un inhibiteur de la prolifération cellulaire (LoTurco et al., 1995), de la migration des neurones (Marret et al., 1996) et de la synaptogenèse (Kleinschmidt et al., 1987). Plusieurs études ont montré que le plomb à faibles doses inhibe la croissance des dendrites de neurones du cortex frontal de la rétine et de l'hippocampe (Kern et al., 1993, Cline et al., 1996) ainsi que la synaptogenèse, soit directement par son action sur les récepteurs liés à des canaux calciques, soit indirectement en interférant avec des molécules d'adhésion telles que la NCAM (Neural Cell Adhesion Molecule) (Regan, 1993, Murphy et al., 1995, Gutowski et al., 1997). L'effet inhibiteur du plomb est plus important sur les cellules hippocampiques que sur les cellules corticales pendant la période de développement cérébral (Guilarte and Miceli, 1992). Plusieurs auteurs ont montré que les récepteurs NMDA de neurones foetaux, localisés dans l'hippocampe et impliqués dans la potentialisation à long terme et la mémoire, sont inhibés par le plomb (Alkondon et al., 1990, Banks et al., 1997, Jett et al., 1997).

La figure 3 illustre les effets du plomb sur la transmission glutamatergique: (1) Dans une synapse glutamatergique normale, le glutamate (GLU) est libéré d'une manière dépendante du calcium pour activer les récepteurs NMDA qui sont ancrés dans la partie post-synaptique. (2) Chez les animaux exposés au plomb, il y a une diminution du nombre de récepteurs NMDA et les récepteurs qui sont disponibles peuvent être bloqués par le plomb. (3) L’entrée du calcium aux canaux NMDA active les enzymes qui sont directement sensibles au calcium. Deux enzymes connues pour être directement couplées et activées par le flux de calcium sont le calcium / calmoduline kinase II (CaMKII) et l'oxyde nitrique synthétase neuronale (nNOS). Ainsi, l'activation des récepteurs NMDA permet l'entrée du calcium dans la cellule avec l'activation subséquente d'un certain nombre d'enzymes sensibles au calcium dont nNOS, CAMKII et la kinase 1/2 régulant le signal extracellulaire (ERK1/2). (4) Chez les animaux exposés au plomb, la faible quantité de l'influx de calcium peut résulter de l'effet combiné de la faible quantité des récepteurs NMDA et leur inhibition directe par le plomb. Cet effet serait de modifier directement le niveau d'activation de la nNOS et de réduire l'activité CAMKII. Ces deux événements vont influencer la capacité de la synapse exposée au plomb à induire et maintenir la potentialisation à long terme (LTP). (5) Les effets du plomb sur les cellules gliales peuvent jouer un rôle dans l'activation des récepteurs NMDA extra-synaptique qui constituent une plus grande proportion de la réserve totale des récepteurs NMDA dans les synapses glutamatergiques exposées au plomb. L'activation de ces récepteurs induit l’augmentation de la libération de GLU par les cellules gliales qui est due à une accumulation importante intracellulaire de GLU dans les cellules gliales. Ceci est possible car la glutamine synthétase, l'enzyme gliale qui convertit le GLU en glutamine sera inhibée par le

plomb. (6) Alternativement, les niveaux accrus de glutamate extracellulaire suite à l’exposition au plomb peut induire une inhibition des transporteurs du glutamate (GLAST/GLT-1) dans les cellules gliales, mais cet effet n'a pas été démontré. (7) L'activation des récepteurs NMDA dans une synapse bloquée de manière chronique, comme observé chez les animaux exposés au plomb, modifie l’activité des enzymes sensibles au calcium telles que les kinases et les phosphatases qui peuvent transcrire les informations de la synapse au noyau en modifiant la phosphorylation des facteurs de transcription tels que CREB. Par conséquent, l'activation des NMDAR dans les synapses glutamatergiques exposées au plomb réduit l'activité de CREB en diminuant sa phosphorylation (8) ce qui modifie la transcription de gènes tels que le facteur neurotrophique cérébral (BDNF ; brain-derived neurotrophic factor) essentiel pour la plasticité synaptique, l'apprentissage, la mémoire et la survie des cellules (9).

Figure 3 : Effets du plomb sur la transmission glutamatergique (D'aprés Toscano and Guilarte, 2005).

I.1.6.2.2 Effet du plomb sur les systèmes monoaminergiques

Les taux de monoamines cérébrales (dopamine, noradrénaline et sérotonine) sont abaissés dans les cerveaux de rats exposés au plomb pendant la période prénatale (Antonio et al., 1996). Les effets du plomb pourraient s'expliquer par des interférences négatives entre le système dopaminergique et glutamatergique (Cory-Slechta et al., 1997). Une diminution de la libération de dopamine dans le noyau accumbens impliqué dans la motricité est observée chez les rats exposés au plomb (Kala and Jadhav, 1995a). L'exposition périnatale chez le rat à des doses faibles de plomb provoque une sensibilité accrue des récepteurs dopaminergiques D2 et D3 du cerveau (Cory-Slechta et al., 1992, Gedeon et al., 2001) augmente l'activité hippocampique de la tyrosine hydroxylase (Bielarczyk et al., 1996), produit des niveaux plus élevés de dopamine (Leret et al., 2002, Devi et al., 2005), et augmente la neurotransmission catécholaminergique dans le cortex, l'hippocampe et le cervelet en raison de l'augmentation du turnover de la noradrénaline (Devi et al., 2005). D’autre part, l'exposition périnatale à des concentrations élevées de plomb diminue les niveaux de noradrénaline, adrénaline et dopamine dans le cortex, l'hippocampe et le cervelet (Dubas and Hrdina, 1978, Sidhu and Nehru, 2003, Devi et al., 2005) et diminue les activités de l'acétylcholinestérase (Sidhu and Nehru, 2003), de la monoamine oxydase (Devi et al. 2005), et de la tyrosine hydroxylase (McIntosh et al., 1989). Les effets observés pour des concentrations élevées en plomb sur la monoamine oxydase et les catécholamines dans le cerveau pourrait être indirecte, conséquentes à des lésions cellulaires induites par ce métal plutôt qu'induits par l'interaction directe du plomb avec ces neurotransmetteurs. Le plomb entre en compétition avec le calcium pour des sites de liaison communs de ce dernier et il est incorporé dans les systèmes de transport dans le système nerveux, où le calcium est crucial pour la libération des neurotransmetteurs. Ainsi, la modification de l'homéostasie du calcium et de la capacité du plomb à imiter ce cation peut également avoir un rôle important dans les altérations induites par ce métal sur la neurotransmission. En outre, le plomb peut induire une libération de catécholamines à partir des vésicules de stockage de manière calcium-indépendante (Westerink and Vijverberg, 2002). Bien que ce dernier mécanisme ne soit pas encore totalement élucidé, il s'agit de la stimulation de l'exocytose probablement suite à une stimulation directe de la calcineurine par le plomb (Westerink and Vijverberg, 2002). Le plomb induirait cet effet en provoquant des courants excitateurs post-synaptiques dans des neurones de l'hippocampe chez le rat (Braga et al., 1999).

I.1.6.3 Astrocytes dans les conditions de toxicité au plomb

Les astrocytes maintiennent l'environnement homéostatique des neurones, et les interactions entre les neurones et les cellules gliales sont fondamentales pour le fonctionnement du système nerveux central. Les relations entre les neurones et les astrocytes sont très complexes. Il y a un risque probable que les voies qui relient l'activité de ces deux groupes de cellules soient affectées dans des conditions pathologiques telles que la toxicité au plomb. Les perturbations de cette communication bidirectionnelle peuvent conduire à la mort neuronale selon la dose et la durée de l'exposition, l'échéance de l'organisme exposé et le degré d’affinité du plomb pour les différentes régions du cerveau. Lors d'agressions pathologiques, les astrocytes peuvent réduire ou limiter les lésions neuronales d'une manière dépendante de plusieurs facteurs. Le sens de ces modifications, soit à voies de signalisation neuroprotectrices ou neurodégénératives dépend de la maturité des astrocytes. Les données sur les mécanismes de la neurotoxicité au plomb ont montré que les astrocytes servent de compartiments cellulaires pour l'accumulation et le stockage de ce métal (Holtzman et al., 1987, Tiffany-Castiglioni et al., 1986). Cette accumulation est considérée comme un moyen de protection des neurones connus pour être plus sensibles aux effets toxiques du plomb comparés aux cellules gliales (Tiffany-Castiglioni, 1993). D'autre part, le plomb stocké dans les cellules gliales va être libéré de manière continue, ce qui contribue à la toxicité des neurones adjacents ou les astroglies ellesmêmes. Il semble que les astrocytes absorbent 14 fois plus de plomb que les neurones. Chez les rats exposés au plomb, les niveaux de la protéine acide fibrillaire gliale (Glial Fibrillary Acidic Protein ou GFAP est un marqueur de l'activation des astrocytes), la principale composante des filaments gliaux, ont été considérablement augmentés dans l'hippocampe et le cortex, mais pas dans le cervelet. La fraction gliale obtenue à partir de l'ensemble du cerveau a également révélé une expression accrue de cette protéine (Struzynska et al., 2001). La sélectivité de l'expression d'une gliose régionale peut être attribuée soit à une sensibilité différente des structures cérébrales au plomb soit à des différences régionales dans les processus biochimiques ou à des différentes concentrations de plomb dans les différentes régions. Le plomb induit une augmentation de la GFAP associée à la formation des astrocytes réactives, ce qui indique que le compartiment neuroglial est actif en réponse à ce métal. Ce n'est probablement pas une réaction primaire des astrocytes au plomb parce que les astrocytes en culture ne sur-expriment pas la GFAP après le traitement au plomb (Tiffany-Castiglioni et al., 1986, Holtzman et al., 1987). Au lieu de cela, il peut tenir compte de la formation des astrocytes réactifs après les lésions neuronales induite

par le plomb. Buchheim et ses collaborateurs (1994) notent une persistance des fibres gliales radiaires et un retard de différenciation astrocytaire chez le singe et le rat. Une diminution de l'expression de la protéine S 100 (la protéine S100, exprimée par les astrocytes, est une protéine spécifique gliale utilisée comme un marqueur des dommages cérébraux) est observée chez le singe exposé en pré- et post-natal à de faibles doses de plomb, et témoigne un retard de différenciation et de maturation de l'astroglie (Noack et al., 1996). Pour Tiffany-Castiglioni (1993), les cellules de Schwann et les oligodendrocytes seraient plus sensibles à l'action du plomb que les neurones et les astrocytes. Ces cellules seraient protégées de l'effet du plomb en présence d'astrocytes, suggérant que ceux-ci pourraient capter le plomb (Tiffany-Castiglioni et al., 1989).

I.1.6.4 Le plomb et la maladie de Parkinson

L'exposition au plomb a été considérée comme un facteur de risque dans le développement de la maladie de Parkinson (PD) (Duckett et al., 1977, Kuhn et al., 1998). Des études épidémiologiques soutiennent l'hypothèse que le plomb joue un rôle synergique avec d'autres métaux lourds, en particulier le manganèse et le cuivre dans l'incidence de PD (Gorell et al., 1997, 1999). L'association de ce métal avec la PD est soutenue par des données expérimentales « in vivo ». Des rats nouveau-nés exposés à des niveaux élevés de plomb présentent une détérioration de neurones dopaminergiques au niveau du striatum (Jason and Kellogg, 1981). Cette détérioration est irréversible même après l’arrêt du traitement au plomb. Cependant, les niveaux du plomb dans le cerveau diminuent et de nombreuses anomalies comportementales et neurochimiques associées à une forte exposition de plomb se dissipent. Le traitement au plomb diminue également les niveaux de la dopamine dans la substance noire chez le rat, mais cette baisse n’est probablement pas liée à la perte physique des neurones immunoréactifs à la tyrosine hydroxylase (ir-TH). A ce jour, il n'existe pas de corrélation de cause à effet entre l'exposition au plomb et la manifestation de symptômes semblables à ceux décrits dans la PD, ou en relation directe avec la physiopathologie de la maladie.

I.2 La maladie de Parkinson I.2.1 Généralités

La maladie de Parkinson a été décrite pour la première fois en 1817 par le médecin anglais James Parkinson comme «paralysie agitante». C’est une maladie neurodégénérative considérée par la communauté scientifique comme principalement due à la dégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNc) et de ses efférences sur le striatum. Cependant, toutes les voies dopaminergiques cérébrales sont atteintes (Hornykiewicz, 1973). En plus de la voie nigro-striée, le déficit concerne également les voies méso-limbique et méso-corticale qui jouent un rôle important dans la genèse des troubles cognitifs et certains aspects de l’akinésie (Javoy- Agid and Agid, 1980, Scatton et al., 1982). Bien que l’atteinte du système dopaminergique soit considérée comme la cause principale de la PD, de nombreux travaux ont démontré aussi la dégénérescence des neurones noradrénergiques du Locus Coeruleus (LC) (Greenfield and Bosanquet, 1953, Ehringer and Hornykiewicz, 1960, Chan-Palay and Asan, 1989) et des neurones sérotoninergiques du Raphé Dorsal (RD) (Fahn et al., 1971, Scatton et al., 1983, Shannak et al., 1994).

D’après la théorie de Braak et Del Tredici (2008), les centres monoaminergiques dégénéreraient de façon caudo-rostrale dans la PD. Ainsi, à un stade avancé de la maladie, on note une perte d’environ 75 % des corps cellulaires dopaminergiques de la SNc (Ehringer and Hornykiewicz, 1960), 80% des voies noradrénergiques du LC (Cash et al., 1987), et d’environ 60% des voies sérotoninergiques du RD (Scatton et al., 1983, Kish, 2003, Kish et al., 2008). La dégénérescence cellulaire n’est jamais totale mais diverses études laissent penser que le processus dégénératif est continu. Par exemple, dans la substance noire, la perte des neurones dopaminergiques est d’environ 1% par an, alors que chez le sujet normal, la dégénérescence est deux fois moins rapide (Riederer and Wuketich, 1976, Scherman et al., 1989).

I.2.2 Symptômes moteurs et non moteurs I.2.2.1 Symptômes moteurs

Les troubles moteurs de la PD sont souvent qualifiés de symptômes cardinaux. Ils regroupent les quatre manifestions les plus courantes décrites chez les patients parkinsoniens. Il s’agit tout d’abord de l’akinésie ou bradykinésie, qui correspondent respectivement à la raréfaction voir la privation du mouvement et à la lenteur de son exécution. En d’autres termes, les mouvements volontaires se caractérisent par un défaut d’initiation avec apparition d’un délai significatif entre la volonté de réaliser le mouvement et l’exécution de ce mouvement. Les activités de routines sont donc grandement perturbées.