Université de Sherbrooke
Distribution de l’ARNm des récepteurs aux opioïdes delta et mu dans les neurones des ganglions de la racine dorsale chez les rongeurs
Béatrice Quirion Par Programmes de Physiologie
Mémoire présenté à la Faculté de médecine et des sciences de la santé en vue de l’obtention du grade de maitre ès sciences (M. Sc.)
en Physiologie
Sherbrooke, Québec, Canada [Janvier, 2022]
Membres du jury d’évaluation
Louis Gendron PhD Programme de Physiologie; Directeur de recherche Alain Frigon PhD Programme de Physiologie; Évaluateur interne Nathalie Perreault PhD Département d’Immunologie et Biologie Cellulaire
© Béatrice Quirion, 2022
Distribution de l’ARNm des récepteurs aux opioïdes delta et mu dans les neurones des ganglions de la racine dorsale chez les rongeurs
Béatrice Quirion Par Programme de Physiologie
Mémoire présenté à la Faculté de médecine et des sciences de la santé en vue de l’obtention du diplôme de maitre ès sciences (M.Sc.) en Physiologie, Faculté de médecine et des sciences de la santé, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada, J1H 5N4 Les afférences primaires sont la première étape dans la transmission de la douleur, soit en transmettant les stimuli potentiellement dommageable de la périphérie à la corne dorsale de la moelle épinière. Les récepteurs aux opioïdes mu (MOP) et delta (DOP) ont des propriétés analgésiques et sont hautement exprimés dans les neurones des ganglions de la racine dorsale (DRG). Chez les humains, le DOP exprimé au niveau spinal est exclusivement localisé sur les axones centraux des afférences primaires, donc sur les terminaux présynaptiques seulement. Chez les rongeurs, le DOP et MOP sont exprimés sur les terminaux présynaptiques et sur les neurones post-synaptiques spinaux. Le but de mon projet était d’identifier la distribution des récepteurs aux opioïdes delta et mu dans les neurones de DRG chez le rat et la souris. La technique d’hybridation in situ RNAscope et l’immunofluorescence ont été utilisé pour identifier l’ARNm du DOP et MOP sur les différentes fibres de DRG (Aβ, A𝛿𝛿, fibres C nonpeptidergiques et fibres C peptidergiques).
Les fibres myélinisées (Aβ, A𝛿𝛿) ont été identifié par le marqueur NF200, les fibres C nonpeptidergiques par IB4 ou P2XR3 et les fibres C peptidergiques par SP ou Tac-1. Chez la souris et le rat, on montre que les deux récepteurs sont distribués, quoique à différents niveaux, dans les trois types de fibres de DRG. L’ARNm du DOP est distribué principalement dans les fibres myélinisées de large et moyen diamètre Aβ et A𝛿𝛿, alors que le MOP est principalement distribué dans les fibres C peptidergiques et nonpeptidergiques. Par contre, la distribution de l’ARNm du DOP varie légèrement entre le rat et la souris, soit qu’il y a une plus grande proportion d’ARNm de DOP distribué dans les fibres C nonpeptidergiques chez la souris que le rat. Nous avons aussi trouvé que ni un traitement chronique à la morphine ni l’inflammation affecte la distribution des récepteurs dans les afférences primaires. Dû à nos résultats, on confirme que MOP et DOP on le potentiel de soulager la douleur thermique et mécanique et que cet effet pourrait varier légèrement entre espèces.
Mots clés : Afférences primaires, DOP, MOP, distribution, rongeurs, co-expression, douleur
S
UMMARYDistribution of delta and mu opioid receptor mRNA in rodent dorsal root ganglia neurons
Béatrice Quirion By Physiology Program
Thesis presented at the Faculty of medicine and health sciences for the obtention of Master degree diploma maitre ès sciences (M.Sc.) in Physiology, Faculty of medicine and health
sciences, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada, J1H 5N4
Primary afferents are the first step of pain processing, transmitting signals produced by noxious stimuli from the periphery to the spinal cord. Mu and delta opioid receptors (MOP and DOP) have analgesic properties and are highly expressed in dorsal root ganglia (DRG) neurons. In humans, spinal DOP are almost exclusively located on central terminals of DRG neurons, while in rodents, they are expressed both on presynaptic terminals and postsynaptic spinal neurons. In this study, we aimed to assess the distribution of MOP and DOP in DRG of mice and rats. Using in situ hybridization and immunofluorescence, we visualized MOP and DOP mRNA together with various neuronal markers. In rats and mice, we show that both receptors are expressed, albeit to different extent, in all types of neurons, namely large and medium myelinated Aβ and A𝛿𝛿 neurons (NF200-positive), small nonpeptidergic C fibers (IB4- or P2X3R-positive) and small peptidergic C fibers (Tac1-positive). Overall, DOP mRNA was found to be mainly expressed in large and medium myelinated neurons while MOP mRNA was mainly found in small C fibers. The distribution of MOP and DOP however slightly differed between rats and mice, with a higher proportion of small nonpeptidergic C fibers expressing DOP mRNA in mice than in rats. We further found that neither morphine nor inflammation affected the distribution of the receptors. Because of their location, our results confirm that MOP and DOP have the potential to alleviate mechanical and thermal pain and that this effect could slightly differ between species.
Keywords : Primary afferents, DOP, MOP, distribution, rodents, co-expression, pain
Résumé ... iii
Summary ... iv
Table des matières ... v
Liste des figures ... vii
Liste des abréviations ... viii
1 1. Introduction ... 1
1.1 La douleur ... 1
1.1.1 Définition ... 1
1.1.2 Impact de la douleur sur la société ... 2
1.2 Transmission de la douleur ... 2
1.2.1 Le système somatosensoriel ... 2
1.3 Les afférences primaires ... 4
1.3.1 Les fibres Aα ... 4
1.3.1.1 Les fibres Ia ... 4
1.3.1.2 Les fibres Ib ... 5
1.3.2 Les fibres Aβ ... 6
1.3.2.1 Les fibres Aβ SA1-LTMRs ... 7
1.3.2.2 Les fibres Aβ SA2-LTMRs ... 8
1.3.2.3 Les fibres Aβ RA1-LTMRs ... 8
1.3.2.4 Les fibres Aβ RA2-LTMRs ... 9
1.4 La nociception ... 9
1.4.1 Les fibres Aβ HTMRs ... 10
1.4.2 Les fibres A𝛿𝛿 ... 11
1.4.2.1 Les fibres A𝛿𝛿 de type 1 ... 12
1.4.2.2 Les fibres A𝛿𝛿 de type 2 ... 12
1.4.3 Les fibres C ... 12
1.4.3.1 Les fibres C peptidergiques ... 13
1.4.3.2 Les fibres C non peptidergiques ... 14
1.5 Les récepteurs aux opioïdes ... 14
1.6 Interaction DOP-MOP ... 15
1.7 Le DOP : une cible potentielle pour le traitement de la douleur ... 16
1.7.1 Distribution du DOP ... 16
1.7.1.1 Distribution du DOP au cerveau ... 16
1.7.1.2 Distribution du DOP dans la moelle épinière ... 17
1.7.1.3 Distribution du DOP dans les afférences primaires ... 18
1.7.2 Localisation intracellulaire du DOP ... 21
1.7.2.1 En condition basal ... 21
1.7.2.2 En condition de traitement chronique à la morphine ... 22
1.7.2.3 En condition de douleur inflammatoire chronique ... 22
1.8 But de l’étude et objectifs ... 23
2. Article scientifique ... 25
Résumé ... 26
Abstract ... 27
3. Résultats hors article ... 52
3.1 Présence d’autofluorescence dans les DRG de souris ... 52
3.2 Élimination de l’autofluorescence de la lipofuscine ... 53
3.2.1 Le traitement TrueBlack 1X élimine l’autofluorescence, mais empêche le marquage de l’ARNm du DOP et MOP ... 53
3.2.2 Le traitement TrueBlack 0,5X élimine l’autofluorescence et permet le marquage de l’ARNm du DOP et MOP en RNAscope ... 54
4. Discussion ... 57
4.1 Distribution du DOP et MOP chez les rongeurs ... 59
4.1.1 Potentiel analgésique du DOP et MOP selon la distribution ... 61
4.2 Co-expression DOP et MOP ... 62
4.3 Différence dans la distribution du DOP et MOP entre les rongeurs ... 65
4.4 Effet d’un traitement chronique de morphine sur la distribution ... 67
4.5 Effet d’une douleur inflammatoire chronique sur la distribution ... 69
4.6 Forces et limitations de l’étude ... 70
5. Conclusions et perspectives ... 74
5.1 Perspectives ... 75
6. Remerciements ... 79
7. Liste de Références ... 80
Figure 1 : Présence d’autofluorescence (lipofuscine) dans les tissus de DRG de souris ... 52 Figure 2: Absence d'autofluorescence de la lipofuscine par un prétraitement au TrueBlack 1X sur DRG de souris……….………...53 Figure 3: Destruction partielle du marquage de l'ARNm du DOP et MOP suite à un prétraitement au TrueBlack 1X sur DRG de souris………54 Figure 4: Absence d'autofluorescence de la lipofuscine par un prétraitement au TrueBlack 0,5X sur DRG de souris………...………..55 Figure 5: Marquage de l'ARNm du DOP et MOP par hybridation in situ, en l'absence d'autofluorescence de la lipofuscine suite à un prétraitement au TrueBlack 0,5X sur DRG de souris……….56 Figure 6: Modèle de souris où le DOP est seulement exprimé dans les afférences primaires.77
CV CFA DOP DRG GFP GTO HTMRs IB4 KI KO KOP LDCV LTMRs MOP NF200 RT-PCR PPT-A P2XR3 SP Tac1
Vitesse de conduction Adjuvant complet de Freund Récepteur opioïde delta Ganglions de la racine dorsale Protéine fluorescente verte Organe de Golgi
Mécanorécepteur à seuil élevé (high threshold mechanoreceptors) Isolectine B4
Knock-in Knock-out
Récepteur opioïde kappa Large-dense core vesicles
Mécanorécepteurs à seuil bas (low threshold mechanoreceptors) Récepteur opioïde mu
Neurofilament 200
Réaction en chaine par polymérase par la transcriptase inverse Préprotachykinine-A
Récepteur purinergique 3 de la famille P2X Substance P
Gène qui encode la préprotachykinine-A
1.1 La douleur 1.1.1 Définition
Selon l’Association Internationale de l’Étude sur la Douleur, la douleur est caractérisée comme une sensation désagréable et une expérience émotionnelle en réponse à une atteinte tissulaire réelle ou potentielle (International Association for the Study of Pain; IASP, 2012;
https://www.iasp-pain.org/terminology?navItemNumber=576#Pain). Celle-ci peut être soit aigüe ou chronique. La douleur aigüe est de courte durée (moins de 3 mois) qui se résout lorsque la blessure en cause guérit (Derry et al. 2017). La douleur aigüe est un phénomène important et même essentiel à notre survie, puisqu’elle agit à titre de système d’alarme en réponse à des stimuli pouvant potentiellement menacer l’intégrité de notre corps. Elle contribue également à la guérison et protège le corps face à une blessure. Par exemple, une atteinte au doigt causera une douleur aigüe qui nous fera moins utiliser ce doigt et permettra ainsi une guérison plus rapide (Ji et al. 2018). La douleur chronique est une douleur persistante pendant au moins 3 à 6 mois. La douleur chronique est pathologique et se traduit par un dérèglement des systèmes qui encodent les stimuli douloureux. Contrairement à la douleur aigüe, la douleur chronique ne comporte aucun bienfait. La douleur chronique est souvent associée à de l’allodynie (un phénomène qui fait ressentir de la douleur à un stimulus normalement non douloureux), de l’hyperalgésie (avoir une augmentation de la sensation de la douleur d’un stimulus douloureux) ou même de la douleur spontanée. Il existe différents types de douleur chronique dont la douleur neuropathique, les lombalgies, l’arthrose, etc. Par exemple, la douleur neuropathique est causée par une lésion dans le système somatosensoriel soit au niveau central ou périphérique. La douleur chronique peut aussi être entraînée par un phénomène de sensibilisation centrale ou périphérique (ce qui diminue les seuils d’activation des neurones et donc entraine de la douleur) (International Association for the Study of Pain;
IASP, 2012; https://www.iasp-pain.org/terminology?navItemNumber=576).
1.1.2 Impact de la douleur sur la société
Au niveau mondial, la douleur chronique est un sérieux fardeau socio-économique. Elle touche environ 1 Canadien et Américain sur 3, ce qui est plus fréquent que les gens atteints de maladies cardiovasculaires, de diabète et de cancers, combinés (Cragg et al. 2018). Les coûts estimés pour la douleur chronique sont d’environ 56 à 60 milliards $ par année au Canada, soit en coût de santé direct (hospitalisation par exemple), mais majoritairement en coût indirect (perte de productivité, par exemple). La douleur chronique apporte des conséquences importantes sur la qualité de vie, des enjeux économiques (perte d’emploi) et sur la santé mentale des gens atteints. En effet, il y a plusieurs comorbidités associées à la douleur chronique dont la dépression et l’anxiété (Abdallah and Geha 2017; Karayannis et al. 2019; Harris 2014; Woo 2010). Les traitements les plus utilisés pour traiter la douleur chronique sont les anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS), l’acétaminophène et les opioïdes.
1.2 Transmission de la douleur 1.2.1 Le système somatosensoriel
Le système somatosensoriel est un des systèmes les plus importants pour notre bon fonctionnement puisqu’il nous donne des informations sur le toucher, mais également la position de notre corps dans l’espace, la douleur, et encore plus. Les fonctions principales du système somatosensoriel sont la proprioception, l’extéroception et l’intéroception (Abraira and Ginty 2013). La proprioception correspond au signal qui nous indique la position et le mouvement de notre corps dans l’espace sans avoir besoin de regarder. Cette information est fournie par des récepteurs situés au niveau des articulations, des muscles squelettiques et de la peau (Jones 1994). Par exemple, la proprioception est ce qui nous permet, si on lève notre bras dans l’espace, de savoir à quelle hauteur il est sans avoir besoin de regarder.
L’intéroception est la perception de nos stimuli internes et qui nous informe sur l’état de nos organes majeurs. Ça nous informe plutôt sur les stimuli de chémorécepteurs qui se retrouvent au niveau des viscères. Lorsqu’on ressent le besoin d’aller uriner ou si on a faim, par exemple, cela correspond à l’intéroception (Valenzuela-Moguillansky et al. 2017). Finalement, l’extéroception est plutôt la perception de l’environnement et donc correspond au toucher,
sensations thermiques (froid, chaud), douleur et nociception (Valenzuela-Moguillansky et al.
2017).
Au niveau de la perception de la douleur, la transmission fait par le système somatosensoriel est habituellement une activation subséquente de 3 neurones. Le premier neurone impliqué est l’afférence primaire. Ce sont les seuls neurones capables de capter les stimuli sensoriels.
Les afférences primaires sont des neurones pseudo-unipolaires, ce qui veut dire que leur axone se divise en deux projections. On retrouve donc un axone périphérique qui se retrouve au niveau de la peau, des articulations, des muscles ou des viscères (Almeida et al. 2004). Le corps cellulaire des afférences primaires se retrouve au niveau des ganglions de la racine dorsale (DRG) et des ganglions du trijumeau (TG) (Basbaum, A. et al. 2009; Dubin and Patapoutian 2010). Il y a ensuite, pour les neurones de DRG, un axone central qui innerve la corne dorsale de la moelle épinière (Hendry and Hsiao 2013; Kaas 2012; Basbaum and Jessel 2000). Le système trigéminal relais plutôt les signaux vers le tronc cérébral puis vers le noyau trijumeau caudalis dans la médulla (Bičanić et al. 2019). Sur les terminaisons périphériques des afférences primaires, on retrouve des récepteurs sensoriels spécifiques qui permettent de distinguer les différentes afférences primaires. En effet, les récepteurs sont activés par des stimuli spécifiques tels que la chaleur, le froid, les vibrations, les étirements, etc., et les afférences sont classifiées selon le stimulus sensoriel les activant (Black 1987). Si le seuil d’activation du récepteur est atteint, un potentiel d’action est généré et le signal électrique est propagé jusqu’au système nerveux central par l’axone central de l’afférence (Khalid and Tubbs 2017; Millan 1999; Almeida et al. 2004). Les afférences primaires sont classées en catégories selon plusieurs caractéristiques comme leur diamètre, leur vitesse de conduction, leurs récepteurs périphériques, etc. Lorsque le signal se rend à la terminaison centrale de l’afférence primaire, des neurotransmetteurs excitateurs (glutamate et la substance P (SP), par exemple) sont relâchés au niveau de la corne dorsale de la moelle épinière (Yam et al.
2018). Après intégration au niveau de la corne dorsale de la moelle épinière, le signal se propage par les voies ascendantes, soit la voie spinothalamique et spinoréticulothalamique (Almeida et al. 2004). En effet, le signal est transmis au niveau de la corne dorsale de la moelle épinière sur les neurones de projection de 2ème ordre qui eux vont à leur tour acheminer le signal jusqu’au tronc cérébral et thalamus. C’est au niveau de ces structures encéphaliques
corticales que le signal sera transmis à un troisième neurone qui projette soit au cortex somatosensoriel, cingulaire, ou insulaire (Apkarian et al. 2005). C’est lorsque le signal se rend aux structures corticales qu’on peut identifier le stimulus et la localisation ayant activé notre afférence primaire que ça devient de la douleur.
1.3 Les afférences primaires 1.3.1 Les fibres Aα
Les fibres Aα sont les fibres afférentes les plus myélinisées et ont en moyenne un diamètre allant de 12 à 20 μm (Gardner and Johnson 2013a). Due à leur haute myélinisation, leur vitesse de conduction se situe entre 30 et 100 m/s (Burgess and Perl 1973). Les fibres Aα se terminent dans les couches profondes de la corne dorsale de la moelle épinière, soit dans les lamina II, IV et V, près de la corne ventrale (Basbaum et al. 2011). Étant des fibres majoritairement impliquées dans le retour sensoriel et les réflexes spinaux, ce sont les fibres qui projettent le plus près de la corne ventrale de la moelle épinière, où l’on retrouve les corps cellulaires des motoneurones. En effet, elles vont propager le signal vers les structures supérieures mais vont également connecter directement avec les motoneurones et interneurones moteurs afin de générer des réflexes spinaux (Gardner and Johnson 2013a;
Pearson and Gordon 2013). Les fibres Aα sont des neurones proprioceptifs puisqu’ils relient de l’information qui nous permet de connaître la position de notre corps dans l’espace sans devoir regarder (Sonner et al. 2017). Les fibres Aα peuvent être identifiés par l’expression du récepteur kinase C de la tropomyosine (TrkC) et la parvalbumine (Pvalb) dans les DRG de ses fibres (Ernfors et al. 1994; Emery and Ernfors 2018). Il y a deux types de fibres Aα : les fibres Ia et Ib.
1.3.1.1 Les fibres Ia
Étant des fibres afférentes, les fibres Ia ont une projection axonale périphérique et centrale.
L’axone périphérique des fibres Ia projette vers les faisceaux musculaires (Purves et al.
2001a). Le fuseau musculaire est l’une des composantes principales du muscle qui est composé de fibres musculaires intrafusales encapsulées (Banks 2005; Pearson and Gordon 2013). Les fibres intrafusales ont une région centrale non contractile où l’axone périphérique
des fibres Ia projette. En effet, l’axone va venir encercler la région centrale des fibres intrafusales. Lorsqu’on fait un mouvement, cela cause un étirement des muscles et, par conséquent, un étirement des fibres intrafusales. Cet étirement des fibres produit une pression mécanique sur les fibres afférentes Ia qui entraine l’ouverture de canaux et dépolarisation des fibres Ia. Cette dépolarisation est arrêtée lorsque le muscle retourne à sa longueur initiale. La fonction principale de ces fibres est donc de donner de l’information sur l’étirement des muscles, mais aussi sur la vitesse d’étirement (Matthews 1981; Pearson and Gordon 2013;
Purves et al. 2001a). En effet, ils donnent de l’information sur la vitesse d’étirement puisqu’ils sont hautement sensibles aux mouvements et aux petits changements dans l’étirement des fibres intrafusales. L’axone central des afférences Ia fait un contact excitateur avec les neurones des voies ascendantes, ce qui nous permet de savoir l’étirement, et donc, la position de notre corps dans l’espace, sans devoir regarder (Windhorst 2007). En plus du contact avec les neurones des voies ascendantes, les fibres Ia font un contact excitateur avec un motoneurone d’un muscle agoniste et un interneurone inhibiteur du muscle antagoniste.
Ces contacts sont ce qui permet les réflexes spinaux (Pearson and Gordon 2013). En effet, le fait que les afférences Ia peuvent directement connecter avec les motoneurones fait qu’ils peuvent rapidement signaler de petits changements ou obstacles, ce qui permet à notre corps de s’ajuster rapidement. Le rôle principal de ces fibres est donc la proprioception et les réflexes.
1.3.1.2 Les fibres Ib
Contrairement aux fibres Ia, l’axone périphérique des afférences Ib projette à l’organe de Golgi (GTO). Le GTO est une structure encapsulée retrouvée à la jonction entre les muscles et les tendons (Scott 2005). Dans les capsules, en série avec les fibres musculaires, il y a des fibres de collagène. Chaque GTO est innervé par une afférence Ib qui va se ramifier à travers les fibres de collagène (Schoultz and Swett 1972; Sonner et al. 2017). Lorsque nos muscles sont contractés, cela entraine une diminution de la longueur de nos muscles ce qui cause un étirement du GTO. L’étirement du GTO va, par conséquent, étirer les fibres de collagène qui vont compresser les fibres Ib. Ce stimulus mécanique entraine activation et décharge des fibres Ib (Pearson and Gordon 2013). Alors que les fibres Ia signalent plutôt l’étirement, les fibres Ib signalent la tension musculaire (Jami 1992; Pearson and Gordon 2013). Les fibres
sont très sensibles à des changements de tension musculaires et peuvent donc fournir de l’information précise sur l’état de nos contractions musculaires. Tout comme les fibres Ia, elle donne donc de l’information proprioceptive.
1.3.2 Les fibres Aβ
Les fibres Aβ sont des fibres myélinisées de moyen à large diamètre (6-12 μm) avec une vitesse de conduction se situant entre 16 à 100 m/s, les classifiant comme des fibres de conduction rapide (Abraira and Ginty 2013; Almeida et al. 2004; Gardner and Johnson 2013b). L’axone central des fibres Aβ projette dans les lamina intermédiaires de la corne dorsale de la moelle épinière, soit les lamina III et IV (Basbaum et al. 2011; Yam et al. 2018).
Les fibres Aβ sont des mécanorécepteurs à seuil bas (low-threshold mechanoreceptors;
LTMRs) activés par des stimuli mécaniques non nociceptifs comme des vibrations, le toucher et l’étirement de la peau (Abraira and Ginty 2013; Lishi et al. 2012; Zimmerman et al. 2014).
Par contre, une petite proportion de fibres Aβ ont été démontrés comme étant des mécanorécepteurs à seuil élevé (high-threshold mechanoreceptors; HTMRs), donc plutôt activés par des stimuli mécaniques potentiellement nociceptifs (discuté plus loin; Abraira &
Ginty, 2013; Djouhri & Lawson, 2004; Le Pichon & Chesler, 2014; Watson, 1981)). Malgré que les fibres Aβ jouent majoritairement un rôle dans le toucher, ils peuvent aussi transmettre de l’information nociceptive. Il existe plusieurs sous-types de fibres Aβ LMTRs qui sont distingués par leurs récepteurs périphériques et par la localisation des terminaisons périphériques des afférences. Tout d’abord, ils sont divisés en deux types : les fibres Aβ à adaptation lente (slowly adapting; SA) et les fibres Aβ à adaptation rapide (rapidly adapting;
RA). Les récepteurs SA vont continuellement décharger tant que le stimulus mécanique est présent, alors que les récepteurs RA vont décharger au début et à la fin du stimulus ou lorsque la pression du stimulus change, mais arrêtent de décharger si le stimulus est statique. Ils répondent plutôt aux signaux ON et OFF (Abraira and Ginty 2013; Johansson 1978;
Zimmerman et al. 2014). Puisqu’ils répondent principalement à des stimuli mécaniques de faible intensité comme le toucher, les fibres Aβ sont présentes à la surface de la peau. Elles sont divisées en deux types; les types 1 qui sont plus retrouvées à la surface de la peau et les types 2 qui sont plus profondes dans l’épiderme. En tout, il y a 5 types de fibres Aβ; Aβ SA1-
LTMRs, Aβ SA2-LTMRs, Aβ RA1-LTMRs, Aβ RA2-LTMRs et Aβ HTMRs (Gardner and Johnson 2013c).
1.3.2.1 Les fibres Aβ SA1-LTMRs
Les fibres Aβ SA1-LTMRs sont capables de signaler l’information précise d’un objet comme sa grosseur et sa forme. En effet, ils ont une grande capacité de discrimination tactile et de détail spatial. L’axone périphérique des fibres Aβ SA1-LTMRs termine dans les cellules de Merkel (Zimmerman et al. 2014; Abraira and Ginty 2013). La densité de cellules de Merkel à la surface de la peau varie en fonction de l’endroit (Halata and Munger 1986). En effet, sur les surfaces qui requièrent un haut niveau d’attention aux détails, comme les mains par exemple, il y a une grande densité de cellules de Merkel et elles sont presque absentes dans des régions où une détection précise n’est pas requise, comme le dos par exemple. Une fibre Aβ SA1-LTMRs peut se diviser et innerver jusqu’à 15 cellules de Merkel et dans certaines zones on peut retrouver jusqu’à 150 cellules de Merkel (Ebara et al. 2008). Les fibres Aβ
SA1-LTMRs ont des petits champs récepteurs ce qui veut dire qu’elles peuvent détecter les indentations de la peau de façon très précise (Vega-Bermudez and Johnson 1999). Elles peuvent donc transmettre de l’information sur les textures, les courbures, la forme et la grosseur de l’objet en contact avec la peau (Zimmerman et al. 2014). Une question encore débattue à ce jour est si la cellule de Merkel, la fibre SA1-LTMrs, ou les deux sont nécessaires pour la transmission de stimulus. En effet, une étude a démontré qu’une déplétion des cellules de Merkel inhibe les réponses de fibres SA1-LTMRs, mais les résultats sont controversés, car les cellules de Merkel sont nécessaires pour le développement approprié des fibres périphériques (Ikeda et al. 1994). Effectivement, lorsque les cellules de Merkel sont éliminées chez la souris adulte, la signalisation des fibres SA1-LTMRs n’est pas altérée, ce qui suggère que les fibres SA1-LTMRs suffisent pour signaler les stimuli et sont un site de mécanotransduction en eux-mêmes (Kinkelin et al. 1999). Une autre étude utilisant l’optogénétique a montré que l’activation spécifique des cellules de Merkel est suffisante pour induire la transmission des fibres SA1-LTMRs (Maksimovic et al. 2014). Donc, il semble que les cellules de Merkel et les fibres SA1-LTMRs seules peuvent induire la transmission de stimuli, mais qu’elles peuvent également l’induire ensemble par les cellules de Merkel signalant aux fibres Aβ SA1-LTMRs.
1.3.2.2 Les fibres Aβ SA2-LTMRs
Les fibres Aβ SA2-LTMRs sont similaires aux fibres SA1-LTMRs puisque les deux signalent tant que le stimulus est présent (Abraira and Ginty 2013). Étant de type 2, leur localisation est beaucoup plus profonde, mais leur exacte localisation dans la peau est encore controversée. Elles ont été associées aux terminaisons de Ruffini, qui sont des structures encapsulées retrouvées à la terminaison de nerfs dans le derme de la peau, mais il y a un manque de données qui confirme cette idée (Chambers et al. 1972). Contrairement aux fibres SA1-LTMRs, les fibres SA2-LTMRs répondent à l’étirement de la peau et très faiblement aux indentations dans la peau (Johnson et al. 2000). Étant plus sensibles à l’étirement de la peau, elles jouent plutôt un rôle dans la transmission de stimuli signalant le mouvement de nos doigts et mains dans l’espace, mais aussi la détection de gros objet s’il cause des étirements de la peau. Les fibres SA2-LTMRs signalent donc l’information proprioceptive ainsi que le mouvement de la peau sur un objet.
1.3.2.3 Les fibres Aβ RA1-LTMRs
Les fibres Aβ RA1-LTMRs sont des fibres de type adaptation rapide ce qui veut dire qu’elles signalent lorsque le stimulus change et n’est pas statique. Ce type de fibre ressent les vibrations de basses fréquences et les mouvements sur la peau (Vallbo and Johansson 1984).
Par exemple, ce sont ces fibres qui signalent si un objet que l’on tient commence à glisser et tomber de notre main, ce qui nous permet de réajuster notre prise (Abraira and Ginty 2013;
Gardner and Johnson 2013c). L’axone périphérique des fibres RA1-LTMRs termine dans les corpuscules de Meissner, qui sont dans les papilles dermiques des mains et pieds (Lishi et al.
2012; Abraira and Ginty 2013). Les corpuscules de Meissner sont composés de cellules lamellaires arrangées ensemble horizontalement, associées à des fibres de collagène et aux terminaisons périphériques des fibres Aβ RA1-LTMRs (Cauna 1881). Donc, lorsqu’une pression est exercée sur la peau, les fibres de collagène vont se déformer ce qui, par conséquence, déforment les corpuscules de Meissner. La déformation des corpuscules de Meissner active les fibres Aβ et génère des potentiels d’actions dans les fibres (Cauna and Ross 1960). Si la pression persiste, les fibres RA1-LTMRs vont rapidement cesser d’être activées et il n’y aura plus de potentiel d’action. Cependant, lorsque la pression arrête, les corpuscules de Meissner regagnent leur forme initiale, ce qui entraine une autre déformation
des fibres de collagène et, donc, une activation des fibres Aβ RA1-LTMRs. C’est ce phénomène dans les corpuscules de Meissner qui fait que les fibres RA1-LTMRs signalent seulement au début et à la fin de la pression, mais pas lorsque le stimulus persiste et pourquoi ce sont ces fibres qui détectent les mouvements rapides sur la peau qui causent des indentations (Cauna and Ross 1960; Vallbo and Johansson 1984).
1.3.2.4 Les fibres Aβ RA2-LTMRs
Le deuxième type de RA dans les fibres tactiles sont les RA2-LTMRs. La principale différence entre ces fibres et les RA1-LTMRs est qu’elles répondent plutôt aux vibrations de hautes fréquences et ont un seuil d’activation plus bas, les rendant plus sensibles aux stimuli (Vallbo and Johansson 1984). Il s’agit des mécanorécepteurs les plus sensibles. Les fibres RA2-LTMRs sont associées aux corpuscules de Pacini qui sont dans le derme profond. Les corpuscules de Pacini sont des capsules avec des couches de tissu conjonctif remplies de liquide et des terminaisons périphériques des fibres RA2-LTMRs (Bell et al. 1994). Les capsules augmentent les vibrations engendrées par un stimulus mécanique, entraînant la décharge des fibres puisqu’elles sont seulement activées par des vibrations de hautes fréquences (Gardner and Johnson 2013c). Ces fibres nous permettent de guider des objets dans nos mains sans avoir à regarder l’objet. En effet, ce sont ces fibres qui nous permettent de savoir que l’on a déposé l’objet sur la table en ressentant les vibrations de l’objet dans nos mains par exemple.
1.4 La nociception
La nociception est le système nerveux sensoriel qui permet la détection de stimuli de hautes intensités qui seraient potentiellement douloureux pour l’organisme (Yam et al. 2018; Woolf and Ma 2007). Les récepteurs qui sont activés par les stimuli de hautes intensités sont appelés les nocicepteurs, et sont la première étape de la propagation de la douleur (Basbaum et al.
2011). Comparativement aux fibres Aα et Aβ, les nocicepteurs ne terminent pas dans des capsules ou cellules non neuronales, mais sont plutôt des terminaisons nerveuses libres (Hendry and Hsiao 2013). Les nocicepteurs sont seulement activés par un signal de haute intensité et ne signalent pas un stimulus inoffensif. Plusieurs études électrophysiologiques
ont démontré que les stimuli nociceptifs étaient transmis spécifiquement par les fibres afférentes avec nocicepteurs (Purves et al. 2001b). Par exemple, une étude a déjà observé les potentiels d’actions à l’aide d’électrodes des différentes fibres afférentes suite à un stimulus thermique avec une température croissante. Ils ont démontré que les fibres signalant les stimuli thermiques non nociceptifs, peu importe la température du signal, ne montraient pas de changement dans le nombre de potentiels d’action. Au contraire, les fibres nociceptives ne signalaient pas lorsque le stimulus thermique était de faible intensité, mais commençait à signaler lorsque le stimulus devenait potentiellement nocif pour l’organisme (Purves et al.
2001b). Le signal est seulement appelé douloureux lorsqu’il se rend au niveau du cerveau. Il y a deux groupes principaux de fibres afférentes pour les signaux nociceptifs, soit les fibres A𝛿𝛿 et C, qui sont différenciées par leur vitesse de conduction et leur diamètre (Almeida et al.
2004; Basbaum et al. 2011; Watson 1981). C’est dû à ces deux groupes de fibres et leur différentes vitesses de conduction que la douleur est détectée en deux phases : une première douleur qui est bien localisée et rapide, puis une deuxième, qui est plus lente et plus diffuse que l’endroit exact du stimulus douloureux (Basbaum and Jessell 2013; Hendry and Hsiao 2013). La première douleur est transmise par les fibres A𝛿𝛿, qui ont une vitesse de conduction plus rapide, alors que la deuxième est transmise par les fibres C, qui ont une vitesse de conduction plus lente (Basbaum et al. 2011; Khalid and Tubbs 2017). Plus récemment, un groupe de fibres Aβ a aussi été décrit comme pouvant transmettre de l’information nociceptive.
1.4.1 Les fibres Aβ HTMRs
Les fibres HTMRs sont une classe de neurones sensoriels qui sont seulement activés par de forts stimuli mécaniques et ne seront pas activés par des stimuli inoffensifs (Abraira and Ginty 2013). Ces fibres représentent donc une certaine classe de nocicepteurs parce qu’elles sont activées par des stimuli mécaniques nocifs. Les fibres Aβ sont principalement connues pour leur rôle dans le toucher de faible intensité, mais une certaine proportion des fibres Aβ a été démontrée comme étant nociceptives (Djouhri and Lawson 2004). Cette classe de nocicepteurs a été découverte principalement en étudiant les vitesses de conduction (CV) des différentes fibres de DRG chez plusieurs espèces. Chez le chat et le singe, des nocicepteurs de fibres A (Aβ, Aα et A𝛿𝛿) avaient un seuil de CV à 65 m/s et 70 m/s respectivement. Sachant
que les fibres A𝛿𝛿 nociceptives ont un seuil de CV à 30 m/s, cela indiquerait que les fibres nociceptives avec une CV de 65 m/s et 70 m/s seraient des fibres Aβ (Burgess and Perl 1967).
Après quantification, Burgess et Perl ont trouvé que chez le chat, 18-38% des fibres A signalaient dans la portée des fibres Aβ nociceptives et qu’environ 8% de ces fibres étaient HTMRs (Burgess and Perl 1967). Chez le rat, c’est environ 50% des fibres A nociceptives qui signalaient dans la plage de CV des fibres Aβ (Lynn and Carpenter 1982). Des études comportementales ont aussi montré que les fibres Aβ réagissent à des filaments Von Frey inoffensifs mais aussi à des filaments Von Frey nocifs (donc à des stimuli mécaniques non douloureux et potentiellement dommageables) (Simone and Kajander 1997; Treede et al.
1998). À part le fait que leur existence a été découverte, les fibres nociceptives de type Aβ sont encore sous-étudiées. En effet, leur morphologie, leurs différences avec les fibres Aβ LTMRs et la façon exacte de les identifier sont encore peu connues (Djouhri and Lawson 2004). Trouver une façon de les identifier spécifiquement serait critique afin de pouvoir étudier leur rôle potentiel et exact dans la douleur.
1.4.2 Les fibres A𝛿𝛿
Les fibres A𝛿𝛿 sont les fibres de type A myélinisées de plus petit calibre, aussi appelées les fibres de moyen diamètre. Ces fibres ont un diamètre moyen de 2-5 μm et une vitesse de conduction entre 12 et 30 m/s (Meyer et al. 2006; Yam et al. 2018; Almeida et al. 2004;
Burgess and Perl 1972). L’axone central des fibres A𝛿𝛿 termine dans les lamina superficielles de la moelle épinière (lamina I) mais aussi dans les lamina plus profondes (lamina V) (Basbaum et al. 2011). Les fibres A𝛿𝛿 qui projettent plus dans les lamina profondes vont innerver les wide dynamic range neurons (WDR), des neurones qui peuvent propager des signaux de stimulus inoffensifs autant que des stimuli potentiellement dangereux pour l’organisme (Basbaum et al. 2011; Ossipov et al. 2010). Comme mentionné précédemment, avec une vitesse de conduction rapide, les fibres A𝛿𝛿 médient la « première » douleur, rapide et spécifique. Ayant des champs récepteurs petits, elles médient un signal douloureux précis et aigu (Basbaum and Jessell 2013; Dafny 1997). Les fibres A𝛿𝛿 peuvent détecter des stimuli de nature thermique, mécanique et chimique (Adriaensen et al. 1983). On retrouve deux types de fibres A𝛿𝛿 soit; type I et type II.
1.4.2.1 Les fibres A𝛿𝛿 de type 1
Les fibres A𝛿𝛿 de type I sont des mécanorécepteurs à haut seuil (HTMRs) et, donc, répondent principalement à des stimuli mécaniques potentiellement douloureux pour l’organisme. Par contre, elles répondent plus faiblement aux stimuli thermiques et chimiques, dû au fait que leur seuil d’activation est plus haut pour ces stimuli (Almeida et al. 2004; Millan 1999; Willis and Westlund 1997). En effet, leur seuil d’activation pour la chaleur est de 50°C et, donc, ne signaleront pas pour des stimuli à plus basse température. Toutefois, si le stimulus thermique persiste, les fibres A𝛿𝛿 vont se sensibiliser et pourront être stimulées par des stimuli thermiques et mécaniques de plus faibles intensités (Basbaum et al. 2011). Dû à leur haut seuil d’activation pour les stimuli thermiques, les fibres A𝛿𝛿 de type 1 sont principalement connues pour leur rôle dans la réponse à des stimuli mécaniques potentiellement nocifs.
1.4.2.2 Les fibres A𝛿𝛿 de type 2
Comparativement aux fibres Aδ de type 1, les fibres A𝛿𝛿 de type 2 ont plutôt un haut seuil d’activation pour les stimuli mécaniques et un plus faible seuil d’activation pour les stimuli thermique (43°C) (Basbaum et al. 2011; Basbaum and Jessell 2013). Ces fibres sont donc principalement activées par des stimuli thermiques potentiellement dommageables pour l’organisme. Les fibres de type 2 possèdent des récepteurs qui captent les stimuli de froids intenses dans les terminaisons périphériques (Millan 1999). Tout comme les fibres de type 1 sont sensibilisées lorsque les stimuli thermiques persistent, les fibres de type 2 peuvent être sensibilisées aux stimuli mécaniques qui perdurent dans le temps (Basbaum et al. 2011). Les fibres A𝛿𝛿 de type 2 sont donc principalement connues pour leur rôle dans la transmission des signaux thermiques potentiellement dommageable pour l’organisme.
1.4.3 Les fibres C
Les fibres C sont des fibres non myélinisées, souvent appelées les fibres de petit diamètre, entre 0.4 à 1.2 μm (Almeida et al. 2004; Dafny 1997). N’étant pas myélinisées, ces fibres conduisent les potentiels d’action lentement avec une vitesse de conduction entre 0,5-2.0 m/s (Almeida et al. 2004; Hendry and Hsiao 2013). L’axone central des fibres C termine dans les lamina superficielles de la matière grise de la moelle épinière, soit les lamina I et II, qui sont
les lamina spécialisées pour la transmission de stimuli potentiellement douloureux (Basbaum et al. 2011). Ce sont les fibres C qui produisent la sensation de la « deuxième » douleur, une douleur plus diffuse et persistante. En effet, puisque leur champ récepteur est plus grand que les fibres A𝛿𝛿, lorsqu’elles sont activées, on ressent la douleur plus diffuse que le site exact où a eu lieu le stimulus (Basbaum and Jessell 2013). De plus, puisque les fibres sont de conduction lente, il y a davantage de sommation de potentiel d’action ce qui fait une sensation de douleur persistante (Almeida et al. 2004). Par contre, il n’y a pas de fibres C qui sont activées par des stimuli thermiques et chimiques non dommageables. Les fibres C nociceptives sont polymodales ce qui veut dire qu’elles peuvent être activées par divers stimuli (thermiques, mécaniques et chimiques) et que c’est plutôt au niveau spinal et supraspinal qu’il y aurait la spécification du signal (Basbaum and Jessell 2013; Dafny 1997).
Cependant, l’hypothèse que les fibres C sont polymodales a récemment été débattue, car certaines études montrent qu’il y aurait possiblement une spécificité au niveau des nocicepteurs (davantage discuté dans les sections des fibres C peptidergiques et non peptidergiques). Comme les fibres A𝛿𝛿, il existe deux types de fibres C : les fibres C peptidergiques et non peptidergiques. Elles peuvent être différenciées principalement par leurs caractéristiques moléculaires et anatomiques.
1.4.3.1 Les fibres C peptidergiques
Les fibres C peptidergiques produisent et sécrètent des neuropeptides dans les lamina superficielles de la moelle épinière suite à leur activation par un stimulus, d’où leur nom. Les deux neuropeptides principaux qui sont relâchés sont la SP et le calcitonin-gene related peptide (CGRP) (Hökfelt et al. 1976; Hokfelt et al. 1975; Wiesenfeld-Hallin et al. 1984). Ils expriment aussi le récepteur kinase A à la tropomyosine (tropomyosin receptor kinase A;
TrkA), où le facteur de croissance des nerfs (Nerve growth factor; NGF) se lie (Emery and Ernfors 2018). Ils expriment aussi le transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1), qui est un récepteur pouvant être activé par des stimuli thermiques et chimiques (Cavanaugh et al. 2009). Alors que les fibres C terminent dans les lamina superficielles, les fibres C peptidergiques projettent principalement vers la lamina I de la corne dorsale de la moelle épinière (Snider and McMahon 1998; Basbaum et al. 2011). Comme mentionné précédemment, les fibres C sont activées par des stimuli thermiques, mécaniques et
chimiques, mais leur polymodalité est encore controversée. Une étude ayant supprimé toutes les fibres exprimant le TRPV1 (les fibres C peptidergiques) a montré que les animaux avaient une perte importante de la réponse aux stimuli thermiques nociceptifs, mais qu’il n’y avait pas de changement aux stimuli mécaniques (Basbaum et al. 2011; Cavanaugh et al. 2009).
Ceci suggère qu’il y a possiblement une spécificité aux stimuli douloureux qui se fait aussi au niveau des afférences primaires.
1.4.3.2 Les fibres C non peptidergiques
D’autre part, les fibres C non peptidergiques contiennent la phosphatase fluoride-résistante à l’acide (fluoride-resistant acid phosphatase; FRAP) et lient une lectine IB4. Elles expriment aussi le récepteur purinergique P2X 3 (P2XR3) (Dong et al. 2001; Emery and Ernfors 2018).
Ces fibres terminent principalement dans la lamina II de la moelle épinière (Snider and McMahon 1998). Tout comme les fibres C peptidergiques, leur polymodalité et leur rôle exact dans la douleur est encore controversé. Une étude ayant éliminé spécifiquement les fibres C non peptidergiques chez des souris a montré qu’elles avaient une diminution dans la réponse aux stimuli mécaniques, mais aucun changement significatif pour les stimuli thermiques (Cavanaugh et al. 2009). Cela voudrait dire que les fibres C non peptidergiques jouent un plus grand rôle dans la douleur mécanique que thermique, ce qui est surprenant puisqu’elles sont connues comme étant polymodales. D’autre part, d’autres études ayant éliminé les fibres C non peptidergiques ont démontré une réduction de la sensibilité pour la douleur mécanique et thermique (Tarpley et al. 2004; Vulchanova et al. 2001).
1.5 Les récepteurs aux opioïdes
Les opioïdes, comme la morphine, sont les analgésiques les plus couramment prescrits pour traiter la douleur aigüe modérée et sévère. Il existe trois récepteurs aux opioïdes, soit le Mu (MOP), le Delta (DOP) et le Kappa (KOP). Les récepteurs aux opioïdes sont des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). Ils ont 7 domaines transmembranaires avec trois boucles intracellulaires et 3 boucles extracellulaires. Les récepteurs aux opioïdes ont une homologie de 50-70% entre leurs gènes (Katritch et al. 2013). Ils sont couplés à la protéine Gi au niveau du C terminal du récepteur. Leur activation par un agoniste ou par un opioïde endogène
entraine une inhibition de l’adénylate cyclase (AC) et une diminution de la production d’AMP cyclique. De plus, les récepteurs aux opioïdes jouent sur différents canaux ioniques.
Leur activation bloque l’influx de calcium dans les neurones, mais aussi l’ouverture des canaux potassiques (GIRK; G protein-coupled inwardly rectifying K+) qui entraine une entrée de potassium (courant hyperpolarisant). Ces changements dans les courants ioniques diminuent l’excitabilité des neurones, la relâche de neurotransmetteurs et diminue la propagation des potentiels d’action. Le résultat de l’activation des récepteurs aux opioïdes est donc une réduction de la transmission neuronale et, en conséquence, une réduction de la transmission du signal nociceptif (Stein 2016; Zöllner and Stein 2007).
Les opioïdes actuellement sur le marché ciblent le récepteur MOP, mais son activation cause plusieurs effets secondaires importants comme la dépression respiratoire, la constipation, la dépendance et la tolérance (Morgan and Christie 2011). En effet, les nombreux effets secondaires produits par les opioïdes, mais aussi le fait qu’ils ont une efficacité analgésique partielle pour traiter différentes douleurs chroniques font qu’ils ne sont pas une très bonne alternative analgésique (Ballantyne and Shin 2008). Les récepteurs DOP et KOP sont deux récepteurs avec potentiels analgésiques (Kieffer and Gavériaux-Ruff 2002; Chavkin 2011;
Gaveriaux-Ruff and Kieffer 2011). Par contre, l’activation du KOP produit également du stress et de la dysphorie (Van’t Veer and Carlezon Jr 2013). D’un autre côté, l’activation du DOP produit de l’analgésie, mais a aussi un effet anxiolytique et antidépresseur (Chu Sin Chung and Kieffer 2013). Le DOP semble donc être une cible intéressante pour traiter la douleur aigüe, mais aussi la douleur chronique puisque la dépression et l’anxiété sont des comorbidités souvent présentes avec la douleur chronique. Dû à leurs caractéristiques intéressantes, dans le cadre de ma maitrise, je me suis intéressée au DOP et MOP seulement.
1.6 Interaction DOP-MOP
Alors que les récepteurs delta et mu ont chacun une action individuelle, il y a de plus en plus d’évidences qui suggèrent la possibilité d’une coopérativité entre les deux récepteurs, du moins à certains niveaux. Effectivement, le blocage du récepteur delta ou l’utilisation d’oligonucléotides anti-sens contre le DOP, augmente l’effet analgésique d’agonistes MOP et diminue le développement de la tolérance (Miyamoto et al. 1993; Bilsky et al. 1996; Kest
et al. 1996). De plus, l’activation chronique du récepteur mu augmente le potentiel analgésique d’agonistes DOP, en augmentant le nombre de récepteurs présents à la membrane (Gendron et al. 2007; Gendron et al. 2006; Cahill et al. 2001b). Cet effet est spécifique à l’activation du mu puisqu’il est perdu dans une souris MOP knock-out (KO) (Morinville et al. 2003). On peut donc voir qu’il y a une certaine synergie entre les deux récepteurs, mais les mécanismes exacts sont encore inconnus. Une hétérodimérisation des récepteurs a déjà été démontrée in vitro dans des cellules exprimant les deux récepteurs (Gomes et al. 2000; Gomes et al. 2004; George et al. 2000). Ceci est toutefois encore controversé puisque ce phénomène requière une co-expression des deux récepteurs dans les mêmes cellules et présentement la co-expression entre le DOP et MOP est elle-même sujet à controverse (Wang et al., 2018; Wang et al., 2010). Effectivement, si les récepteurs ne sont pas co-exprimés dans les mêmes cellules, c’est suggéré que le mécanisme pourrait plutôt être une réactivité croisée d’agonistes, soit que les agonistes DOP se lient sur les récepteurs MOP et vice-versa. Cette hypothèse est aussi plausible puisque l’action d’agonistes DOP n’est réduite que partiellement ou pas du tout dans des souris DOP KO, alors qu’il y a perte de l’action des agonistes DOP dans des souris MOP KO (Zhu et al. 1999; Gendron et al. 2008;
Scherrer et al. 2004). Par contre, il est possible que cela soit due au fait que les deux récepteurs doivent être présents afin qu’ils aient leurs actions maximales et que ce n’est pas de la réactivité croisée entre les agonistes. On peut donc voir que les mécanismes de synergie entre les récepteurs sont encore inconnus à ce jour, mais sa compréhension pourrait être une avenue intéressante pour le traitement de la douleur puisqu’elle semble augmenter le potentiel analgésique des agonistes.
1.7 Le DOP : une cible potentielle pour le traitement de la douleur 1.7.1 Distribution du DOP
1.7.1.1 Distribution du DOP au cerveau
Au niveau du cerveau, le DOP est présent dans plusieurs structures impliquées dans les voies ascendantes et descendantes de la douleur comme le cortex cérébral, l’amygdale, le thalamus, l’hypothalamus, la substance grise périaqueducale (PAG) et le noyau ventro-médian (RVM) (Mansour et al. 1993; Mansour et al. 1994; Tempel and Zukin 1987; Peng et al. 2012). Le
récepteur est aussi exprimé dans des régions du cerveau liées aux émotions comme le striatum et le noyau accumbens (Mansour et al. 1994; Erbs et al. 2015). Il est aussi retrouvé en grande quantité dans le bulbe olfactif. De plus, il ne semble pas y avoir de différences importantes dans la distribution entre les rongeurs et les espèces supérieures (Simonin et al.
1994).
1.7.1.2 Distribution du DOP dans la moelle épinière
À l’aide de diverses méthodes, la distribution du DOP a été montrée prédominante dans les lamina I et II de la corne dorsale de la moelle épinière, mais aussi plus faiblement dans les autres lamina de la matière grise de la moelle épinière jusqu’aux motoneurones dans la corne ventrale (Bardoni et al., 2014; Cahill et al., 2001; Mennicken et al., 2003; Wang et al., 2018).
La distribution du DOP dans la moelle épinière chez la souris a été davantage étudiée avec la souris transgénique DOP-eGFP knock-in (KI) et par des études électrophysiologiques qui ont montré que le DOP est présent dans les interneurones excitateurs de la moelle épinière (Scherrer et al. 2009; Wang et al. 2018). Effectivement, la plupart des neurones DOP-eGFP positifs co-exprimaient le marqueur TLX3, un marqueur d’interneurones excitateurs spinaux.
De façon intéressante, la distribution du DOP dans la moelle épinière est différente chez les espèces supérieures (singes et humains) (Mennicken et al. 2003). En effet, au lieu d’être diffuse dans la matière grise, elle est seulement retrouvée au niveau des lamina superficielles.
Chez le singe, des études d’autoradiographie ont montré que le DOP était seulement retrouvé au niveau des lamina superficielles et de façon prédominante dans les lamina II (Mennicken et al. 2003; Zhang et al. 1998; Honda and Arvidsson 1995). Chez l’humain, il semble être encore plus restreint aux lamina superficielles (Mennicken et al. 2003). Le fait que le DOP se distribue davantage dans les lamina superficielles de la matière grise de la moelle épinière chez les espèces supérieures suggère que ce récepteur se spécialise dans la régulation de la nociception par les afférences primaires, puisque les afférences primaires impliquées dans la nociception projettent aux lamina superficielles de la corne dorsale de la moelle. Chez l’humain, il y a absence d’ARNm du DOP dans la moelle épinière, ce qui suggère que la liaison du DOP qu’on observe dans les lamina superficielles représente le récepteur qui est synthétisé dans les afférences primaires puis transporté aux terminaisons centrales (Mennicken et al., 2003; Peckys & Landwehrmeyer, 1999). Cette hypothèse est davantage
supportée par le fait que, chez les rongeurs, il y a une diminution de la densité de DOP au niveau de la moelle épinière à la suite d’une déafférentation (Dado et al. 1993). Pour conclure, le fait que le DOP est présent au niveau des lamina superficielles chez les rongeurs et les espèces supérieures supporte un rôle pour ce récepteur dans le contrôle de la douleur.
De plus, le fait qu’il y absence d’ARNm du DOP chez l’humain suggère que le DOP aurait un effet analgésique en agissant au niveau des afférences primaires principalement.
1.7.1.3 Distribution du DOP dans les afférences primaires
Comme mentionné, le DOP est exprimé dans les afférences primaires, la première étape de la transmission des signaux nociceptifs. Les récepteurs aux opioïdes au niveau des afférences primaires vont venir jouer sur l’excitabilité cellulaire et sur la relâche de neurotransmetteurs au niveau de la moelle épinière (François and Scherrer 2018). La distribution exacte du DOP dans les différentes fibres de DRG est toutefois encore controversée. Actuellement, il y a deux opinions divergentes sur la distribution du DOP dans les afférences primaires.
La première école de pensée est que le DOP est distribué dans les fibres myélinisées (Aβ et A𝛿𝛿) mais également dans les fibres de petits diamètres non myélinisées (fibres C peptidergiques et non peptidergiques) (Ji et al., 1995; Mennicken et al., 2003; Wang et al., 2010; Wang & Wessendorf, 2001) et que le DOP et MOP sont co-exprimés. Cette distribution du DOP dans les trois types de fibres a été montrée par diverses techniques comme l’hybridation in situ, réaction en chaine par polymérase avec la transcriptase inverse (RT- PCR), et l’immunohistochimie. Une autre technique utilisée est par combinaison de traçage rétrograde au Fluo-Gold, qui marque les neurones de DRG et hybridation in situ pour marquer les récepteurs. Par la suite, la distribution du récepteur peut être quantifiée en fonction du diamètre des neurones qui sont marqués par le Fluo-Gold. Avec cette technique, il n’y avait aucune différence significative entre les fibres de larges et petits diamètres exprimant le DOP (Wang & Wessendorf, 2001) ce qui a aussi été montré par d’autres techniques (Mennicken et al. 2003; Rau et al. 2005). Par RT-PCR, single cell PCR et des approches d’immunohistochimies, quelques études ont montré qu’environ 1/3 des cellules DOP-positives exprimaient le calcitonin-gene related peptide (CGRP) ou la SP, deux marqueurs présents dans les fibres C peptidergiques (Guan et al., 2005; Minami et al., 1994;
Wang et al., 2010). D’un autre côté, par PCR, une étude a montré que la majorité des cellules DOP-MOP positives co-exprimaient la préprotachykinine-A (PPT-A), un marqueur des fibres C peptidergiques (Wang et al., 2010). L’expression du DOP sur les fibres C peptidergiques est davantage supporté par le fait que l’activation du DOP bloque la relâche de la SP au niveau de la moelle épinière (Beaudry et al. 2011; Normandin et al. 2013). Le fait que le DOP semble être exprimé dans les trois types de fibres qui transmettent des signaux nociceptifs (A𝛿𝛿, C peptidergiques et non peptidergiques) suggère que le DOP aurait un effet analgésique pour des stimuli nociceptifs thermiques et mécaniques. Cet effet analgésique a d’ailleurs été montré par notre groupe. En effet, par électrophysiologie, on a montré que l’activation du DOP par la Deltorphine II, un agoniste delta sélectif, contrait l’action du contrôle inhibiteur diffus nociceptif (DNIC) sur l’activation des neurones nociceptifs (Normandin et al. 2013). De plus, on a aussi montré que l’activation du DOP inhibe la relâche de SP au niveau de la moelle épinière induite par stimuli mécaniques et thermiques (Beaudry et al. 2011). En effet, plusieurs études comportementales ont montré que l’activation du DOP a un effet analgésique pour des stimuli nociceptifs thermiques et mécaniques ainsi que dans des modèles de douleur chronique (pour review voir; Berthiaume et al., 2020).
La deuxième école de pensée supporte plutôt l’idée que le DOP se retrouve majoritairement dans les fibres myélinisées ainsi que les fibres C non peptidergiques, mais ne se retrouve pas dans les fibres C peptidergiques et qu’il y a une très faible co-expression entre le DOP et le MOP (Scherrer et al. 2009; Bardoni et al. 2014). À l’aide d’un modèle de souris DOP tagué avec le GFP (DOR-eGFP), Scherrer et al. ont trouvé un haut niveau de co-expression entre le DOR-eGFP, NF200 et le transient receptor potential vanilloid 2 (TRPV2), deux marqueurs d’afférences myélinisées (Aα, Aβ et A𝛿𝛿) (Scherrer et al. 2009). Cette distribution est supportée par une étude de séquençage d’ARN qui ont trouvé que les transcrit d’ARN du DOP était seulement dans les neurones NF200-positives (Usoskin et al. 2015). De plus, en utilisant les souris DOR-eGFP, ils ont trouvé que les cellules DOP-positives qui étaient de petit diamètre étaient seulement distribués dans les fibres C non peptidergiques (co- exprimaient IB4; un marqueur des fibres C non peptidergiques) et non dans les fibres C peptidergiques (substance P et TRPV1) (Scherrer et al. 2009). Ils en tirent donc la conclusion
qu’au niveau des afférences primaires (du moins chez la souris), le DOP est principalement distribué dans les fibres myélinisées et plus faiblement dans les fibres C non peptidergiques.
De plus, en utilisant les souris DOR-eGFP et l’immunofluorescence pour marquer le MOP, ils ont trouvé que moins de 5% des cellules de DRG co-expriment les deux récepteurs (Scherrer et al. 2009). Puisque la plupart des fibres myélinisées sont mécanosensibles, cette distribution suggère que le DOP jouerait davantage un rôle dans la douleur mécanique.
Effectivement, DOR-eGFP est aussi co-exprimé avec le récepteur kinase C de la tropomyosine (TrkC) et Ret, soit deux marqueurs des fibres A LTMRs (François and Scherrer 2018). À l’aide d’études comportementales, ils ont observé que le DAMGO, un agoniste MOP, réduisait de façon dose-dépendante la réponse à un stimulus thermique nociceptif, mais n’avait aucun effet sur un stimulus mécanique nociceptif. D’un autre côté, ils ont montré que le SNC80, un agoniste DOP, réduisait de façon dose-dépendante la réponse à un stimulus mécanique nociceptif, mais pas thermique (Scherrer et al. 2009). Le fait que le DOP et le MOP soient très peu co-exprimés au niveau des afférences primaires supporte l’idée que les récepteurs jouent des rôles différents dans le traitement de la douleur.
Comme l’on peut voir, la distribution du DOP dans les afférences primaires est encore à ce jour un sujet qui est controversé, et en conséquence, le profil analgésique exact du DOP dans les afférences primaires également. Les opinions divergentes sont possiblement dues à l’utilisation de différentes techniques, notamment dans la préparation des tissus, ou encore à l’utilisation d’espèces animales différentes. Une étude comparant la distribution du DOP dans les afférences primaires chez différentes espèces a montré que le DOP semble se spécialiser dans les fibres nociceptives chez les espèces supérieures (Mennicken et al. 2003).
Chez le rat, le DOP semble être distribué dans deux populations de cellules, soit les fibres myélinisées et les fibres non-myélinisées, alors que chez le singe et l’humain, le DOP est principalement retrouvé dans les fibres de plus petits diamètres (fibres C). Cela suggère que le DOP se spécialise dans les fibres nociceptives. De plus, la proportion de cellules de DRG exprimant le DOP est près de 2 fois plus élevée chez le singe et l’humain (64.6 ± 7.3%) comparativement au rat (30.2 ± 2.4%). Chez l’humain, le DOP est exprimé sur les terminaisons nerveuses des afférences primaires, est absent dans les neurones spinaux, et est exprimé par un pourcentage significatif de cellules de DRG (Mennicken et al. 2003). Ces
évidences suggèrent que le DOP au niveau des afférences primaires a un effet analgésique important pour le contrôle de la douleur, et possiblement encore plus chez l’humain que chez les rongeurs. On peut aussi voir que l’on observe des différences dans la distribution des récepteurs à travers les espèces, ce qui pourrait être une des raisons des controverses entre les études. De plus, certains marqueurs utilisées pour identifier les différents neurones de DRG (NF200 et IB4 par exemple) varient entre les rongeurs et les humains, ce qui pourraient expliquer les différences entre les études (Shiers et al. 2020).
1.7.2 Localisation intracellulaire du DOP 1.7.2.1 En condition basal
Malgré le fait qu’un agoniste DOP produit un effet analgésique, l’analgésie est beaucoup plus faible que par un agoniste des récepteurs mu. Cette analgésie moins puissante est possiblement due au fait que le DOP est plutôt retenu au niveau du cytoplasme, comparativement au MOP qui est exprimé à la membrane (Cheng et al. 1995; Cahill et al.
2001b; Pasquini et al. 1992). Effectivement, l’adressage des deux récepteurs est différent (Cahill et al. 2007). Le MOP est adressé via la voie sécrétoire constitutive, ce qui fait qu’il est majoritairement exprimé à la membrane des cellules. Le DOP, au contraire, est adressé via la voie sécrétoire régulée et est donc stocké dans des large-dense-core vesicles (LDCV;
Bao et al., 2003; Zhang et al., 1998). C’est via une interaction entre une boucle extracellulaire et la SP que le récepteur delta est stocké dans les LDCVs (Guan et al. 2005). Effectivement, le trafic du DOP dans les LDCV est perdu dans une souris où le gène de la substance P est inactivé ce qui supporte l’idée que l’interaction entre le DOP et la SP est essentielle pour que le DOP soit stocké dans les LDCV et transporté à la membrane plasmique (Guan et al. 2005).
Les LDCVs sont seulement relâchés par un stimulus qui active leur exostose, ce qui entraine par la suite l’insertion du DOP à la membrane (Bao et al. 2003). Une fois que le DOP est à la membrane, les agonistes DOP peuvent se lier sur les récepteurs. Une variété de stimuli peut ainsi induire la translocation du DOP à la membrane.
1.7.2.2 En condition de traitement chronique à la morphine
De nombreuses études ont montré qu’un traitement chronique à la morphine augmente la densité du DOP à la membrane (Cahill et al. 2001b; Gendron et al. 2006; Lucido et al. 2005;
Pradhan et al. 2006). Effectivement, in vivo, un traitement prolongé avec la morphine augmente significativement l’internalisation de Fluo-deltorphine, suggérant une augmentation du DOP à la membrane, ce qui a été confirmé par microscopie électronique (Cahill et al., 2001; Gendron et al., 2006). Cette augmentation du récepteur DOP à la membrane est aussi associée à une augmentation de l’effet antinociceptif d’agonistes DOP.
Effectivement, un traitement chronique avec la morphine avant l’administration d’agonistes DOP augmente le seuil de latence des agonistes dans des paradigmes de douleur thermique et de douleur tonique (Gendron et al. 2007; Morinville et al. 2003). Cet effet ne semble pas être spécifique à la morphine, mais relèverait plutôt de la stimulation du MOP par un agoniste. En effet, l’augmentation de l’effet antinociceptif de la deltorphine est également présente suite à un prétraitement à la metorphine, methadone et fentanyl, soit trois agonistes des récepteurs mu (Morinville et al. 2003). De plus, l’augmentation du DOP à la membrane n’est pas observée dans une souris MOP knock-out (KO) stimulée par la morphine (Morinville et al. 2003). Cela confirme qu’il doit y avoir une activation du MOP pour induire une translocation du DOP à la membrane et, en conséquence, une augmentation du potentiel analgésique des agonistes delta. L’augmentation du DOP à la membrane par un traitement chronique à la morphine a aussi été montrée au niveau des afférences primaires.
Effectivement, il y a augmentation de l’internalisation de la Fluo-Deltorphine suite à un traitement chronique à la morphine, ce qui reflète une augmentation du DOP à la membrane plasmique et ce dans toutes les afférences primaires (Gendron et al. 2006).
1.7.2.3 En condition de douleur inflammatoire chronique
Une douleur inflammatoire chronique est également un stimulus induisant la translocation du DOP à la membrane. Une injection intraplantaire de l’adjuvant complet de Freund (CFA) induit une augmentation de l’internalisation de la Fluo-deltorphine, et donc du DOP à la membrane 72 heures après l’injection. Cet effet n’est pas produit 48 heures après l’injection de CFA, montrant que c’est la douleur chronique qui induit l’augmentation du DOP au niveau de la membrane plasmique (Gendron et al. 2006). Cette augmentation du DOP au niveau de
la membrane plasmique se produit dans les fibres de DRG de moyen et petit diamètre, soit les fibres spécialisées dans la transmission de stimuli nociceptifs. La capsaïcine, qui stimule spécifiquement les fibres afférentes non myélinisées, entraine également une augmentation significative de l’internalisation de la Fluo-deltorphine et, par le fait même, une augmentation du DOP à la membrane, mais seulement dans les fibres de petits diamètres (Gendron et al.
2006). Cela signifie donc que l’augmentation du DOP à la membrane serait spécifique à la douleur et aux fibres que la douleur stimule. De plus, l’augmentation du DOP à la membrane par une douleur inflammatoire chronique augmente aussi l’effet analgésique d’agoniste DOP (Gendron et al. 2007). En effet, le seuil de latence de la deltorphine dans un test de douleur thermique est augmenté chez les animaux avec douleur inflammatoire chronique comparativement aux animaux sains.
1.8 But de l’étude et objectifs
L’objectif principal de ma maitrise était de quantifier la distribution du DOP et MOP dans les afférences primaires afin d’avoir une meilleure idée du potentiel analgésique des agonistes DOP. Comme mentionné dans la distribution du récepteur delta, il n’est pas retrouvé dans la moelle épinière chez l’humain, mais seulement sur les terminaisons nerveuses des afférences primaires (Mennicken et al. 2003) ce qui rend l’étude du récepteur dans les afférences primaires intéressante. Récemment, une étude électrophysiologique a montré qu’environ 50% des neurones de DRG humain avaient des récepteurs delta fonctionnels (Moy et al. 2020). De plus, une délétion du DOP dans les afférences primaires change la réponse analgésique chez la souris (Gaveriaux-Ruff et al., 2011). Effectivement, une délétion du DOP seulement au niveau des afférences primaires n’induit plus de réponse analgésique à la douleur mécanique et thermique dans des modèles de douleur inflammatoire (CFA) et douleur neuropathique (ligation du nerf sciatique) (Gaveriaux-Ruff et al., 2011).
Finalement, notre groupe a récemment montré que la réexpression du DOP seulement au niveau des afférences primaires dans un modèle de souris DOP KO suffit pour produire un effet analgésique significatif (Degrandmaison et al., 2020). On peut donc voir qu’il y a beaucoup d’études qui suggèrent que le récepteur DOP joue un rôle important dans l’analgésie via son action au niveau des afférences primaires. Le but de ma maîtrise était donc d’étudier la distribution des récepteurs DOP et MOP et leur co-expression dans les
différente afférences primaires afin d’avoir une meilleure idée de leur potentiel analgésique et d’avoir une meilleure idée de quel type de douleur un agoniste DOP peut soulager.
Nous avons donc décidé de réadresser la distribution du DOP dans les afférences primaires grâce à l’émergence d’une nouvelle technique d’hybridation in situ qui est hautement spécifique et qui permet une réduction du bruit de fond, mais aussi de liaison non spécifique.
L’émergence de cette technique fut très intéressante puisque l’identification du récepteur delta dans les tissus est difficile. En effet, l’identification du delta par une technique immunologique est controversée puisque les anticorps delta semblent être non-spécifiques - ils marquent aussi le tissu des animaux DOP KO. Un modèle de souris DOP tagué avec le GFP est également controversé puisqu’il a été montré que l’ajout d’un GFP change la distribution de certains récepteurs. De plus, un des objectifs de ma maîtrise était de voir si la distribution du récepteur est altérée à la suite d’un traitement chronique à la morphine et d’une douleur inflammatoire chronique. Ces deux conditions augmentent le DOP à la membrane et donc son potentiel analgésique. Je voulais donc voir si l’augmentation du potentiel analgésique du DOP dans les deux conditions pouvaient être dû à un changement d’expression des récepteurs dans les neurones de DRG. Un autre objectif était de quantifier la distribution du DOP chez la souris de type sauvage. Plusieurs modèles de douleur et certains tests nociceptifs sont faits chez la souris et nous voulions donc également identifier la distribution du DOP dans cette espèce, en plus de voir s’il y avait des changements entre les deux rongeurs, ce qui pourraient expliquer pourquoi il y a autant de différences entre les études de la distribution des récepteurs. Finalement, je voulais quantifier la co-expression du DOP et MOP dans toutes les conditions mentionnées préalablement afin de voir s’il pouvait y avoir de l’hétérodimérisation entre les récepteurs au niveau des afférences primaires.
