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douloureuse
Antoine Fruquière
To cite this version:
Antoine Fruquière. Canaux calciques de type T spinaux et sensibilité douloureuse. Médecine humaine et pathologie. Université Montpellier, 2018. Français. �NNT : 2018MONTT061�. �tel-03035266�
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Résumé
Alors que la douleur physiologique est essentielle à la survie de l'individu, les douleurs chroniques sont purement délétères pour l'organisme et la qualité de la vie. Malheureusement, les traitements actuels se limitent à des médicaments peu efficaces ou présentant un mauvais rapport bénéfice / risque. Il est donc urgent de mieux comprendre les mécanismes d'établissement et de persistance des douleurs chroniques, comme les douleurs neuropathiques, afin de concevoir des stratégies thérapeutiques efficaces contre ces pathologies. De nombreuses études ont montré que les canaux calciques de type T sont impliqués dans les états douloureux chroniques. Par exemple, le sous-type Cav3.2, est exprimé tout au long du circuit neuronal nociceptif. Dans le système nerveux périphérique, les canaux Cav3.2 ont un rôle pronociceptif et sont désormais validées comme cibles pour la recherche de thérapies innovantes. En revanche, le rôle du canal Cav3.2 au niveau central, et en particulier dans la moelle épinière, un point névralgique de convergence, d'intégration et de transmission des informations nociceptives, reste à explorer.
Grâce à un modèle murin Cav3.2GFP-flox knock-in créé par l'équipe, nous avons pu identifier/localiser précisément les neurones Cav3.2 positifs dans tout le système nerveux et induire une délétion tissulaire spécifique de Cav3.2 par l’action de la Cre recombinase, pour ensuite en évaluer les effets sur la sensibilité à la douleur. Dans la moelle épinière, nous avons constaté que Cav3.2 est fortement exprimé dans les neurones des laminae superficielles, et sont principalement des neurones excitateurs. La suppression de Cav3.2 spinal par une approche virale a démontré comportementalement : i) l’abolition de l’allodynie au froid et mécanique, de l’hyperalgésie mécanique, ainsi que des douleurs spontanées, en condition neuropathiques chez les mâles et les femelles, ii) une altération de la perception au chaud en condition neuropathique avec un effet différentiel dépendant du sexe, et iii) une réduction de l’anxiété associée aux douleurs chroniques, iv) la suppression des effets analgésiques d’un traitement systémique d’un bloqueur pharmacologique de canaux calciques de type T. Mécanistiquement, les enregistrements extracellulaires in vivo des neurones de projection spinaux démontrent une diminution de l'intégration et de la transmission des messages nociceptifs pathologiques des fibres périphériques C et A-delta lorsque le canal Cav3.2 est délété dans les réseaux spinaux. Cette approche de délétion a été développée avant et après l'induction du modèle de douleur neuropathique pour en évaluer les effets prophylactiques et curatifs.
Les résultats démontrent que la délétion du canal spinal Cav3.2 a des effets prophylactiques et curatifs sur les symptômes des douleurs neuropathiques. Dans une perspective clinique pour le développement d'analgésiques basés sur les inhibiteurs calciques de type T, nous suggérons de cibler Cav3.2 spinal en plus des canaux dans les neurones afférents primaires par des molécules pénétrant le système nerveux central.
Mots clés : Douleurs chroniques, moelle épinière, canaux de type T, Cav3.2, approche virale
Spinal T-type calcium channels and pain sensitivity
Abstract
Physiological pain is essential for individual survival, but chronic pains are purely deleterious for the organism and the life quality. Unfortunately, current therapies are limited to drugs with a low efficacy or with a bad benefit/risk ratio. It is thus urgently necessary to better understand the establishment and persistence mechanisms of those chronic pains, like neuropathic pain in order to design efficient therapeutic strategies against this pathology. Many studies have shown that T-type calcium channels are involved in chronic pain states, like Cav3.2 subtypes, all along the nociceptive circuit. In the peripheral nervous system, Cav3.2 channels have pronociceptive impact and are now approved as a target for innovative therapies development. In contrast, the role of Cav3.2 channel in the central nervous system, and especially in the spinal cord, a crucial hotspot of nociceptive information convergence, integration and transmission, remains to be explored.
Thanks to a Cav3.2GFP-flox murine model created by the team, we were able to i/ identify and precisely localize Cav3.2 positive neurons in all the nervous system and ii/ induce tissue specific deletion of Cav3.2 by the Cre recombinase action, to evaluate effects on pain sensitivity. At the spinal level, we found that Cav3.2 is prominently expressed in lamina II neurons comprising mostly excitatory neurons. Knocking-out spinal Cav3.2 by a viral approach has demonstrated behaviorally i) an abolition of cold and mechanical allodynia, mechanical hyperalgesia and spontaneous pain like behaviors under neuropathic conditions in males and females, ii) an alteration of the hot perception, under pathological pain conditions, with a differential effect in a sex dependent manner, and iii) a modification of anxiety associated to chronic pain, iv) a suppression of the analgesia induced by a systemic treatment with a brain penetrant T-type channel blocker. Mechanistically, extracellular in vivo recordings of spinal projection neurons demonstrate a decrease in integration and transmission of pathologic nociceptive messages from peripheral C- and A-delta fibers by Cav3.2 ablation in spinal networks. This approach has been developed before and after induction of the pain model to evaluate the preventive and curative effect of the treatment. Altogether, the results demonstrate that spinal Cav3.2 channel deletion has preventive and curative effects regarding neuropathic pains symptoms. In a clinical perspective for the development of analgesics based on T-type calcium channel blockers, we suggest the utility of targeting spinal Cav3.2 additionally to channels in primary afferent neurons, a notion already well established.
Key words: Chronic pain, spinal cord, T-type channels, Cav3.2, viral approach Discipline : Neuroscience
personnes.
Je souhaite dans un premier temps remercier Emmanuel Bourinet de m’avoir accueilli dès le master 1, et de m’avoir donné l’opportunité de réaliser ma thèse dans son équipe. Merci pour votre enthousiasme et votre intérêt scientifique à toute épreuve. Merci pour tous les efforts investis à la réalisation de ce projet. Un grand merci à Sophie Laffray, ma co-encadrante de thèse. Merci pour ton enseignement, pour ton temps et ta patience. Tu m’as permis d’apprendre énormément tant sur le plan scientifique que personnel. Merci pour ton amitié, ta sagesse et ton énergie. Je vous remercie sincèrement tous les deux d’avoir tout mis en œuvre pour que je puisse réaliser ma thèse avec vous.
Aux Dr Michel Pohl et Ipek Yalcin pour avoir accepté de juger ce travail en tant que rapporteurs, au Dr Cyril Rivat, pour avoir suivi de près mes travaux durant ces années, pour ses conseils et encouragements, au Dr Lauriane Ulmann, pour sa confiance dans l’enseignement, au Dr Cédric Peirs pour nos discussions en congrès, au Pr Pascal Fossat pour tout l’intérêt qu’il porte à mon projet. Merci à tous d’avoir accepté de participer à mon jury. Merci aux Pr Florence Perrin, et au Dr Alexandre Favereaux d’avoir assisté à mes comités de thèse, et pour leurs conseils avisés.
Merci au Pr. Marc Landry de m’avoir accueilli dans son équipe afin d’apprendre l’électrophysiologie in vivo. Evidement un grand merci à Pascal, de m’avoir enseigné à écouter les neurones. Merci d’avoir partagé ton expertise, ton enthousiasme scientifique, ta patience et ta joie de recherche. Merci à Franck, de m’avoir conseillé et pour nos discussions tard le soir, courage pour la fin de ta thèse. Merci Rabia, pour tes conseils techniques et nos discussions sur l’avenir. Merci Julie et Sara pour l’organisation du transport et l’hébergement des animaux à Bordeaux.
merci pour votre soutien infaillible, nos discussions scientifiques et surtout merci pour votre amitié. Merci de me droguer respectivement au Mate et au Picon. Merci Pierre pour tes notes d’humour et de m’avoir découvert une vocation d’ostéopathe. Je pense aussi à tous ceux qui ont partagé la vie de labo et qui sont partis vers de nouveaux horizons, Anne, Maud, Pierre
L., merci pour leurs conseils et les bons moments. Merci Bruno pour tout le travail réalisé.
Merci à la plateforme MRI, et plus particulièrement à Amélie et Marie-Pierre pour leur patience et leur écoute. Merci à toute l’équipe iExplore, pour leur travail. Je souhaite plus particulièrement remercier Denis de m’avoir tenu compagnie pendant ces longues heures de chirurgie, et pour ta gestion efficace de la zone expé1. Merci à Luc, pour le travail réalisé sur le maintien de mes lignées, à Elodie et Quentin pour l’incroyable organisation de la zone expé2, ainsi que du logiciel Mayakind. Merci Karim d’avoir gérer d’une main de maitre le transport des animaux Montpellier-Bordeaux. Et merci à la personne de iExplore qui a choisi RFM pour la zone expé1, je suis désormais incollable sur Daniel Balavoine, Jean-Jacques Goldman et autre Mylène Farmer. Merci à la plateforme vectorologie de Montpellier, et plus particulièrement Céline, d’avoir produit les virus utilisés pendant ma thèse, ainsi que de m’avoir appris à en produire.
Je pense que le rire est un outil précieux, en plus de cultiver la joie de vivre et de la partager, il permet entre autre de dédramatiser, d’oublier, et de se lâcher. Alors, oui le rire est un accessoire puissant, mais pour savoir l’utiliser, il faut de bons alliés, et je pense avoir les meilleurs. Si la distance et le temps sont des variables, notre amitié est une constante. Que je vous connaisse depuis plus de 15 ans ou que l’on soit à 1400 km, nous avons su tenir la distance.
Anne, mon amie depuis toujours, Camille et Justin les parisiens, Lucile et Rodolphe les
clermontois, nous sommes ensemble depuis l’IUT les amis ! Cyril le marseillais (heureux ?),
Théo que la Belgique nous a volé, et Miriam toujours à l’aventure. Un grand merci à vous !
Merci de prendre le temps de traverser le ou les pays pour que l’on puisse se retrouver autour d’une partie de cartes, d’un escape game, ou d’une « toute petite sortie ».
Louis, Margaux (oui tu aurais pu être dans le paragraphe précédent aussi), Greg, Mégane, et
maintenant Gaïa et qui je l’espère va encore s’agrandir… Laure, Sam, Mathieu, Pierre, nous vous accueillons à bras ouverts. Comme vous le savez, « Je vous aime à en rire ».
Evidemment, je n’oublie pas la meilleure des colocs. Merci Ju’, merci pour nos soirées sur la terrasse, nos fous rires, nos délires (Tu l’as enfin trouvé le chocolat ?), ton sac dans l’entrée et tes fringues dans la machine à laver. Pour tous ces bons moments partagés, mais aussi pour ton écoute. Bien sûr, tu resteras toujours ma super coloc, mais tu sais très bien que tu es bien plus que ça, du début à la fin nous aurons été ensemble. Merci évidement pour Testo avec qui nous avons passé un été rempli de rebondissements et d’aventures et qui nous a permis de supporter durant une courte période l’intensité d’une thèse (une semaine ou deux, pas plus ?!).
J’ai également une pensée pour tous mes amis thésards. Les soirées afterwork, les congrès, les SPIN breaks et autres petites pauses n’auraient sûrement pas eu la même saveur sans vous ! Merci Jenn, Matthias (le grand) et Matthias (le chevelu), Alex, Pierre, Hougo, Rosanna,
Caro, Kix (Revenge). Merci de me rappeler qu’il faut toujours avoir le temps pour une bière
entre amis. Je pense aussi à mes compagnons des Doctoriales avec qui j’ai passé une semaine mémorable. Et avec qui c’est toujours un plaisir de passer une soirée à refaire le monde Fanny,
Lérys, Albane, Marion, Benoit et Emmanuelle.
Merci à ma famille qui, même si elle ne comprend pas toujours ce que je fais, me soutient dans tous mes choix. Papa, maman, vous êtes mon exemple, peu importe les coups du sort, vous savez rester unis, et surmonter les difficultés. Merci pour cet amour inconditionnel que vous nous transmettez et portez. Merci Pauline, ta passion et ton implication dans ton enseignement sont, pour moi, une source d’inspiration. Un grand merci à Edouard d’être là et de me soutenir peu importe mes décisions, mes états âmes, et mes peurs. Merci à tous les membres de ma famille qui me permettent de me ressourcer quand je retourne dans mon Cantal natal.
A vous tous que j’aime à en rire, A toi qui me conseille et me guide, Et à toi, qui a dû m’oublier… Merci.
Table des illustrations et tableaux………. 11
Index des abréviations……… 13
Avant-propos………...……… 16
INTRODUCTION…………...……….……….. 18
Chapitre I | Physiologie de la douleur ... 19
1. Histoire et définition de la douleur ... 20
2. Détection et intégration de la sensation douloureuse ... 25
3. Système nerveux périphérique ... 28
! " # 4. Système nerveux central ... 38
" $$ % & $ " ' " ($ $ $ ) $ " " ($ " " * + + "" " * + + ", " * + + $ $ ", " * + + $ " " ! # " ! - . - $ # " ! . - $$ # " - $ # " - $ # " - ) $ # " / $ $0 # " " ! 1$ ## " " / $ $ . ## " " $ ##
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Chapitre II | Physiopathologie de la douleur ... 61
1. Définition ... 62($ $ ,
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2. Traitements actuels des douleurs chroniques ... 64
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3. Etudes des douleurs chroniques ... 69
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4. Mécanismes de mise en place et de maintien des douleurs neuropathiques 75
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5. Mise en place des comorbidités associées aux douleurs chroniques….……87
Chapitre III | Canaux calciques à bas seuils de type T ... 88
1. Découvertes des canaux calciques ... 90 2. Structure des canaux calciques voltage dépendants ... 92/ - $ 5
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4. Fonctions des canaux de type T ... 97
" <+ $ $$ $ $ 0 52 " 8 $ 52 " 3 5 5. Localisation cellulaire ... 100
6. Régulation des canaux de types T ... 102
, * $ $0 + , * $ $0 . , , $ " 7. Pharmacologie des canaux de type T ... 106
2 & . $ , 2 + , 2 $ $ ) % 2 8. Implication de Cav3.2 dans les voies de la douleur ... 108
< 5 ' . $ 5 PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS…….………..………... 111 MATERIELS ET METHODES………..……….…... 115 1. Modèles animaux ... 116 2. Chirurgies ... 116 & = $ , / & 8 $ 0 3. Tests comportementaux ... 120 $ $ . ) $ $0 > . $ $ ) " $ + $ - 8$
$0 $ " $ $ " ( " 3 ) + $ . " ? $ # 4. Electrophysiologie in vivo ... 125 5. Immunohistochimie ... 127 # 8 2 # $ 2 # ' # " ' $) 5 RESULTATS……….………..………... 129 RESULTATS COMPLEMENTAIRES………..………... 177 1. Dimorphisme sexuel... 178 + 2 <$ ) $ + @ * % $ 'A
2. Caractérisation comportementale des KO Cav3.2. ... 183 3. Design d’un virus inductible ... 191
( . 5
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8 . 5
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* $ 5"
4. Caractérisation du canal Cav3.2 spinal ... 195
DISCUSSION……….………..………... 248 1. Implication du canal Cav3.2 spinal dans la perception douloureuse ... 249
<+ $ ( . $ # ! $ %$ B? $ ( . # < $ $ $ ( . $ $ # " < $ $ ( . $0 + $ $ #" # 8 $ '-' ## , < $0 + C $ #, 2. Perspectives d’études ... 258 $ $ . ( . $ $ $ $ $ #
4. Conclusion générale ... 265
Figure 1 | Anatomie générale des voies de la douleur. ... 26
Figure 2 | Sensibilisation de la douleur. ... 27
Figure 3 | Représentation schématique des canaux ioniques sensibles à la température. ... 30
Figure 4 | Modèle d’activation de nocicepteurs silencieux. ... 32
Figure 5 | Les récepteurs médiateurs des récepteurs TRP et leur ligand. ... 33
Figure 6 | Corrélation entre la vitesse de conduction et la perception douloureuse. ... 34
Figure 7 | Diversification des fibres nociceptives au cours du développement de la souris. ... 35
Figure 8 | Classification des fibres afférentes primaires selon leur transcriptome. ... 37
Figure 9 | Organisation laminaire de la corne dorsale et projection des afférences primaires. .... 39
Figure 10 | Morphologies et propriétés électrophysiologiques des neurones de la lamina I. ... 40
Figure 11 | Morphologie des neurones de la lamina II. ... 42
Figure 12 | Distribution spatiale des sous-populations neuronales. ... 44
Figure 13 | Théorie du portillon. ... 45
Figure 14 | Circuit entre les neurones PV et PKC . ... 47
Figure 15 | Implication de la sous population GRP dans la transmission des messages nociceptifs et de démangeaison. ... 48
Figure 16 | Modèle des voies de la démangeaison mécanique et chimique. ... 50
Figure 17 | Voies ascendantes nociceptives. ... 51
Figure 18 | Régions cérébrales impliquées dans la perception douloureuse. ... 54
Figure 19 | Intrication des fonctions émotionnelles, cognitives et douloureuses. ... 54
Figure 20 | Circuits neuronaux proposés pour l’analgésie endogène. ... 56
Figure 21 | Implication des récepteurs (5-HT) au niveau périphérique et central. ... 58
Figure 22 | Circuits noradrénergiques inhibiteurs de la moelle épinière. ... 59
Figure 23 | Coûts annuels médians aux Etats-Unis par patient pour le traitement des conditions douloureuses. ... 62
Figure 24 | Nouveaux analgésiques commercialisés entre 1990 et 2010. ... 64
Figure 25 | Echelle de prescription des antalgiques selon l’OMS. ... 65
Figure 26 | Circuits spinaux de l’allodynie dans un modèle inflammatoire ou neuropathique... 69
Tableau 1 | Comparaison des caractéristiques des modèles CCI, PSL et SNL. ... 72
Figure 30 | Interactions neuroimmunes dans la moelle épinière chez les mâles et les femelles. .... 79
Figure 31 | Mécanisme de dérégulation de l’inhibition GABAergique en condition neuropathique. ... 81
Figure 32 | Dérégulation des voies descendantes sérotoninergiques. ... 82
Figure 33 | Sprouting des fibres afférentes non nociceptives en conditions pathologiques. ... 83
Figure 34 | Plasticité synaptiques à court et long termes. ... 84
Figure 35 | Les neurones NTs induisent une sommation responsable du wind-up. ... 85
Figure 36 | Similarité de séquences des sous-unités 1 des canaux calciques dépendants du potentiel. ... 91
Figure 37 | Impact de l’épissage alternatif des canaux calciques voltage dépendants. ... 92
Figure 38 | Structure macroscopique des canaux calciques voltage dépendants. ... 94
Figure 39 | Propriétés électrophysiologiques des canaux de types T humains. ... 96
Figure 40 | Implication des canaux T aux décharges de potentiels d’action. ... 98
Figure 41 | Localisation subcellulaire des canaux Cav3.2 dans le système nerveux. ... 101
Figure 42 | Fixation de Stac1 au canal Cav3.2 et maintien de son expression à la membrane plasmique. ... 103
Figure 43 | Voies de signalisation de modulation des canaux de type T. ... 105
Figure 44 | Localisation des sous-populations Cav3.2 positives de la corne dorsale de la moelle épinière. ... 110
Figure 45 | Sites d’injection intraspinale. ... 117
Figure 46 | Plasmides encapsulés dans les virus AAV-DJ. ... 118
Figure 47 | Représentation des protocoles prophylactique et curatif au cours du temps. ... 119
Figure 48 | Territoire plantaire innervé par la branche surale. ... 121
Figure 49 | Enregistrement électrophysiologique. ... 126
Tableau 2 | Liste des anticorps primaires utilisés. ... 128
Tableau 3 | Liste des anticorps secondaires utilisés. ... 128
Figure 50 | La délétion du canal Cav3.2 spinal induit une analgésie au chaud dépendante du sexe. ... 180
Figure 51 | Courbe intensité/réponse après stimulation des fibres A . ... 182
Figure 52 | Comparaison de trois modèles KO pour le canal Cav3.2 à la sensibilité ... mécanique. ... 184
Figure 54 | Comparaison de trois modèles de KO pour le canal Cav3.2 à la sensibilité thermique au chaud. ... 186 Figure 55 | Comparaison de trois modèles de KO pour le canal Cav3.2 à l’analgésie due au stress. ... 187 Figure 56 | Comparaison de trois modèles de KO pour le canal Cav3.2 à la préférence de place thermotaxique. ... 188 Figure 57 | Comparaison de trois modèles de KO pour le canal Cav3.2 dans la mise en place de l’anxiété associée à la neuropathie. ... 189 Figure 58 | Clonage du plasmide pAAV-TRE-NLS-Cre-HA. ... 192 Figure 59 | Injection intraspinale du virus AAV-DJ-TRE-NLS-Cre-HA. ... 194 Tableau 4 | Tableau récapitulatif des comportements observés en prophylactique après délétion du canal Cav3.2 dans les fibres C-LTRMs, au niveau spinal ou total. ... 250 Figure 60 | Populations Cav3.2 positives après délétion. ... 252 Tableau 5 | Tableau récapitulatif des comportements observés après délétion phrophylactique ou curative du canal Cav3.2 au niveau spinal. ... 253 Figure 61 | Modélistaion de KO population neuronale spécifique du canal Cav3.2 spinal. ……. 259
5-HT, Sérotonine
AAV, Adeno-Associated Virus ACC, Anterior Cingulate Cortex Ach, Acétylcholine
ADN, Acide désoxyribonucléique ADNc, Acide désoxyribonucléique
Complémentaire
AMM, Autorisation de mise sur le marché ARN, Acide ribonucléique
ARNm, ARN messager ANO, ANOctamin-1
ASICs, Acid-Sensing Ion Channels ATP, Adénosine Triphosphate
BDNF, Brain-Derived Neurotrophic Factor
Bhlhb5, Basic helix-loop-helix transcription
factor 5
BPA Brachial Plexus Avulsion
CACNA, Calcium voltage-gated channel
subunit Alpha1 A
CB, Calbindin
CCI, Chronic Constriction Injury CeA, Central Amygdala
CFA, Complet Freund Adjuvant CCK, Cholécystokinin
CGRP, Calcitonin Gene-Related Peptide COX, Cyclooxygénase
CSp Cortico-spinal projections
CR, Calretinin
C-terminal, Carboxy-terminal DHP, Dihydropyridine
DRG, Dorsal Root Ganglia DTR, Diphteric toxin Receptor
EPSP, Excitatory post-synaptic potential ERK, Extracellular signal-regulated kinase GABA, Gamma Amino Butyric Acid GDNF, Glial-Derived Neurotrophic Factor GFP, Green Fluorescent Protein
GRP, Gastrin-releasing Peptide
GRP-R, Gastrin-releasing peptide Receptor HCN, Hyperpolarisation-activated
Cyclic-Nucleotid modulated Cation Non-selective Channel
HEK-293, Human Embryonic Kidney 293 H1, Histamine
HVA, High Voltage Activated
HTMs, High-Threshold Mecanoreceptors
IASP, International Association for the Study of
Pain
IB4, Isoleuctin Beta 4 IL, Interleukin
IBS, Irritable Bowel Syndrome
IPSP, Inhibitory post-synaptic potential ISH, In-situ hybridization
KO, Knock-out
KV potassium channel LTD, Long Term Depression
LTMR, Low Threshold Mechanoreceptor LTP, Long Term Potentiation
LVA, Low Voltage Activated
mEPSC, miniature Excitatory Post-synaptic
Current
mIPSC, miniature Inhibitory Post-synaptic
Current
MRGPRD, Mas-Related G-Protein Couple
Receptor Member D
NGF, Nerve Growth Factor NK1r, Neurokinin 1 receptor NKA, Neurokinin A
NKB, Neurokinin B
NMDA, N-méthyl-D-aspartate NO, oxyde nitrique
nNOS, neuronal Nitric Oxyde Synthase NP, Neuropeptidergic nociceptor
NPY, Neuropeptide Y NST, Néo-spino-thalamique nRT, Noyau réticulaire
NRM, Noyau du raphé magnus
NRGC, Noyau réticulaire gigantocellularis NT, Neurotensine
N-terminal, Amino-terminal ORL, Opioïd receptor like OT, Oxytocine
PAB, Parabrachial
PAF, Platelet activating factor PAG, Periaqueductal gray PBS, Phosphate Buffered Saline PFA, Paraformaldehyde
PEP, Peptidergiques fibers PFC, Prefrontal Cortex
PKA, Protéine Kinase dépendante de l’AMPC PKC, Protéine Kinase C
PPAR , Peroxisome Proliferator Activated
Receptor
PPD, Paired-pulse depression PPF, Paired-pulse facilitation PSL, Partial Sciatic Ligation
PsPTx3, Bateria Para Psp Tx3 Battery Grip Psp
Thrustmaster x3
PV, Parvalbumin
RA-LTMR, Rapid Adapting Low Threshold
Mechanoreceptor
Ret, rearranged during transfection
RCPG, Récepteur Couplé aux Protéines G ROR , Nuclear orphan receptor
ROS, Reactive oxygen species RVM, Rosto-ventral médial SN, Spino-thalamique
SNAP25, Synaptosomal-associated protein 25 SNI, Spared Nerve Injury
SNL, Sciatic Nerve Ligation SNT Sciatic Nerve Transection Som, Somatostatin
Tac2, tachykinin 2
TNF- , Tumor necrosis factor TH, Tyrosine hydroxylase
TREK, TWIK-related K+ channels TRAAK, TWIK-related arachidonic
acid-stimulated K+ channel
TrkA,, Tropomyosine receptor-kinase
TRP, Transient Receptor Potential
TRPA, Transient Receptor Potential Ankyrin 1 TRPM, Transient Receptor Potential
Melastatin
TRPV, Transient receptor potential vanilloid USP, Ubiquitin-specific protease
VGLUT, Vesicular glutamate transporte VPL, Ventro-postero-latéral
VPM, Ventro-postéro-médian WDR, Wide Dynamics Range
La douleur est un signal d’alarme permettant la protection et le maintien de l’intégrité cellulaire et à plus grande échelle, de l’individu. Sa perception et son intégration sont possibles grâce à un réseau complexe de neurones appartenant aux systèmes nerveux périphérique et central. Cependant, comme toute grande fonction biologique, des dérégulations de la signalisation douloureuse peuvent être observées. Celles-ci entrainent la mise en place de réponses inadéquates et une perception erronée de la douleur. Lors de ces dérégulations, la douleur perd alors son caractère protecteur et devient purement délétère. Elle est alors nommée « douleur pathologique et chronique » si elle persiste au-delà de 3 mois. Plusieurs types de douleurs chroniques sont décrits, parmi lesquels les neuropathies, les migraines, la fibromyalgie ou encore les douleurs lombaires.
Aujourd’hui, les douleurs chroniques sont l’une des premières causes de consultation chez le médecin. Malheureusement, peu de traitements sont efficaces et présentent un bon ratio bénéfice/risque face à ces douleurs. Il est donc nécessaire et essentiel de disséquer les mécanismes à l’origine de l’établissement et du maintien de ces douleurs chroniques afin de pouvoir mettre en place des stratégies thérapeutiques efficaces.
Notre équipe étudie les canaux calciques de type T et leurs rôles dans la perception douloureuse. Mon projet de recherche a plus particulièrement porté sur l’implication du canal Cav3.2 spinal dans la perception douloureuse en conditions physiologique et pathologique. Ce canal est exprimé au niveau du système nerveux périphérique mais également central. D’autre part, il est fortement exprimé dans la moelle épinière, une structure primordiale dans l’intégration et la transmission du message douloureux. Il est donc essentiel de déterminer son rôle au niveau spinal dans la transmission du message douloureux.
Ce travail s’inscrit donc dans un cadre où la compréhension des dérégulations sous-jacentes à la mise en place des douleurs chroniques est essentielle à la conception de futures stratégies thérapies adéquates à leurs traitements.
1. Histoire et définition de la douleur
Dès la Préhistoire, les premiers hommes semblaient connaitre la douleur et cherchaient à la soulager. L’étude de dents fossiles datant de 48 000 ans d’un homme de Néandertal souffrant d’un abcès, mit en évidence la consommation de bourgeons de peuplier, au goût amer désagréable, à faible valeur nutritive mais riches en salicine. Celle-ci aurait permis de traiter la douleur engendrée par cet abcès, car métabolisée par le foie, elle devient l’acide salicylique, le principe actif de l’aspirine (Weyrich et al., 2017). A cette époque, la douleur causée par un dommage physique visible est bien comprise, alors qu’une douleur invisible liée à une maladie interne, l’est beaucoup moins. Les douleurs internes « mystiques » et « invisibles » étaient alors traitées par des « médecins prêtres », des shamans et des sorciers. Ils avaient pour but d’extraire hors du corps la substance maléfique lors de cérémonies religieuses.
Les civilisations archaïques, telles que les sumériens, peuple de Mésopotamie vivant 5000 ans avant JC, cultivaient déjà le pavot, à partir duquel était purifié l’opium. Des vestiges datant de 3000 ans avant J.C retrouvés en Amérique latine montrent l’application de feuilles de coca comme anesthésique local (Brain and Coward, 1989). Dans le Papyrus Ebers datant du XVème siècle avant JC, considéré comme l’un des plus anciens documents médicaux d’origine, l’utilisation de l’opium est décrite contre les douleurs dentaires, et les brûlures. D’autre part, les Egyptiens recouraient à l’électricité pour soulager certaines douleurs articulaires à l’aide de poissons électriques (poisson-chat électrique du Nil et torpille ocellée) (Sabatowski et al., 2004).
Durant l’Antiquité, la douleur était considérée par les grecs et les romains comme une punition divine. Elle fût métaphorisée par Sophocle comme un être autonome prenant possession du sujet, qui se repaissait de sa victime. Le mot latin « poena » signifiant le châtiment, la punition, a d’ailleurs donné le terme anglais « pain » et français « peine », tout comme le nom grec « Ponos » réfère à une entité punitive, dieu de la peine et du dur labeur. De la même manière, le mot latin « dolor », origine étymologique de « douleur » en français, signifie également souffrance, peine, tourment, chagrin, affliction, colère ou ressentiment.
Démocrite fût le premier à décrire la douleur comme un phénomène naturel et non divin. Il associe cette dernière à une altération des humeurs décrite dans sa théorie des quatre humeurs qui perdura jusqu’au XVIIème siècle. Par la suite, Hippocrate se dégagea de l’influence religieuse et réalisa son « Corpus hippocratique », visant à traiter et soulager les maladies. Galien, disciple d’Hippocrate et médecin romain, démontra, lui, le rôle conducteur des nerfs grâce à des dissections animales, et véhicula la théorie des quatre humeurs de Démocrite. A des
méthodes « physiques » visant à « soulager », telles que la saignée, l’utilisation de ventouses et les scarifications qui étaient très populaires dans l’histoire grecque, s’ajoutèrent alors des méthodes pharmacologiques avec l’utilisation de la belladone, de la jusquiane, du lierre, de la mandragore, du saule ou encore du suc de pavot dont les vertus sédatives, narcotiques et analgésiques, étaient déjà reconnues. La pharmacopée qui n’occupait qu’une place réduite dans le traitement de la douleur en Grèce, devint bien plus importante chez les romains. La pharmacopée antique semblait déjà riche avec l’utilisation de nombreuses plantes médicinales desquelles étaient extraits des composés pharmacologiques aujourd’hui synthétisés et dérivés, comme la morphine, la codéine, l’acide salicylique (Rey, 1993).
Les idées véhiculées par Galien perdurèrent jusqu’à la fin du Moyen-âge. Cependant, un grand nombre d’aspects de son œuvre disparurent avec l’interdiction des dissections et une négligence croissante de l’anatomie conduisant à une doctrine médicale déformée et appauvrie par rapport à l’œuvre originale (Rey, 1993; Temkin, 1973). Cette négligence entraina l’utilisation de remèdes populaires, et une moins grande discrimination a été opérée entre les vertus réelles des plantes et les modes de préparation ou d’administration qui relevaient pour partie de pratiques magiques. Ceci, couplé à une forte influence du christianisme qui « louait la douleur pour le salut » de Dieu, décourageait son traitement et sanctifiait son plein ressenti avec les pratiques de mortification de la chair, de flagellations, du port de la silice et autre instrument de punition. Ces facteurs ont desservi l’étude et le traitement de la douleur et aucune avancée notable ne fût réalisée au cours du Moyen-âge (Rey, 1993; Ribau and Duchange, 2003).
Il fallut attendre le XVIème siècle avec les travaux d’Ambroise Paré, chirurgien et anatomiste français, et le philosophe René Descartes pour observer l’émergence d’une sensibilité nouvelle, s’émancipant des dogmes chrétiens prônant la punition et la souffrance. Ainsi selon Paré, même si la « maladie et la douleur sont envoyées par Dieu, les moyens et les secours nous sont donnés
pareillement de lui pour en user comme d’instruments à sa gloire, cherchant remèdes en nos maux, même en les créatures auxquelles il a donné certaines propriétés et vertus pour le soulagement des pauvres malades, et veut que nous usions des causes secondes et naturelles, comme d’instruments de bénédiction : autrement nous serions des ingrats et mépriserions sa bénéficience ». Il préconisait alors de désensibiliser la zone douloureuse, par l’usage d’anodyns,
de narcotiques, l’utilisation d’hyoscyamus, de ciguë, de solanum, de mandragore et d’opium, mais également par la réalisation de ligatures.
L’acceptation totale du traitement de la douleur ne fût réalisée qu’à la fin du XVIIème siècle, avec comme seule solution l’opium sous toutes ces formes et notamment le laudanum, teinture alcoolique d’opium, préparé par Sydenham et préconisé pour calmer une pléiade de maladies
(douleurs, insomnie, goutte, …). Bien que le renouveau de l’anatomie commençât à fissurer l’édifice galénique, ses bases humorales demeurèrent solides et grâce à la mise en place d’un autre modèle de science, avec d’autres exigences, les fondements du savoir purent se modifier (Rey, 1993).
Entre l’Antiquité gréco-romaine et le début de XIXème siècle, aucun progrès décisif ne fût observé dans le traitement de la douleur. Cependant, la prise de conscience et les différentes découvertes scientifiques permirent d’initier les premiers pas vers sa compréhension.
Le XIXème siècle peut être qualifié de siècle des grandes découvertes, tant du point de vue des mécanismes de la douleur, que des innovations thérapeutiques. Ainsi, au début du XIXème
siècle, la morphine fût découverte et isolée, et les substances volatiles firent leur apparition dans le domaine thérapeutique. La mise en place de l’anesthésie qu’elle soit locale avec l’utilisation d’opiacés sur l’épiderme, sur le nerf endommagé, de cocaïne en ophtalmologie, de mélanges réfrigérants, ou générale par l’utilisation d’éther et de protoxyde d’azote, permit de s’affranchir du caractère inéluctable de la douleur et donc de changer la vision des hommes face à cette dernière, tout en permettant une meilleure compréhension de ses mécanismes de transmission. D’un point de vue mécanistique, la compréhension des voies de la douleur fît également un bon : le réseau douloureux commença à être disséqué. En périphérie, l’origine des fibres nerveuses, le trajet de la conduction, mais également la fonction sensitive des racines postérieures furent mis en évidence par les travaux successifs de Bell, Magendie et Waller (Perl, 2007). Au niveau central, la moelle épinière, jusque-là simple lieu de rassemblement des nerfs, devint un organe à part entière, distinct de l’encéphale et jouant le rôle de centre nerveux à part entière. La théorie de la spécificité avancée par Johannes Muller et soutenue par Maximilian von Frey voyant la douleur comme une sensation indépendante avec son propre système sensoriel fût alors mise en place. Les différents travaux de neurologie du XIXème siècle semblent alors s’orienter vers une spécificité que ce soit au niveau de la moelle, ou dans les localisations cérébrales (Perl, 2007; Rey, 1993).
Au cours du XXème siècle, un raffinement des méthodes d’investigation du système nerveux se mit en place. Les techniques de coloration histologique et les procédés de stimulation électrique du cerveau vinrent supplanter les études d’ablations expérimentées au siècle précédent et permirent des avancées significatives dans l’étude de l’intégration de la douleur. Dans le domaine de la chimie pharmaceutique, un grand nombre de substances furent synthétisées (antipyrine, aspirine, ancêtre du paracétamol).
Fût ensuite introduit le point de vue de la temporalité dans l’étude du mécanisme des sensations, et la spacialisation. Sherrington et Adrian se questionnèrent sur la temporalité de la douleur :
En combien de temps la stimulation opérée par le courant électrique provoque la douleur ? Combien de temps dure la sensation de douleur ? Sherrington fût à l’origine des termes de nociception et de nocicepteurs dont les définitions seront énoncées plus loin dans ce manuscrit. Les expériences menées par Lewis sur « la douleur en écho » provenant de deux types de fibres, ainsi que le classement des fibres conduisant le message sensoriel par Herbert S. Gasser et Joseph Erlanger au début du XXème siècle selon leur vitesse de conduction, permirent de confirmer l’idée de différentes voies. Ces travaux furent notamment récompensés par l’obtention d’un prix Nobel en 1944. Grâce à ces découvertes, le corps apparut comme un vaste réseau de communication fait de voies lentes et de voies rapides que les sensations douloureuses empruntent simultanément.
Durant ce siècle, l’utilité de la douleur comme signal d’alarme déjà énoncée par Descartes prit dans la théorie darwinienne une signification particulière. La théorie selon laquelle les individus qui en seraient privés ne seraient pas avertis des menaces venues du monde extérieur et seraient alors la proie facile de leurs agresseurs vit le jour. Et l’intégration de la théorie darwinienne permit de se rapprocher de la définition actuelle de la douleur. Dès 1932, Van Ness Dearborn reporta le cas d’un patient insensible à la douleur (Van Ness Dearborn, 1932), et depuis, des études récentes montrèrent une diminution de la durée de vie de ces types de patients ainsi qu’une augmentation de la prise de risque (Goldberg et al., 2007).
Il est nécessaire de porter un regard rétrospectif bienveillant sur l’évolution de la perception et la compréhension de la douleur, en soulignant la multiplicité des remèdes antalgiques utilisés dès l’Antiquité gréco-romaine, voir même dès la Préhistoire, malgré l’ignorance des principes pharmacologiques des substances employées. Cette évolution pour le moins irrégulière, jalonnée des courants politiques et religieux qui ont faits l’Histoire, a néanmoins permis d’aboutir à la définition actuelle de l’Association internationale pour l’étude de la douleur (IASP) : "La douleur est une expérience sensorielle et émotionnelle désagréable, associée à
une lésion tissulaire réelle ou potentielle, ou décrite dans ces termes". Merskey, 1976.
Comme nous l’avons souligné, les études de cas d’insensibilité chronique à la douleur montrent bien son importance en accord avec sa définition la présentant comme un signal d’alarme essentiel au maintien de l’intégrité de l’individu et de l’organisme. Les patients insensibles à la douleur ont une tendance à l’automutilation durant l’enfance. Ne ressentant pas la douleur, le bébé/jeune enfant va se brûler, se mordre les lèvres, les doigts ou encore la langue entrainant des lésions irréversibles. Les adultes présentent eux des déformations osseuses causées par des fractures non traitées car non perçues (Cox et al., 2006; Schon et al., 1993; Wheeler et al., 2015).
L’explosion du nombre d’études sur la douleur observée au XXème siècle est concomitante aux grandes guerres qui ont entrainé de véritables prises de conscience sur la nécessité de traitement de la douleur. La douleur devient alors un enjeu de santé publique, dont une clé essentielle sera d’en comprendre les mécanismes pour pouvoir la traiter. Les progrès technologiques avec l’avènement de la microscopie électronique, de l’imagerie cérébrale, de la génétique et l’utilisation de souches animales génétiquement modifiées ont permis le raffinement de son étude. Nous sommes passés au cours des dernières décennies de l’étude des structures impliquées, aux cellules, pour enfin arriver à l’étude moléculaire et intégrée de la douleur. Grâce à cela, il a été possible d’explorer et de commencer à véritablement décrire les systèmes biologiques permettant sa détection et son intégration.
1.1.1.1 Détection et intégration de la sensation douloureuse
Il est nécessaire de différencier la nociception de la douleur elle-même, ressenti final par l’individu impliquant les composantes sensori-discriminative et émotionnelle/affective désagréable. « Nociception » dérive du latin nocere « blesser/nuire ». Elle est décrite comme le processus permettant aux organismes de détecter des stimuli dangereux réels ou potentiels (Smith and Lewin, 2009). Le système nerveux périphérique est constitué de neurones afférents primaires qui possèdent des terminaisons au niveau des différents organes, permettant la détection du message nociceptif puis sa transduction.
La transmission douloureuse est un phénomène complexe résultant de mécanismes électrophysiologiques et neurochimiques, où 3 étapes clés vont se succéder :
• L’élaboration de l'influx au niveau du nocicepteur et sa transmission dans la fibre
nerveuse périphérique. La nociception est véhiculée par le système somatosensoriel qui
répond aux stimuli sensoriels externes et internes. En plus des informations nociceptives, il transmet également les informations tactiles, thermiques, ou proprioceptives. Les stimuli sont détectés et transduits en périphérie, puis transmis au système nerveux central. Le soma des neurones sensoriels primaires se situe dans les ganglions dorso-rachidien (ou DRG pour Dorsal Root Ganglia). Ces neurones, comme les autres neurones du système somatosensoriel, sont pseudo-unipolaires avec un axone distal innervant les tissus, et un axone proximal faisant un premier relais dans la moelle épinière. Ils sont également appelés « fibres afférentes primaires ». • Le relais et la modulation au niveau de la corne dorsale de la moelle épinière. Les fibres afférentes primaires font une première connexion avec les neurones de la corne dorsale de la moelle épinière. A ce niveau, un réseau complexe permet la convergence des influx et le traitement de l’information. C’est également là qu’a lieu la modulation de l’information nociceptive. Celle-ci peut être soit amplifiée ou bloquée. Après avoir été intégrée et modulée, l’information douloureuse sera transmise par les neurones de projection de la moelle épinière vers les centres supraspinaux.
• L'intégration au niveau du cerveau qui le transforme en message conscient. La sensation douloureuse est intégrée dans différentes structures supraspinales. Il y a mise en place de la composante sensori-discriminative codant pour l’intensité, la localisation et la durée du stimulus nociceptif dans le thalamus et le cortex somesthésique I et II. Alors que dans le système limbique, il y aura mise en place de la composante émotionnelle et affective désagréable (Figure 1).
Figure 1 | Anatomie générale des voies de la douleur.
En périphérie, le stimulus nociceptif est détecté par les nocicepteurs périphériques. Il sera alors transduit avant d’être transmis le long de neurones afférents primaires possédant leurs somas dans les ganglions dorso-rachidiens. Ces neurones font une première connexion dans la moelle épinière où il y a intégration et modulation de message nociceptif. D’autres neurones prendront alors le relais vers les centres supraspinaux où la douleur est intégrée et perçue.
La différenciation de perception entre un message sensoriel et nociceptif est dépendante de l’intensité de stimulation. Ainsi, une stimulation de faible intensité est considérée comme sensorielle (non nocive) jusqu’à un certain seuil au-delà duquel elle devient nociceptive, nocive. Le seuil de perception de la douleur correspond donc à une gamme restreinte d’intensité. En cas de lésion ou de pathologie, ce seuil peut être décalé vers des intensités plus faibles. La modification de ce seuil engendre deux phénomènes nommés allodynie et hyperalgie. L’allodynie est caractérisée par une douleur provoquée par un stimulus habituellement non nociceptif. L’hyperalgie, elle, est définie par une réponse exacerbée à une stimulation normalement faiblement douloureuse (Figure 2) (terminologie de l’IASP).
Figure 2 | Sensibilisation de la douleur.
La courbe bleue représente la réponse « normale » à la douleur. A partir d’un certain seuil, une stimulation devient douloureuse : plus elle s’intensifie, plus la douleur ressentie est forte. En condition pathologique, cette courbe est décalée vers des intensités de stimulations plus faibles. Un stimulus normalement indolore peut alors être perçu comme douloureux : c’est une allodynie. En plus de l’allodynie, il peut y avoir une hyperalgie, qui consiste en une réponse douloureuse exacerbée suite à une stimulation normalement faiblement douloureuse. D’après (Lolignier et al., 2015)
2. Système nerveux périphérique
3.1 Nocicepteurs : Détection et transduction du message nociceptif
Le message nociceptif est détecté en périphérie par les terminaisons libres des neurones nocicepteurs, « récepteurs préférentiellement sensibles à un stimulus nuisible ou pouvant le
devenir s’il est prolongé » (Smith and Lewin, 2009). Ils sont retrouvés au niveau des
terminaisons de neurones afférents primaires de deux types particuliers, A et C, qui seront décrits dans un prochain paragraphe. Les nocicepteurs sont activés pour des stimuli extérieurs à la gamme physiologique pouvant perturber l’intégrité tissulaire. Ils sont présents principalement au niveau de la peau, mais également dans les viscères, les muscles et les articulations. La sensibilité aux stimuli nociceptifs est possible grâce à la présence de canaux ioniques sensibles aux différentes modalités de la nociception que sont la mécanosensation, la thermosensation et la chimiosensation. Ces canaux permettent la transduction du stimulus nociceptif en signaux électriques qui seront transmis le long des fibres afférentes primaires. Si la plupart des nocicepteurs sont spécifiques d’une modalité, certains sont caractérisés par leurs sensibilités à différentes modalités : on parle alors de nocicepteurs polymodaux. Les nocicepteurs polymodaux sont tous mécanosensibles, et répondent à d’autres stimuli thermiques chauds et/ou froids. Cependant, la proportion de nocicepteurs polymodaux est encore fortement sujet à débat, opposant une théorie de la spécificité à une théorie polymodale (Emery et al., 2016; Wang et al., 2018).
2.1.1 Mécanorécepteurs et nocicepteurs mécaniques
Les mécanorécepteurs sont sensibles aux stimuli mécaniques : vibrations, textures, mouvements de poils et pressions subis à la surface d’un organe. Ils sont fortement représentés dans tout l’organisme, principalement au niveau de la peau, mais également au niveau des tendons, des muscles, des articulations et des viscères. Leur sensibilité est la résultante d’échafaudage protéique, activant des canaux perméables aux cations. Il y a alors détection et transduction en signaux électriques des stimuli mécaniques. Contrairement aux nocicepteurs mécaniques situés au niveau des terminaisons libres des fibres afférentes, les mécanorécepteurs sont présents dans des structures dédiées (corpuscule de Pacini, corpuscule de Meissner, disque de Merkel, corpuscule de Ruffini) permettant la détection des multiples informations tactiles (pressions, vibrations, mouvements de poils). Ils sont activés par des stimuli de faible intensité et sont nommés LTMRs (Low-Threshold Mecanoreceptors). Les nocicepteurs mécaniques sont
quant à eux activés par des stimulations externes de type stress mécanique ou des stimulations de forte intensité pouvant entrainer une lésion tissulaire. Ils sont nommés HTMRs
(High-Threshold Mecanoreceptors).
La diversité de sensibilité des canaux à la pression, ainsi que leurs propriétés biophysiques permettraient de définir les différentes classes de mécanorécepteurs (Delmas et al., 2011). Les principaux canaux exprimés appartiennent aux familles des canaux ASIC (Acid-Sensing Ion
Channels) (Price et al., 2001), et TRP (Transient Receptor Potential) (Garrison et al., 2012;
Vilceanu and Stucky, 2010). Récemment, une nouvelle famille de canaux mécanosensibles a été décrite : la famille PIEZO, dont le canal PIEZO2 est abondamment retrouvé dans les DRGs (Coste et al., 2012, 2010). Pour finir, des canaux potassiques participant à la repolarisation électrique des membranes cellulaires, semblent également impliqués dans la transduction du message mécanique. Les canaux KCNK (TREK-1, TREK-2 et TRAAK) et le canal KV1.1 sont quant à eux exprimés dans des neurones mécanosensibles (Hao et al., 2013; Maingret et al., 1999), et permettraient de différencier les mécanorécepteurs des mécanonocicepteurs (Noël et al., 2009).
Les mécanonocicepteurs activés par des stimuli de forte intensité et par les stress mécaniques, appelés HTMRs, expriment des canaux appartenant à ces familles, tels que les canaux ASIC3 (Mogil, 2005; Price et al., 2001), TRPV4 (Suzuki et al., 2003), TRPA1 (Kwan, 2009), PIEZO 2 et TREK-1 (Alloui et al., 2006). Récemment une étude a mis en évidence que l’activation des des neurones sensoriels exprimant PIEZO2 engendrait de la nociception. Cette étude a également montrée que les souris PIEZO2-/- présentaient une réponse diminuée aux stimulations mécaniques tactiles et nociceptives et une abolition de l’allodynie mécanique en condition pathologique (Murthy et al., 2018).
2.1.2 Nocicepteurs thermiques
Les variations de température sont, elles, détectées par différents canaux appartenant à la famille des canaux TRP. Les thermorécepteurs permettent de mesurer les variations de température dans la gamme physiologique (20-40°C), et les thermonocicepteurs de détecter les variations hors de cette gamme (<20°C et >40°C) (Figure 3).
Les thermonocicepteurs activés par des stimuli nociceptifs froids expriment le canal TRPM8 sensible à des variations de températures inférieures à 16°C, mais également au menthol. Les études utilisant l’ablation du canal dans des modèles murins (Knowlton, 2010), ou des blocages pharmacologiques (Knowlton, 2011) ont permis de prévenir la douleur induite par un froid nociceptif. De par son activation à des températures basses, le canal TRPA1 semble également être un récepteur potentiel pour la sensibilité nociceptive au froid. Cependant, les études sur l’implication de ce canal dans la perception douloureuse au froid sont très divergentes. La génération d’une souris transgénique KO pour TRPA1 aurait pu solutionner la polémique, mais la même année, deux modèles de souris TRPA-/- ont été générées (Bautista et al., 2006; Kwan et al., 2006) et les tests réalisés sur ces souches ont conduits à des résultats opposés quant à la perception au froid (pour une revue sur TRPA1 (Kwan and Corey, 2009)). Suite à ces deux premières études, d’autres ont suivi sur ces deux mêmes souches : par exemples, i/ en 2009, Karashima observe une diminution de la perception douloureuse au froid chez une des souches de souris TPA1-/- (Karashima et al., 2009), ii/ mais en 2010, Knowlton montre que ce canal ne joue pas un rôle dans la perception nociceptive froide contrairement au canal TRPM8 (Knowlton, 2010). L’étude de Chen avec l’utilisation d’un bloqueur sélectif pour le canal
°C
Figure 3 | Représentation schématique des canaux ioniques sensibles à la température. Les canaux ioniques sont ordonnés selon leur seuil d’activation aux températures. L’échelle de température est en degré Celsius (°C). D’après (Zhang, 2015)
TRPA1 (A-967079) sur des rats présente des résultats similaires à ceux de Knowlton. Il a cependant mis en évidence l’implication de TRPA1 dans l’hypersensibilité au froid en condition pathologique (Chen et al., 2011), confirmant les résultats obtenus par Katsura après injection d’ARNm anti-sens contre TRPA1 (Katsura et al., 2006). Il est important de noter que ce canal est également sensible à de nombreuses substances chimiques et qu’il n’est donc pas « spécifique » de la modalité thermique.
La détection du chaud nociceptif (>42°C) est possible grâce au canal TRPV1 exprimé dans une sous-population de neurones à faible diamètre des DRGs. Ce canal est sensible aux vanilloïdes, et est également activé par la capsaïcine, un composé irritant du piment (Caterina et al., 1999; Tominaga et al., 1998). Chez les souris KO TRPV1, aucune différence de perception thermique n’est observée pour des températures inférieures à 50°C, mais une diminution de la sensibilité est observée pour des températures supérieures. Récemment, TRPM3 ainsi que ANO1, deux récepteurs fortement co-exprimés dans les neurones nociceptifs à faible diamètre TRPV1 positifs, ont également été identifiés comme codant pour la réponse nociceptive au chaud (Caterina, 2000; Cho et al., 2012; Davis et al., 2000; Vriens et al., 2011). L’étude récente de Vandewauw & al. a mis en évidence la redondance des canaux TRP codant pour les stimuli nociceptifs chauds, avec leur modèle de triple KO pour les récepteurs TRPV1, TRPA1 et TRPM3 (Vanderwauw, 2018).
Tous s’accordent à dire que cette redondance permet d’éviter les stimuli nociceptifs chauds et ce, même dans des conditions ou un ou plusieurs senseurs sont compromis à cause d’une désensibilisation ou d’inhibiteurs naturels (Vanderwauw, 2018; Zhang, 2015).
2.1.3 Nocicepteurs chimiques
Lors d’une lésion tissulaire, une « soupe inflammatoire », composée de nombreuses substances algogènes servant de médiateurs chimiques libérées localement par les plaquettes, mastocytes, macrophages et autres cellules immunocompétentes, va activer les nocicepteurs chimiques sensibles à l’acidification des tissus, mais également à ces différentes substances. Les canaux ASIC3, TRPA1 et TRPV1 sont retrouvés au niveau de ces nocicepteurs (Jones, 2004; Price et al., 2001; Tominaga et al., 1998; Ugawa et al., 2002). La plupart des chémorécepteurs sont des nocicepteurs mécanothermosensibles (Davis et al., 1993).
Enfin, des nocicepteurs dits « silencieux » ou dormants ont été décrits pour la première fois par Michaelis et al. en 1996, comme répondant à des stimulations électriques nociceptives, mais pas à des stimulations mécaniques (Michaelis et al., 1996). Décrits comme thermo-insensibles,
ils nécessitent une sensibilisation par des agents chimiques irritants. Ils sont principalement retrouvés au niveau de la vessie, du colon et des articulations, et sont rarement exprimés dans la peau des rongeurs, alors qu’ils sont fortement exprimés dans la peau des primates. Une étude récente a mis en évidence qu’ils exprimaient la sous unité alpha3 des récepteurs nicotiniques. Leur activation serait due à une action indirecte du NGF sur l’activation de PIEZO2 (Prato et al., 2017) (Figure 4).
En parallèle des mécanismes de détection de la douleur, il existe des neurones véhiculant les informations sensorielles relatives à la démangeaison également nommée prurit. Ces voies possédent des caractéristiques proches, voir communes avec la détection de la douleur. On peut différencier deux groupes distincts dans les phénomènes de démangeaisons. Le premier concerne les démangeaisons induites de manière chimique par des agents « pruritogènes », c’est-à-dire via des molécules telles que le cowhage, la chloroquine et l’histamine. Les canaux TRPA1 et TRPV1 sont essentiels à la détection de ces agents pruritogènes (Figure 5) (Shim et al., 2007; Xiao and Patapoutian, 2011). Le second concerne les démangeaisons dites mécaniques activées par des stimulations mécaniques légères de la peau activant les mécanorécepteurs (Ross, 2011).
Figure 4 | Modèle d’activation de nocicepteurs silencieux.
Schéma du mécanisme de sensibilisation de PIEZO2 par l’action du NGF sur le récepteur TrkA et de la cascade de signalisation ERK1/2. D’après (Prato et al., 2017)
Malgré les nombreuses hypothèses proposées sur l’implication de canaux particuliers dans la détection des différentes modalités nociceptives, il semble nécessaire de conclure que la signalisation nociceptive est une résultante de l’implication et de l’interaction d’un grand nombre de protéines. La délétion spécifique d’un canal ne semble pas ou peu avoir d’effets sur une modalité particulière. Cependant, l’ablation spécifique de populations de nocicepteurs ou l’utilisation de modèles animaux ayant subi une triple délétion de canaux ou protéines impliqués dans ces voies nociceptives permet d’avoir une diminution de la perception douloureuse (Cavanaugh et al., 2009; Vanderwauw, 2018). Ceci est à mettre en corrélation avec la nécessité de la perception douloureuse pour le maintien de l’intégrité cellulaire et des individus. Il est donc essentiel qu’un nombre important d’acteurs soit impliqué dans cette détection pour maintenir sa perception.
2.2 Fibres afférentes : Transmission du message
Après détection et transduction du stimulus nociceptif, le signal est transmis le long des fibres afférentes primaires. Elles peuvent être classées selon différents paramètres tels que leur vitesse de conduction, leurs propriétés de réponses (modalité sensorielle et intensité de stimulation nécessaire à leur activation), et leurs phénotypes neurochimiques (expression de peptides). Ces différents paramètres mis en corrélation permettent une classification fine des afférences primaires.
Figure 5 | Les récepteurs médiateurs des récepteurs TRP et leur ligand.
Le récepeteur TRPV1 sensible à la chaleur, aux protons et à la capsaïcine, est modulé par le récepteur à l’histamine H1, ainsi que par le récepteur à la bradykinine B2R.
Le récepteur TRPA1 sensible à l’huile de moutarde, au wazabi, est modulé par les récepteurs PAR2 et MrgrA3, ainsi que par le récepteur à la chloroquine MrgprC11. D’après (Ross, 2011)
2.2.1 Vitesse de conduction
On observe 3 types de fibres décrites, selon leurs vitesses de conduction, par Erlanger et Gasser en 1927. Les fibres A de gros diamètre (supérieur à 10µm) et fortement myélinisées, dont la vitesse de conduction est rapide, de 30 à 100m/s, sont impliquées principalement dans le toucher léger, le tact. Une faible proportion de fibres A pouvant être recrutées en cas de douleurs chroniques ou lors d’inflammation, transmet le message nociceptif, (Woodbury et al., 2008). Les fibres A , d’un diamètre plus faible (de 2.0 à 6.0µm), faiblement myélinisées et possédant une vitesse de conduction de 12 à 30 m/s, transmettent les messages nociceptifs (thermique et mécanique) codant pour l’intensité et le site de la potentielle lésion tissulaire. Pour finir, les fibres C, non myélinisées, de faible diamètre (de 0.4 à 1.2 µm), avec une vitesse de conduction dite lente de 0.5 à 2.0m/s conduisent un message nociceptif diffus et de longue durée. La présence de ces deux derniers types de fibres permet une perception de la douleur en deux phases, une première phase aiguë et intense, codée par les fibres A , suivie d’une seconde phase plus diffuse codée par les fibres C (Figure 6) (Julius and Basbaum, 2001).
Fibre A Fibre C Temps Intensité Première douleur Seconde douleur
Figure 6 | Corrélation entre la vitesse de conduction et la perception douloureuse.
(A) La différence de conduction entre les fibres A et les fibres C induit une sensation de « première douleur » localisée, et de « seconde douleur » plus diffuse.
(B) L’utilisation d’une gaine bloquant l’afflux sanguin induit une diminution de l’activité des fibres à gros diamètre dont les fibres A . L’isolation des fibres C permet l’observation de la composante diffuse et lente de la douleur.
(C) Si les fibres C sont bloquées par l’utilisation de la capsaicine, seule la première douleur rapide et locale, conduite par les fibres A rapides, est perçue. Adaptée de (Marchand, 2008)
2.2.2 Neurochimie
Il est possible de discriminer lors des premières étapes du développement les futures fibres nociceptives des fibres non-nociceptives. Chez la souris, dès le dixième jour du développement embryonnaire (E10.5), la sensibilité au NGF (Nerve growth factor) grâce à l’expression de son récepteur spécifique Trk A (Tropomyosine receptor-kinase A) permet aux cellules neuronales non matures d’évoluer vers le linéage nociceptif (Lallemend and Ernfors, 2012) (Figure 7). Par la suite, ces fibres exprimeront différents marqueurs, canaux et protéines leur permettant de se spécialiser pour les modalités de la douleur (Lewin et al., 1992; Ritter et al., 1991; Ritter and Mendell, 1992).
De plus, l’utilisation de la technique de séquençage d’ARN en cellule isolée a permis de classer les fibres afférentes primaires en sous-populations neuronales (Usoskin et al., 2015; Zeisel et al., 2018). Cette technique d’identification de type cellulaire sur la base de similarités de profil transcriptomique discrimine entre 11 et 17 sous-populations selon la profondeur de séquençage et la technique de « clusterisation » des résultats expérimentaux (Figure 8). Le travail récent le plus abouti de profilage transcriptomique (Zeisel et al 2018) est remarquable, car il propose une
Figure 7 | Diversification des fibres nociceptives au cours du développement de la souris. Schéma représentant les principales lignées avec les marqueurs moléculaires exprimés à chaque étape. La colonne de droite représente les différentes étapes du développement (E : embryonnaire, P : post-natal). Les cercles rouges montrent les populations exprimant le recepteur TrkA de façon précoce. D’après (Lallemend and Ernfors, 2012)
classification des types cellulaires de tout le système nerveux périphérique et central. Ces données « omiques » permettent d’avoir accès à une finesse de classification très importante. Selon ces études, les fibres nociceptives peuvent alors être classées en fibres nociceptives peptidergiques (PEP) et non peptidergiques (NP et TH). Les fibres nociceptives C peptidergiques sont présentes dans de nombreux tissus dont les couches profondes de la peau. Elles secrètent la substance P et véhiculent les stimuli nociceptifs mécaniques et thermiques (Caterina, 2000; McKemy et al., 2002; Tominaga et al., 1998). Les fibres nociceptives C non peptidergiques expriment toutes P2X3 et innervent principalement l’épiderme (Taylor et al., 2009). Pour finir, les neurones TH positifs également nommées C-LTMR, et impliqués dans le toucher plaisant, semblent avoir également un rôle dans la perception nociceptive mécanique (Delfini et al., 2013; François et al., 2015; Seal et al., 2009). Les fibres A nociceptives sont, elles, peptidergiques et secrètent donc la substance P (Bae et al., 2015; Lawson et al., 1997). Le neurotransmetteur principal de ces neurones est le glutamate. Leur axone proximal fait une première connexion au niveau de la moelle épinière, avec des arrangements synaptiques diffèrents selon le type de fibres. Les terminaisons des fibres C non peptidergiques forment des glomérules synaptiques complexes où sont observés des contacts présynaptiques avec les dendrites et postsynaptiques avec des synapses axoaxoniques (Light et al., 1982; Ribeiro-Da-Silva and Coimbra, 1982) tout comme les fibres afférentes non nociceptives de type C et A LTMRs (François et al., 2015). Les fibres A nociceptives forment généralement des synapses simples mais également des synapses axoaxoniques ou axodendritiques contrairement aux fibres afférentes peptidergiques qui reçoivent peu de contacts axoaxoniques (Ribeiro-da-silva et al., 1989).
Figure 8 | Classification des fibres afférentes primaires selon leur transcriptome.
Les fibres afférentes non nociceptives sont regroupées en cluster selon l’expression du neurofilament (NF1 à 5). Les fibres impliquées dans la transmission du message nociceptif (encadré rouge) sont regoupées dans les clusters NP1 à 3 (Nonpeptidergic Nociceptor), les clusters PEP1 et 2 (Peptidergic nociceptors) et le cluster TH (Thyrosine Hydroxylase). D’après (Usoskin et al., 2015)
