Our objective was to determine whether electrical neuromodulation using spinal cord stimulation (SCS) mitigates transient ischemia-induced ventricular infarction and, if so, whether adrenergic neurons are involved in such cardioprotection. The hearts of anesthetized rabbits, subjected to 30 min of left anterior descending coronary arterial occlusion (CAO) followed by 3 h of reperfusion (control), were compared with those with preemptive SCS (starting 15 min before and continuing throughout the 30-min CAO) or reactive SCS (started at 1 or 28 min of CAO). For SCS, the dorsal C8-T2 segments of the spinal cord were stimulated electrically (50 Hz, 0.2 ms, 90% of motor threshold). For preemptive SCS, separate groups of animals were pretreated 15 min before SCS onset with 1) vehicle, 2) prazosin (α1-adrenoceptor blockade), or 3) timolol (β-adrenoceptor blockade). Infarct size (IS), measured with tetrazolium, was expressed as a percentage of risk zone. In controls exposed to 30 min of CAO, IS was 36.4 ± 9.5% (SD). Preemptive SCS reduced IS to 21.8 ± 6.8% (P < 0.001). Preemptive SCS-mediated infarct reduction was eliminated by prazosin (36.6 ± 8.8%) and blunted by timolol (29.4 ± 7.5%). Reactive SCS did not reduce IS. SCS increased phosphorylation of cardiac PKC. SCS did not alter blood pressure or heart rate. We conclude that preemptive SCS reduces the size of infarcts induced by transient CAO; such cardioprotection involves cardiac adrenergic neurons.

L’AMP cyclique (AMPc) et le GMP cyclique (GMPc) sont des seconds messagers essentiels pour la régulation de la fonction cardiaque. La concentration de l’AMPc intracellulaire est régulée par les activités d'au moins deux familles d'enzymes: les cyclases et guanylyl cyclases, responsable de la synthèse de l'AMPc et du GMPc, et les phosphodiestérases (PDE) qui interviennent dans l’hydrolyse de l'AMPc et du GMPc.Parmi la superfamille des PDEs, la PDE2 est une enzyme à double substrat qui hydrolyse à la fois l'AMPc et le GMPc et a la propriété unique d'être stimulée par le GMPc. Il a été récemment montré que la PDE2 du myocarde est augmentée dans l'insuffisance cardiaque humaine et expérimentale (IC), tandis que d'autres (par exemple PDE3 et PDE4) sont réduites. Cependant, les conséquences physiopathologiques de l'activité PDE2 renforcée dans le cœur sont inconnues.Dans ce contexte, nous avons généré des souris transgénique (TG) avec une surexpression spécifique cardiaque de l’isoforme PDE2A3 (souris PDE2 TG).Grace à l’utilisation de Western blot et de dosage radioenzymatique nous avons montré que l'AMPc cardiaque et l'activité PDE cGMP et l'activité spécifique de PDE2 sont fortement augmentées dans les PDE2 TG par rapport à des souris de type sauvage (WT).Le raccourcissement cellulaire, les transitoires calciques et le courant calcique de type L (ICa, L) ont été enregistrés dans les myocytes ventriculaires adultes de souris WT et PDE2 TG et l'isoprénaline (ISO) a été utilisée pour examiner et comparer la réponse β-adrénergique (β-AR) de ces paramètres. Nous avons montré que lors de la stimulation β-AR, la contractilité cellulaire, la transitoire Ca2+ et l’amplitude du courant ICa,L sont fortement diminués. En conséquence, la surexpression de la PDE2 dans les cardiomyocytes a réduit les taux d'AMPc et abolit l'effet inotrope après une stimulation β-AR aiguë. L'ECG mesuré par télémétrie chez la souris PDE2 TG a montré une réduction marquée de la fréquence cardiaque au repos ainsi que de la fréquence cardiaque maximale, tandis que le débit cardiaque a est entièrement préservé en raison d'une contractilité plus forte. Fait important, les souris TG PDE2 sont résistantes à des arythmies ventriculaires déclenchées et à des arythmies induites par isoprénaline.En conclusion, ce travail montre que PDE2 joue un rôle essentiel dans la régulation du couplage excitation-contraction cardiaque. La surexpression de PDE2 semble protéger les cardiomyocytes contre une stimulation excessive β-AR et réduit le risque d'arythmie lors de l'activation sympathique.L’activation de la PDE2 peut donc représenter une nouvelle stratégie thérapeutique anti-adrénergique et anti-arythmique subcellulaire dans l’insuffisance cardiaque. / Cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP) are critical second messengers for the regulation of cardiac function. Intracellular cAMP concentration is regulated by the activities of at least two families of enzymes: adenylyl and guanylyl cyclases, responsible for cAMP and cGMP synthesis and cyclic nucleotide phosphodiesterases (PDEs) that mediate cAMP and cGMP hydrolysis.Among the PDE superfamily, PDE2 is a dual substrate enzyme that hydrolyzes both cAMP and cGMP and has the unique property to be stimulated by cGMP. It was recently showed that myocardial PDE2 is increased in human and experimental heart failure (HF), while other PDEs (e.g. PDE3 and PDE4) are reduced. However, the pathophysiological consequences of enhanced PDE2 activity in the heart are unknown.In this context, we generated a transgenic (TG) mouse with a heart specific overexpression of the PDE2A3 isoform (PDE2 TG mouse). Using immunoblotting and radioenzymatic assay we showed that total cardiac cAMP and cGMP PDE activity and specific PDE2 activity was strongly increased in PDE2 TG compared to wild type (WT) mice. Sarcomere shortening, Ca2+ transients and the whole L-type Ca2+ current (ICa,L) were recorded in adult ventricular myocytes from WT and PDE2 TG mice and isoprenaline (ISO) was used to examine and compare the β-adrenergic (β-AR) response of these parameters. We showed that upon β-AR stimulation, cell contractility, Ca2+ transient and ICa,L were severely blunted. Accordingly, PDE2 overexpression in cardiomyocytes reduced the cAMP levels and abolished the inotropic effect following acute β-AR stimulation. ECG telemetry in PDE2 TG mice showed a marked reduction in resting as well as in maximal heart rate, while cardiac output was completely preserved due to greater contractility. Importantly, PDE2 TG mice were resistant to triggered ventricular arrhythmias and to isoprenaline-induced arrhythmias.In conclusion, this work demonstrates that PDE2 plays a critical role in the regulation of cardiac excitation-contraction coupling. PDE2 overexpression appears to protect the cardiomyocytes against excessive β-AR drive and reduces the risk of arrhythmias during sympathetic activation. PDE2 activation may thus represent a new subcellular anti-adrenergic and anti-arrhythmic therapeutic strategy in HF.

Dans le cœur, l’activation aiguë de la voie AMPc/PKA via la stimulation des récepteurs β-adrénergiques (β-ARs) permet de réguler la contraction cardiaque alors que l’activation chronique de cette voie est délétère, car elle est source de survenue d’arythmies cardiaques et de remodelage hypertrophique du cœur. Au niveau des cardiomyocytes, Il existe principalement deux sous-types de récepteurs β-ARs ; β1- et β2-ARs, qui exercent des effets différents sur la fonction cardiaque.Dans une première partie de ma thèse, je me suis intéressé à l’étude du rôle des récepteurs β1- et β2-ARs dans la régulation différentielle de l’activité PKA cytoplasmique et nucléaire. J’ai ainsi pu montrer que contrairement aux récepteurs β1-ARs qui ont la capacité d’activer la PKA au niveau du cytoplasme et aux noyaux, les récepteurs β2-ARs activent la PKA uniquement au niveau du cytoplasme, et ce indépendamment de la capacité des récepteurs β2-ARs à induire une augmentation des niveaux d’AMPc dans les noyaux. En accord avec ces résultats, les récepteurs β1- mais pas β2-ARs activent le facteur pro-apoptotique régulé par la PKA, ICER.Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis intéressé aux différents mécanismes responsables de l’incapacité des récepteurs β2-ARs à activer la PKA au niveau des noyaux. Mes résultats soulignent le rôle de la localisation des récepteurs β2-ARs au niveau des cavéoles, leurs couplage aux protéines Gi, leurs désensibilisation par la GRK2 ainsi que la dégradation de l’AMPc généré par ces récepteurs par la PDE3 et 4 dans la régulation de la signalisation PKA cytoplasmique et pointent vers la PDE4 comme un régulateur central permettant de limiter l’activation de la PKA holoenzyme responsable des réponses PKA nucléaires. Mes résultats montrent également que la mAKAP est un élément clé dans la transduction de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β2-ARs et à un moindre degré, les récepteurs β1-ARs. Dans la dernière partie de ma thèse, j’ai étudié le remodelage de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β1- et β2-ARs au cours de l’insuffisance cardiaque. J’ai ainsi pu montrer qu’en plus de la diminution de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β1-ARs, il existe une signalisation PKA nucléaire de novo induite par les récepteurs β2-ARs dans les cardiomyocytes de rat adulte insuffisants.En conclusion, ce travail a mis à jour une nouvelle différence entre les récepteurs β1- et β2-ARs dans la signalisation PKA au niveau des noyaux des cardiomyocytes de rat adultes, et souligne le rôle important de la PDE4 et de la mAKAP dans la régulation de la signalisation PKA nucléaire induite par les récepteurs β2-ARs. / In the heart, acute activation of the cAMP/PKA pathway upon stimulation of β-adrenoceptors (β-ARs), plays a fundamental role in the regulation of cardiac function, whereas chronic activation of this pathway is deleterious, as it is responsible for cardiac arrhythmias and hypertrophic remodeling of the heart. In cardiac myocytes, there are mainly two subtypes of β-ARs: β1- and β2-ARs, which exert different effects on cardiac function.In the first part of my thesis, my work was focused on understanding the role of β1- and β2-ARs in the differential regulation of cytoplasmic and nuclear PKA activity. Hence, I have showed that unlike β1-ARs which have the capacity to induce the activation of PKA in the cytoplasm and the nucleus, β2-ARs induce the activation of PKA only in the cytoplasmic compartment, regardless of their ability to induce an increase in cAMP in the nuclei. Consistently, β1- but not β2-ARs were able to induce the activation of the pro-apoptotic factor regulated by PKA, ICER.The second aim of my thesis was to decipher the different mechanisms involved in the inability of β2-ARs to activate PKA in the nucleus. I concentrated my efforts on investigating the role of the localization of β2-ARs in caveolae, their coupling to Gi proteins, their desensitization by GRK2 as well as the hydrolysis of cAMP by PDE3 and 4 in the regulation of β2-AR-induced cytoplasmic PKA activity. My results point to PDE4 as a central regulator which limits the activation of the PKA holoenzyme pool involved in the nuclear PKA responses. My results also show that mAKAP is a key component of nuclear PKA signaling induced by β2-ARs and to a lesser extent by β1-ARs. In the last part of my thesis, I have studied the remodeling of nuclear PKA signaling induced by β1- and β2-ARs that occurs during heart failure. I showed that, besides a decrease in β1-AR-induced nuclear PKA signaling, there is a de novo β2-AR-induced nuclear PKA signaling in cardiomyocytes from rat with heart failure.In conclusion, this work uncovers a new difference in PKA signaling between β1- and β2-ARs at the nuclear compartment of adult rat cardiomyocytes and underlines the importance of PDE4 and mAKAP in the regulation of β2-AR-induced nuclear PKA signaling.

The circulatory system is one of the first systems that develops during embryogenesis. Angiogenesis describes the formation of blood vessels as a part of the circulatory system and is essential for organ growth in embryogenesis as well as repair in adulthood. A dysregulation of vessel growth contributes to the pathogenesis of many disorders. Thus, an imbalance between pro- and antiangiogenic factors could be observed in infantile hemangioma (IH). IH is the most common benign tumor during infancy, which appears during the first month of life. These vascular tumors are characterized by rapid proliferation and subsequently slower involution. Most IHs regress spontaneously, but in some cases they cause disfigurement and systemic complications, which requires immediate treatment. Recently, a therapeutic effect of propranolol on IH has been demonstrated. Hence, this non-selective β-blocker became the first-line therapy for IH. Over the last years, our understanding of the underlying mechanisms of IH has been improved and possible mechanisms of action of propranolol in IH have postulated. Previous studies revealed that gap junction proteins, the connexins (Cx), might also play a role in the pathogenesis of IH. Therefore, affecting gap junctional intercellular communication is suggested as a novel therapeutic target of propranolol in IH. In this review we summarize the current knowledge of the molecular processes, leading to IH and provide new insights of how Cxs might be involved in the development of these vascular tumors

L'AMP cyclique (AMPc) et le GMP cyclique (GMPc) sont des seconds messagers essentiels pour la régulation de la fonction cardiaque. Leurs niveaux sont régulés par l’adénylate cyclase et la guanylate cyclase, respectivement, et par les phosphodiestérases (PDEs). Cependant, une telle régulation est altérée dans l'insuffisance cardiaque (IC). En effet, la diminution de la signalisation de l’AMPc et l’augmentation de celle du GMPc est caractéristique des cœurs défaillants.Parmi la superfamille des PDEs, la PDE2 a la particularité d'être stimulée par le GMPc, conduisant ainsi à une augmentation remarquable de l'hydrolyse de l'AMPc. Ceci semble induire une interaction entre les voies de signalisation de l’AMPc et du GMPc. Cependant, le rôle de la PDE2 dans le cœur défaillant est très peu connu.Dans ce contexte, nous avons examiné si la PDE2 cardiaque est modifiée dans l’IC chez l’Homme et chez les modèles animaux d’IC, et déterminé le rôle de la PDE2 dans la signalisation β-adrénergique dans les cardiomyocytes. Grâce à l’utilisation de Western blot, de technique radioenzymatique, d’imagerie basée sur le FRET, de la planimétrie, de la microscopie à épifluorescence et des mesures du courant calcique de type L, réalisés sur les tissus myocardiques humains et/ou dans des cardiomyocytes isolés de cœurs des modèles animaux d’IC, respectivement, nous avons montré que l’expression et l’activité de la PDE2 sont augmentées dans les cœurs défaillants. Cette augmentation réduit l’effet d’une stimulation β-adrénergique aiguë, contribuant à la désensibilisation β-adrénergique observée dans l’IC. En accord avec ces résultats, la surexpression de la PDE2 dans des cardiomyocytes sains, réduit l’augmentation des taux d'AMPc et l’amplitude du courant ICa,L et abolit l'effet inotrope positif suite à une stimulation β-adrénergique aiguë, sans affecter la contractilité basale. Plus important, les cardiomyocytes surexprimant la PDE2, montrent une protection contre les réponses hypertrophiques induites par la noradrénaline et contre les arythmies induites par l'isoprotérénol.En conclusion, ce travail met en évidence l'altération de la PDE2 dans l’IC et nous laisse suggérer que l’augmentation de la PDE2 dans l’IC peut constituer un mécanisme de défense important dans des conditions de stress cardiaque, notamment en antagonisant la suractivation de la voie β-adrénergique. Ainsi, l'activation de PDE2 myocardique peut représenter une nouvelle stratégie thérapeutique anti-adrénergique intracellulaire dans l’IC. / Cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP) are critical second messengers for the regulation of cardiac function. Their levels are regulated by adenylyl and guanylyl cyclases, respectively, and by cyclic nucleotides phosphodiesterases (PDEs). However, such regulation is altered in heart failure (HF). Indeed diminished cAMP- and augmented cGMP-signaling is characteristic of failing hearts.Among the PDE superfamily, PDE2 has the unique property to be stimulated by cGMP, thus leading to a remarkable increase in cAMP hydrolysis. This appears to mediate a negative cross-talk between cAMP- and cGMP signaling pathways. However, the role of PDE2 in the failing heart is only poorly understood.In this context, we investigated whether myocardial PDE2 is altered in human and experimental HF and determined PDE2 mediated effects on β-adrenoceptor (β-AR) signaling in cardiomyocytes. Using immunoblotting, radioenzymatic- and FRET-based assays, video-edge-detection, epifluorescent microscopy and L-type Ca2+ current measurements, performed in myocardial tissues and/or isolated cardiomyocytes from human and/or experimental HF, respectively, we showed that PDE2 is markedly upregulated in failing hearts. This reduces the effect of an acute β-adrenergic stimulation, and contributes to the β-adrenergic desensitization which is a characteristic feature in HF. Accordingly, PDE2 overexpression in healthy cardiomyocytes reduced the rise in cAMP levels and ICa,L amplitude and abolished the inotropic effect following acute β-AR stimulation, without affecting basal contractility. Importantly, PDE2-overexpressing cardiomyocytes showed marked protection from norepinephrine-induced hypertrophic responses and from isoproterenol-induced arrhythmias.In conclusion, this work highlights the alteration of PDE2 in HF and lets us assume that PDE2 upregulation in HF may constitute an important defence mechanism during cardiac stress, e.g. by antagonizing excessive β-AR drive. Thus, activating myocardial PDE2 may represent a novel intracellular anti-adrenergic therapeutic strategy in HF.