Le calcium est un élément indispensable à la formation du système nerveux. Il intervient dans de nombreuses fonctions qui permettent la mise ne place et le fonctionnement d'un organe. Le but de ce travail a été de caractériser les canaux calciques de type T dépendants du potentiel présents transitoirement dans les neurones vestibulaires primaires et de comprendre le rôle des influx calciques qu'ils induisent au cours du développement périnatal chez la souris. <br />Grâce à des études électrophysiologiques et pharmacologiques nous avons caractérisé les propriétés des sous-unités du canal de type T, Cav3.1 et Cav3.2, cette dernière générant un courant de forte amplitude à un stade précoce du développement. L'étude de l'activité électrique de ces neurones révèle la présence d'une dépolarisation post potentiel corrélée avec l'expression du canal Cav3.2.<br />L'analyse des propriétés de l'activité électrique aux stades précoces du développement révèle qu'elle présente un ralentissement de la phase de repolarisation du potentiel d'action bloqué par le cadmium. Cette activité devient plus rapide aux stades plus matures. Ces observations ont été faites à des stades de développement où se déroulent la neuritogenèse et la synaptogenèse.<br />Nous avons pu déterminer le rôle physiologique de Cav3.2 et de l'activité électrique qui découle de son activation par l'utilisation d'antisens sur un modèle de culture de neurones. En l'absence de ces dernières, un ralentissement de la pousse neuritique a été observé, démontrant l'implication cruciale des courants calciques de type T dans la formation de ce système sensoriel.

Le traitement et la gestion de la douleur sont depuis toujours une priorité pour le corps médical. Malgré leur importance pour la qualité de vie, les analgésiques couramment utilisés possèdent un ratio bénéfice/risque faible. La recherche de nouveaux concepts thérapeutiques pour lutter contre la douleur est donc une priorité. Afin de répondre à ce besoin, il faut d'abord comprendre les mécanismes de la perception de la douleur ainsi que, plus globalement, ceux permettant de percevoir son environnement. Dans ce contexte, de nombreuses études ont mis en évidence l'implication du canal calcique à bas seuil Cav3.2 dans les voies de la transmission de l'information douloureuse. Il représente donc une cible de choix pour le traitement de la douleur mais l'identité des neurones exprimant ces canaux ainsi que la fonction de Cav3.2 dans la physiologie des neurones sensoriels étaient jusqu'à présent inconnues. Au cours de cette thèse nous avons dans un premier temps décrit un nouvel inhibiteur des canaux calciques à bas seuil : le TTA-A2. Nous avons ainsi démontré que le TTA-A2 est un inhibiteur spécifique des canaux Cav3.1, Cav3.2, et Cav3.3. Il permet de diminuer l'excitabilité des neurones sensoriels exprimant Cav3.2, ce qui provoque une analgésie sur des animaux sains et pathologiques. Dans un deuxième temps nous nous sommes servis de ce nouvel outil en parallèle d'un nouveau modèle murin possédant une étiquette fluorescente (Knock in GFP) sur le canal Cav3.2 pour explorer la localisation et la fonction de Cav3.2 dans les neurones sensoriels. Nous avons ainsi découvert que Cav3.2 est exprimé dans des mécanorécepteurs à bas seuil impliqués dans la perception des stimuli mécaniques et thermiques nocifs ou non-nocifs. Le canal en lui-même se trouve aux endroits clés de la genèse et de la propagation du message nerveux périphérique, et module le seuil et la vitesse de conduction des potentiels d'action. Replacé dans le contexte de la bibliographie, l'ensemble de nos résultats montre que Cav3.2 permet de donner la modalité à bas seuil aux neurones l'exprimant. / Pain management and treatment have always been a priority for life quality. Despite this fact, analgesics commonly used present a bad benefice/risk ratio. Discovery of new therapeutic concepts to fight pain is highly required. To complete this task, we first need to better understand pain perception mechanisms, and more globally, mechanisms involved in the perception of our environment. In this context, numerous studies have shown that low threshold calcium channels Cav3.2 are involved in pain information transmission. Thus, it represents a good target for the treatment of pain. However, neuronal identity of Cav3.2-expressing sensory neurons and Cav3.2 functions in neuronal physiology are unknown. During this PhD we first described a new low voltage activated channel antagonist named TTA-A2. We demonstrated that TTA-A2 is a powerful nanomolar specific agonist of Cav3.1, Cav3.2 and Cav3.3. This molecule is able to reduce excitability in sensory neurons expressing Cav3.2, and is able to generate a strong analgesic effect on naive and pathologic animals. In the other part of this PhD, we used this new tool combined to a new transgenic mouse that expressed Cav3.2 tagged with a fluorescent protein (Knock-in GFP). With these new tools we discovered that Cav3.2 is expressed in low threshold mechanoreceptors involved in detection of painful and non painful mechanical and thermal stimuli. Cav3.2 itself is expressed at key localisations that allow action potential generation and propagation, and modulate threshold and speed conduction of action potential. Taken together, these results show that Cav3.2 gives the “low threshold” modality to neurons.

Les plantes médicinales constituent un réservoir important de substances naturelles pour la découverte de nouvelles molécules thérapeutiques. L’intérêt de ce travail est d'explorer le potentiel thérapeutique des plantes médicinales connues pour leurs vertus neuromodulatrices et potentiellement d’intérêt pour le traitement de maladies neurologiques, y compris l’épilepsie, en étudiant leur capacité à cibler l’activité des canaux calciques de type T qui jouent un rôle important dans l’hyperexcitabilité neuronale et la physiopathologie des épilepsies. Le premier objectif de ma thèse était d’étudier l’effet des extraits de plantes méditerranéennes ; Lavandula stoechas, Rosmarinus officinalis et Peganum harmala, ainsi que leurs principes actifs ; le linalol, l’acide rosmarinique et l’harmaline, respectivement, sur des courants calciques de type T en utilisant la technique patch-clamp en configuration cellule-entière. Les enregistrements électrophysiologiques à partir de cellules HEK-293 exprimant les canaux T montrent que la lavande, le romarin et l’harmal réduisent significativement les courants de type T sur la gamme de potentiel membranaire testée. Les produits naturels arrivent à déplacer l'état stable d’inactivation vers des potentiels de membrane plus négatifs et certains (Peganum harmala) accélèrent significativement la cinétique d'inactivation des canaux T. Le deuxième objectif était d’étudier l’effet anticonvulsivant et/ou antiépileptique de ces plantes et du TTA-A2 ; un bloqueur sélectif des canaux T, sur un modèle animal d’épilepsie. Nos résultats valident le PTZ et la 4-AP comme inducteurs de crises chez le poisson zèbre, ces deux modèles permettant le criblage pour des molécules anticonvulsivantes et/ou antiépileptiques. Nos résultats montrent que le romarin, la lavande ainsi que le TTA-A2 inhibent les crises pseudo-épileptiques chez ces deux modèles. Dans l’ensemble, ce projet suggère que les canaux T seraient impliqués dans les propriétés neuroprotectrices et anticonvulsivantes des plantes médicinales étudiées et valide le rôle des plantes médicinales comme source intéressante de produits thérapeutiques. / Medicinal plants represent an interesting reservoir of natural substances for the discovery of new therapeutic molecules. The interest of this work is to explore the therapeutic potential of medicinal plants, which are known for their neuromodulation effects, by studying their ability to target the activity of T-type calcium channels which play a major role in neuronal hyperexcitability and the pathophysiology of epilepsy and other neurological diseases.The first objective of my thesis was to study the effect of Mediterranean plant extracts; Lavandula stoechas, Rosmarinus officinalis and Peganum harmala and their active ingredients; linalool, rosmarinic acid and harmaline, respectively, on T-type calcium currents using the patch clamp technique in whole-cell configuration. Electrophysiological recordings from HEK-293 cells expressing T-type channels show that lavender, rosemary and Harmal significantly reduce T-type currents over the potential range tested. The natural products shifted steady-state inactivation towards more negative membrane potentials and some plants (Peganum harmala) significantly accelerate the inactivation kinetics of T-type channels. The second objective was to study the anticonvulsant / antiepileptic activity of these plants as well as TTA-A2, a selective T-type channel blocker, in an epilepsy model in zebrafish. Our results validate the PTZ and 4-AP as inducers of convulsions in zebrafish and both models could be used to screen for anticonvulsant and/or antiepileptic molecules. Our results show that rosemary, lavender and TTA-A2 inhibit seizures-like activity in these two models. Overall, this project suggests that T-type channels are involved in the neuroprotective and anticonvulsant properties of the studied medicinal plants and validates the role of medicinal plants as a valuable source of therapeutic products.

De nombreuses études expérimentales montrent que les canaux calciques activés par la dépolarisation membranaire, tout particulièrement les canaux calciques de type T (canaux T), jouent un rôle important dans la physiopathologie des épilepsies. Il existe trois isoformes des canaux T, Cav3.1, Cav3.2 et Cav3.3, toutes exprimées au niveau neuronal. De manière classique, c'est dans l'épilepsie absence où les canaux T ont été le plus étudiés. Les canaux T jouent également un rôle dans des modèles d'épilepsie partielle secondairement généralisée, comme le modèle pilocarpine qui mime l'épilepsie du lobe temporal (ELT). Jusqu'à présent ces canaux ne possédaient pas de pharmacologie spécifique, mais plusieurs molécules récemment synthétisées, en particulier le TTA-A2, apparaissent sélectives des canaux T. Le premier objectif de ma thèse était d'étudier l'implication des canaux T dans l'épileptogenèse. Pour cela nous avons traité des souris au TTA-A2 pendant la phase de latence du modèle pilocarpine (modèle ELT). Nos conditions expérimentales ne nous ont pas permis de conclure quant à une action protectrice du TTA-A2 dans ce modèle. Le deuxième objectif était d'étudier l'effet du TTA-A2 sur des modèles murins de convulsions généralisées : le modèle du Maximal Electroshock Seizure (MES) et le modèle pentylènetétrazole (PTZ). Deux lignées de souris inactivées pour les isoformes Cav3.1 ou Cav3.2 (KO Cav3.1 et KO Cav3.2) ont également été caractérisées dans cette étude. Nous montrons que le TTA-A2 réduit l'apparition des crises toniques dans le modèle MES et que les souris KO Cav3.1 sont également protégées, suggérant un rôle prépondérant des canaux Cav3.1 dans le développement des crises toniques. / Numerous experimental studies show that calcium channels activated by membrane depolarization, especially T-type calcium channels (T-channels), play an important role in the physiopathology of epilepsy. There are three T-channels isoforms, Cav3.1, Cav3.2 and Cav3.3, all expressed in neuronal level. Conventionally, T-channels were the most studied in absence epilepsy. T-channels are also involved in partial secondarily generalized epilepsy models, as the pilocarpine model that mimics temporal lobe epilepsy (TLE).Up to now, there was no specific pharmacology for this channels, but several molecules have recently been synthesized, particularly TTA-A2, appearing selective T-channels. The first goal of my thesis was to study the T-channels involvement in epileptogenesis. For this purpose we treated mice with TTA-A2 during the silent phase of the pilocarpine model (TLE model). Our experimental conditions do not allow us to conclude about a possible protective action of TTA-A2 on this model. The second goal was to study TTA-A2 effects on mice models of generalized seizures: the Maximal Electroshock model (MES) and the pentylenetetrazole model (PTZ). Two mice strains knock-out for Cav3.1 or Cav3.2 (KO Cav3.1 and KO Cav3.2) have also been characterized in this study. We show that the TTA-A2 reduces the appearance of tonic seizures in the MES model and the KO Cav3.1 mice are also protected, suggesting a preponderant role of Cav3.1 channels in the development of tonic seizures.

Les canaux de type T Cav3.2 sont des canaux calciques activés pour de faibles dépolarisations membranaires. Ils ont un rôle important dans la régulation de l’excitabilité neuronale, particulièrement dans les neurones des ganglions rachidiens dorsaux (DRG) où ils sont impliqués dans la transmission de la douleur. Il est établi que les canaux Cav3.2, natifs et recombinants, sont inhibés par de faibles concentrations de métaux divalents tels que le zinc et le nickel et qu’ils sont modulés par des agents oxydo-réducteurs. In vitro, la mutation ponctuelle de l’histidine 191 en glutamine (H191Q) diminue fortement la sensibilité du canal Cav3.2 pour ces différents composés et il est proposé que cette régulation joue un rôle physiologique. L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’impact physiologique de cette modulation sur l’excitabilité neuronale et dans la perception de la douleur. Pour ce faire, nous avons généré une souris knock-in (KI) portant la mutation H191Q sur Cav3.2. L’étude électrophysiologique a été réalisée sur une population de neurones de DRG particulière : les cellules D-hair qui sont des mécanorécepteurs exprimant de grands courants Cav3.2. Nous avons validé que la sensibilité des canaux Cav3.2 neuronaux des souris KI est diminuée pour le zinc, le nickel et l’ascorbate. Nous montrons que cette régulation modifiée favorise une augmentation de l’excitabilité de ces neurones. Pour étudier l’impact de cette modulation in vivo, nous avons effectué des études comportementales. Les souris KI ne présentent pas de différence dans la perception de la douleur mécanique et thermique, ni dans l’hyperalgésie induite par l’inflammation et la neuropathie. Toutefois, dans le test à la formaline les souris KI montrent une réponse exacerbée dans la phase tardive. En résumé, nous décrivons ici un modèle animal original pour l’étude de la régulation metal/redox du canal Cav3.2 et identifions un rôle de cette modulation dans l’excitabilité des neurones D-Hair. Nos résultats obtenus in vivo indiquent cependant que cette modulation des canaux Cav3.2 aurait un impact limité dans les voies de la douleur. / Cav3.2 T-type channels are low-voltage activated calcium channels. They have an important role in the regulation of neuronal excitability, particularly in neurons of the dorsal root ganglia (DRG) where they are involved in pain transmission. It is established that Cav3.2 channels are inhibited by low concentrations of divalent metals such as zinc and nickel, and are modulated by redox agents. In vitro, the histidine191-to-glutamine mutation (H191Q) greatly reduces the Cav3.2 channel sensitivity to these compounds and it is proposed that this regulation plays a physiological role. The objective of this thesis was to study the physiological impact of this modulation on neuronal excitability and pain perception. To do this, we generated a knock-in (KI) mouse carrying the H191Q mutation on Cav3.2. Electrophysiological study was carried out on a particular population of DRG neurons, the D-hair cells, which are mechanoreceptors that express large Cav3.2 currents. We show that the sensitivity to zinc, nickel and ascorbate of the neuronal Cav3.2 channels is significantly reduced in the KI mouse. We also show that this modified regulation promotes an increase in the excitability of these neurons. To study the impact of this modulation in vivo, we performed behavioral studies. KI mice show no difference in the perception of mechanical and thermal pain, nor in hyperalgesia induced by inflammation and neuropathy. However, KI mice show an exaggerated response in the late phase in the formalin test. In summary, we describe here an original animal model to study the metal/redox regulation of Cav3.2 channel and identify a role of this modulation in the excitability of D-Hair neurons. Our results indicate, however, that this modulation of Cav3.2 channel may have a limited impact in the pain pathways.

La douleur chronique occupe une place centrale dans les préoccupations de santé publique. En France, elle touche environ 20% de la population et a un impact négatif sur la qualité de vie des patients. Les traitements actuels sont généralement inefficaces ou associés à d’importants effets indésirables. Par conséquent, de nouvelles approches thérapeutiques sont nécessaires. Parmi les cibles potentielles, les canaux calciques voltage-dépendants de type T, en particulier l’isoforme Cav3.2, constituent des candidats d’intérêt. Aussi, l’objectif de cette thèse est de caractériser leur implication fonctionnelle dans deux types de douleur chronique : viscérale et somatique. Concernant la douleur viscérale, nous avons développé un modèle murin d’hypersensibilité colique associée à une inflammation à bas bruit, deux caractéristiques séméiologiques proches de la symptomatologie rencontrée chez la plupart des patients souffrant du syndrome de l’intestin irritable (SII) ou de maladies inflammatoires chroniques intestinales (MICI) durant les périodes de rémission. En ce qui concerne la douleur somatique, nous avons utilisé deux modèles murins de douleur inflammatoire, l’un présentant une inflammation subaiguë et l’autre persistante. Dans ces différents modèles, une inhibition pharmacologique via l’administration d’un antagoniste des canaux Cav3.2, le TTA-A2, ou génétique grâce à des souris présentant un Knock out (KO) de Cav3.2 a induit un puissant effet antalgique, démontrant une implication fonctionnelle des canaux Cav3.2 dans le développement et le maintien de ces types de douleur. De plus, l’utilisation de souris présentant un KO conditionnel de Cav3.2, spécifiquement dans les fibres C des ganglions de la racine dorsale (DRG), ainsi que l’emploi de l’ABT-639, un agent pharmacologique bloqueur des canaux de type T à action périphérique, nous ont permis de préciser la localisation de cette implication. Ainsi, une action majoritairement spinale présynaptique des canaux Cav3.2 a été mise en évidence pour la douleur viscérale alors qu’une action plus complexe de ces canaux est mise en jeu pour la douleur somatique inflammatoire. En effet, pour cette dernière, le canal Cav3.2 présente une implication à la fois spinale et périphérique. De plus, nous avons montré un rôle des canaux Cav3.2 dans le processus inflammatoire, s’effectuant au travers d’une implication de ces derniers dans les cellules immunitaires. Enfin, dans une démarche de recherche translationnelle, nous avons évalué l’effet de l’éthosuximide (ETX), un bloqueur des canaux de type T, utilisé en clinique dans le traitement de l’épilepsie. Nous avons décrit un effet antalgique de ce dernier dans chacun des modèles étudiés ainsi qu’une action anti-inflammatoire, apportant ainsi une preuve de concept préclinique pour une évaluation d’efficacité clinique de l’ETX dans un contexte de douleurs viscérales ou somatiques inflammatoires. L’ensemble de ces résultats apporte de nouvelles connaissances concernant l’implication des canaux Cav3.2 dans la douleur chronique et permet de proposer ces canaux comme des cibles d’intérêt pour le développement de stratégies thérapeutiques innovantes visant à soulager les patients. / Chronic pain is a central concerns to public health. In France, it affects about 20% of the population and has a negative impact on the patients’ quality of life. Current treatments are generally ineffective or associated with strong adverse effects. Therefore, new therapeutic approaches are needed. Among the potential targets, the T-type voltage-dependent calcium channels, in particular the Cav3.2 isoform, constitute candidates of interest. Thus, the objective of this thesis is to characterize their functional implication in two types of chronic pain: visceral and somatic. We have developed a murine model of colonic hypersensitivity associated with low grade inflammation, two symptomatic features close to the symptomatology found in most patients suffering from irritable bowel syndrome (IBS) or with diseases inflammatory bowel disease (IBD) during remission periods. Concerning the somatic pain, we used two murine models of inflammatory pain, one with subacute inflammation and another with persistent inflammation. In these different models, a pharmacological inhibition with the administration of a Cav3.2 channel antagonist, TTA-A2, or a genetic approach using Cav3.2 knockout (KO) mice induced a robust analgesic effect demonstrating a functional implication of Cav3.2 channels in the development and maintenance of these types of pain. Moreover, the use of mice with a Cav3.2 conditional KO, specifically in the C-dorsal root ganglia (DRG) fibers, and the use of ABT-639, a peripherally acting pharmacological blocker of type T channels, allowed us to specify the localization of this implication. Thus, a pre-synaptic spinal action of the Cav3.2 channels has been demonstrated for visceral pain whereas a more complex action of these channels is involved for inflammatory somatic pain. Indeed, for the latter, Cav3.2 channels present a spinal and peripheral implication. In addition, we have shown the role of Cav3.2 channels in the inflammatory process, with an involvement located in the immune cells. Finally, with a translational research approach, we evaluated the effect of ethosuximide (ETX), a T-channel blocker, clinically used in the treatment of epilepsy. We have described an analgesic effect of the latter in both studied models as well as an anti-inflammatory action. These results constitute a pre-clinical proof of concept for a clinical efficacy evaluation of ETX in a context of visceral pain or somatic inflammatory diseases. Altogether these results provide new insight about the involvement of Cav3.2 channels in chronic pain and allow us to propose these channels as targets of interest for the development of new therapeutic strategies to relieve patients.