La prise en charge de la douleur est un enjeu médical majeur car il existe toujours des douleurs réfractaires aux traitements antalgiques actuels. La détection de la douleur est assurée par les neurones nociceptifs dont l'excitabilité est majoritairement contrôlée par les canaux sodiques dépendants du potentiel (Nav). Parmi eux, le canal Nav1.9 se distingue par son expression restreinte dans les nocicepteurs et par ses caractéristiques électrophysiologiques qui lui confèrent un rôle particulier dans l'électrogenèse de ces neurones. Au cours de ce travail de thèse nous avons caractérisé le rôle du canal Nav1.9 dans trois modèles de douleurs inflammatoires : aigue, persistant et chronique. Nous avons mis en oeuvre un ensemble de techniques d'analyses comportementales, moléculaires et électrophysiologiques, qui nous ont permis de montrer le rôle du canal Nav1.9 dans ces trois modèles de douleur et de révéler plusieurs mécanismes de régulation potentiels.Par la suite, nous nous sommes attachés à décortiquer l'un de ces mécanismes. Nous avons montré que le canal Nav1.9 est présent dans des microdomaines membranaires riches en cholestérol. Nous avons mis en évidence que l'inflammation diminuait la quantité de cholestérol dans les tissus. Ce mécanisme est à l'origine de douleurs dues à l'activation des canaux Nav1.9 et à leur relocalisation en dehors des radeaux lipidiques. Enfin nos expériences montrent que l'application topique de cholestérol peut réduire les douleurs inflammatoires, ouvrant de nouvelles perspectives thérapeutiques. / In mammals, perception of pain is initiated by signaling the occurrence of noxious stimuli through nociceptive neurons located in peripheral sensory ganglia. Nociceptive neurons play a pivotal role in pain perception as they transmit painful information to the central nervous system (CNS). They are largely responsible for the modifications of pain sensation caused by a lesion/inflammation or during the course of chronic diseases like rheumatoid arthritis. Unravelling the precise mechanism of ion channel activation during such pathophysiological conditions is one of the most challenging issues to design new therapeutic pain killer strategies.In this PhD thesis work, we will focus on one particular and promising sodium channel, named Nav1.9. We characterized Nav1.9 channel function in three inflammatory pain models: acute, persistent and chronic, using behavioural, molecular and electrophysiological analysis technics. This work allowed us to point out different putative mechanisms of regulation of this channel.We further decipher the regulation of Nav1.9 by cholesterol lipid in membrane microdomains. We showed that Nav1.9 channel is present in rafts specialized membrane microdomains enriched in cholesterol. We demonstrated that inflammation triggers a decrease in cholesterol level in inflamed territories and that cholesterol deletion induces mechanical allodynia in animals. In addition, we demonstrated that this pain was due to Nav1.9 channel activation and relocalization of this channel out of lipid rafts. Finally our experiments reported that exogenous cholesterol application reduces inflammatory pain. All these results provide a new insight in therapeutic perspectives.

La céphalée migraineuse est une pathologie invalidante qui représente un véritable problème de santé publique. Cette maladie chronique se déroule en crises récurrentes de 4 à 72 heures. Les douleurs observées résultent de la mise en jeu du système trigémino-vasculaire formé par les vaisseaux sanguins cérébraux et méningés et les fibres nerveuses nociceptives trigéminales. Ces fibres nociceptives expriment une large gamme de protéines (canaux ioniques) spécialisées dans la détection et la propagation du message douloureux. Parmi eux, le canal ionique Nav1.9 revêt un intérêt particulier en raison de son expression restreinte aux neurones nociceptifs et de son rôle prépondérant dans l'activité des nocicepteurs. Les résultats obtenus dans notre laboratoire montrent que le canal Nav1.9 est un acteur majeur de la céphalée migraineuse et doit être considéré comme une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de la migraine. Nous cherchons maintenant à comprendre quel est le rôle du système immunitaire, et en particulier des mastocytes, dans la céphalée migraineuse. Les mastocytes sont localisés à proximité des vaisseaux sanguins méningés, en étroite apposition avec les fibres nociceptives. Les mastocytes sont connus pour libérer un grand nombre de médiateurs de l'inflammation par un processus de dégranulation. Nous pensons que ces facteurs sécrétés agissent sur le canal Nav1.9 et contribuent à amplifier l’inflammation neurogène et la céphalée. Nos travaux visent donc à évaluer le poids de la dégranulation mastocytaire dans la phase de céphalée migraineuse, à en comprendre les mécanismes intimes et à développer de nouveaux médicaments sur la base de ces mécanismes. / Résumé vulgarisé en anglaisMigraine is a common neurological disorder that affects a large portion of the population. This chronic disease occurs in attacks or episodes that can cause significant pain (4 to 72 hours) accompanied by light (photophobia) and sound (phonophobia) sensitivity and cutaneous hypersensitivity. Current treatments have many side effects and remain ineffective in chronic conditions.Migraine pain results from the activation of nociceptive pathways (fibers of pain) at the level of meningeal vessels. These nociceptive fibers express a wide range of proteins (ion channels) specialized in the detection and spread of the pain message. Among them, the ion channel Nav1.9 is particular interest because of its restricted expression to nociceptive neurons and its preponderant role in the activity of nociceptors. We developed a model of migraine headache in mice that has all migraine symptoms. These symptoms disappear when the gene encoding the Nav1.9 channel has been invalidated. We have shown that activation of the Nav1.9 channel is responsible for pain during a migraine attack and that it is involved in sterile neurogenic inflammation of the meninges.The results obtained show that the Nav1.9 channel is a critical determinant of migraine attack and emerges as a promising target for migraine therapeutics.

Les canaux sodiques dépendants du voltage, ou canaux Nav, jouent un rôle capital dans l'excitabilité neuronale, dans la genèse et dans la propagation des potentiels d'action. Le canal Nav1.9 se distingue par une expression restreinte aux nocicepteurs et par des propriétés électrophysiologiques uniques qui, si elles excluent sa contribution à la phase dépolarisante du potentiel d'action, lui confèreraient un rôle dans la modulation de l'excitabilité des nocicepteurs. Ce travail de thèse vise à caractériser son implication dans la physiopathologie de la douleur par une approche comportementale, moléculaire et fonctionnelle. La première partie de ce travail consiste à étudier la contribution du canal Nav1.9 à la douleur inflammatoire. Nous avons donc réalisé différents tests comportementaux chez des souris knock-out (KO) et des rats traités par antisens (knock-down) modèles de douleur inflammatoire (aigu, subaigu, chronique). L'expression du canal ainsi que ses propriétés électrophysiologiques sont ensuite analysées chez ces mêmes modèles animaux. Notre premier constat est que le canal Nav1.9 n'est pas impliqué dans la réponse à une stimulation mécanique ou thermique chaude nociceptive chez des animaux sains. En revanche, l'hypersensibilité douloureuse thermique et mécanique induite par une inflammation subaiguë (carragénine intraplantaire) ou chronique (monoarthrite) est significativement réduite chez la souris KO Nav1.9. Un résultat similaire est obtenu par traitement antisens chez le rat, sur le modèle d'inflammation subaiguë. Chez la souris, suite à l'induction d'une inflammation subaiguë, une légère diminution suivie d'une forte augmentation de l'expression protéique du canal Nav1.9 est observée dans les ganglions rachidiens innervant la patte enflammée. Une augmentation de la quantité de canaux est également observée au niveau des troncs nerveux cutanés innervant cette même zone. Les canaux néosynthétisés ne contribuent pas au courant sodique enregistré en patch clamp dans les corps cellulaires des neurones des ganglions rachidiens, mais nos données suggèrent qu'ils sont exportés en direction des terminaisons nerveuses, où ils pourraient devenir fonctionnels et augmenter l'excitabilité cellulaire. La deuxième partie de ce travail de thèse consiste à caractériser l'implication de canal Nav1.9 dans la perception du froid et dans l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Nous avons en effet observé de manière inattendue que les souris KO Nav1.9 présentent des seuils de douleur au froid (<10°C) plus élevés que les souris sauvages. Ce phénomène est confirmé par plusieurs tests comportementaux chez les souris KO et chez des rats traités par antisens anti-Nav1.9. L'oxaliplatine, prescrit dans le traitement des cancers colorectaux, est connu pour induire une hypersensibilité au froid invalidante chez la majorité des patients. Nous avons donc décidé d'étudier la contribution du canal Nav1.9 à ce symptôme. Suite à une injection unique d'oxaliplatine, une forte hypersensibilité au froid apparait chez les souris dès 20°C. Nous montrons que le KO Nav1.9 permet de supprimer l'hypersensibilité au froid aux températures normalement non douloureuses (20 et 15°C, allodynie), et de réduire l'hypersensibilité aux températures douloureuses (10 et 5°C, hyperalgie). Le même effet est observé chez le rat après traitement antisens. En conclusion, ce travail permet de mettre en évidence l'intérêt du canal Nav1.9 en tant que cible pharmacologique potentielle pour le traitement de douleurs inflammatoires et de l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Il est de plus intéressant de constater que les seuils de réponse à des stimuli nociceptifs ne sont pas perturbés chez les souris KO Nav1.9 saines, à l'exception de la douleur provoquée par des températures froides extrêmes. Le blocage du canal Nav1.9 aurait donc des propriétés anti-hyperalgiques plutôt qu'antalgique, ce qui est conceptuellement intéressant. / Voltage-gated sodium channels, or Nav channels, play a key role in neuronal excitability and in the emission and propagation of action potentials. Among the different Nav isoforms, Nav1.9 is only expressed in nociceptors and shows atypical electrophysiological properties which, if they exclude a possible contribution to the depolarizing phase of the action potential, could be important for the modulation of nociceptors' excitability. This study aims to characterize the Nav1.9 implication in the pathophysiology of pain using behavioral, molecular and functional approaches. The first part of this work is to assess the Nav1.9 contribution to inflammatory pain. Therefore we have performed several behavioral tests in different inflammatory pain models (acute, subacute, chronic), using knock-out (KO) mice and rats treated with antisense oligodeoxynucleotides. Nav1.9 expression and electrophysiological properties are then analyzed within the same animal models. First, we observe that Nav1.9 channels do not contribute to pain perception in response to noxious heat or pressure in healthy animals. However, thermal and mechanical pain hypersensitivity induced by subacute (intraplantar carrageenan) or chronic (monoarthritis) inflammation is significantly lowered in Nav1.9 knock-out mice. Similar results are obtained on the subacute inflammation model using a knock-down strategy in rats. A weak reduction followed by a strong increase in Nav1.9 protein expression is observed in mice dorsal root ganglions innervating the inflamed paw during subacute inflammation. We also observe an increase in Nav1.9 immunolabeling in cutaneous nerve trunks innervating this zone. Whereas the newly produced channels do not contribute to the sodium current recorded in dorsal root ganglion cell bodies, as assessed by patch clamp, our data suggest that they are transported to nerve terminals where they could become functional and increase neuronal excitability. In the second part of this study, we aim to characterize the implication of Nav1.9 channels in cold perception and in oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Indeed, we surprisingly observed that Nav1.9 KO mice showed higher pain thresholds to intense cold (<10°C) than wild-type mice. This observation is confirmed by several behavioral tests in KO mice and in antisense-treated rats. As oxaliplatine (a platinum salt used to treat colorectal cancer) is known to induce cold pain hypersensitivity in most of the patients, we decided to study the Nav1.9 contribution to this symptom. Following acute oxaliplatin injection, a strong cold hypersensitivity is observed in wild-type mice at 20°C and below. We show that Nav1.9 KO results in a suppression of cold hypersensitivity to non-noxious temperatures (20 and 15°C, allodynia), and a reduction of hypersensitivity to noxious cold (10 and 5°C, hyperalgesia). A similar observation is made using Nav1.9 knock-down in rats. To conclude, our data shows that Nav1.9 could be potentially a good target to treat acute to chronic inflammatory pain, as well as oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Furthermore, as Nav1.9 is not involved in defining pain thresholds of healthy animals (except for noxious cold), its blockade would have anti-hyperalgesic rather than analgesic effects, which is conceptually interesting.

京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13583号 / 論医博第2303号 / 新制||医||1070(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 滝田 順子, 教授 小川 誠司, 教授 松田 文彦 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les canaux sodiques dépendants du voltage, ou canaux Nav, jouent un rôle capital dans l'excitabilité neuronale, dans la genèse et dans la propagation des potentiels d'action. Le canal Nav1.9 se distingue par une expression restreinte aux nocicepteurs et par des propriétés électrophysiologiques uniques qui, si elles excluent sa contribution à la phase dépolarisante du potentiel d'action, lui confèreraient un rôle dans la modulation de l'excitabilité des nocicepteurs. Ce travail de thèse vise à caractériser son implication dans la physiopathologie de la douleur par une approche comportementale, moléculaire et fonctionnelle. La première partie de ce travail consiste à étudier la contribution du canal Nav1.9 à la douleur inflammatoire. Nous avons donc réalisé différents tests comportementaux chez des souris knock-out (KO) et des rats traités par antisens (knock-down) modèles de douleur inflammatoire (aigu, subaigu, chronique). L'expression du canal ainsi que ses propriétés électrophysiologiques sont ensuite analysées chez ces mêmes modèles animaux. Notre premier constat est que le canal Nav1.9 n'est pas impliqué dans la réponse à une stimulation mécanique ou thermique chaude nociceptive chez des animaux sains. En revanche, l'hypersensibilité douloureuse thermique et mécanique induite par une inflammation subaiguë (carragénine intraplantaire) ou chronique (monoarthrite) est significativement réduite chez la souris KO Nav1.9. Un résultat similaire est obtenu par traitement antisens chez le rat, sur le modèle d'inflammation subaiguë. Chez la souris, suite à l'induction d'une inflammation subaiguë, une légère diminution suivie d'une forte augmentation de l'expression protéique du canal Nav1.9 est observée dans les ganglions rachidiens innervant la patte enflammée. Une augmentation de la quantité de canaux est également observée au niveau des troncs nerveux cutanés innervant cette même zone. Les canaux néosynthétisés ne contribuent pas au courant sodique enregistré en patch clamp dans les corps cellulaires des neurones des ganglions rachidiens, mais nos données suggèrent qu'ils sont exportés en direction des terminaisons nerveuses, où ils pourraient devenir fonctionnels et augmenter l'excitabilité cellulaire. La deuxième partie de ce travail de thèse consiste à caractériser l'implication de canal Nav1.9 dans la perception du froid et dans l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Nous avons en effet observé de manière inattendue que les souris KO Nav1.9 présentent des seuils de douleur au froid (<10°C) plus élevés que les souris sauvages. Ce phénomène est confirmé par plusieurs tests comportementaux chez les souris KO et chez des rats traités par antisens anti-Nav1.9. L'oxaliplatine, prescrit dans le traitement des cancers colorectaux, est connu pour induire une hypersensibilité au froid invalidante chez la majorité des patients. Nous avons donc décidé d'étudier la contribution du canal Nav1.9 à ce symptôme. Suite à une injection unique d'oxaliplatine, une forte hypersensibilité au froid apparait chez les souris dès 20°C. Nous montrons que le KO Nav1.9 permet de supprimer l'hypersensibilité au froid aux températures normalement non douloureuses (20 et 15°C, allodynie), et de réduire l'hypersensibilité aux températures douloureuses (10 et 5°C, hyperalgie). Le même effet est observé chez le rat après traitement antisens. En conclusion, ce travail permet de mettre en évidence l'intérêt du canal Nav1.9 en tant que cible pharmacologique potentielle pour le traitement de douleurs inflammatoires et de l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Il est de plus intéressant de constater que les seuils de réponse à des stimuli nociceptifs ne sont pas perturbés chez les souris KO Nav1.9 saines, à l'exception de la douleur provoquée par des températures froides extrêmes. Le blocage du canal Nav1.9 aurait donc des propriétés anti-hyperalgiques plutôt qu'antalgique, ce qui est conceptuellement intéressant.

Human body detects potentially damaging stimuli by specialized sensory nerve endings in the skin, the nociceptors. Their membranes are equipped with ion channels, molecular sensors, coding the outside stimuli into the trains of action potentials and conducting them to the higher brain centers. The most prominent group of transduction ion channels is the transient receptor potential (TRP) channel family followed by ion channels responsible for generation and conduction of action potentials from the periphery to the brain, the voltage-gated sodium channels (VGSCs). Understanding the mechanisms how particular stimulus is encoded and processed is of particular importance to find therapeutics for various types of pain conditions. We characterized the properties of VGSC subtypes NaV1.9 and NaV1.8 at high temperatures. We showed that NaV1.9 undergo large increase in current with increasing temperatures and significantly contribute to the action potential generation in dorsal root ganglion (DRG) neurons. Ciguatoxins (CTXs) are sodium channels activator toxins causing ciguatera fish poisoning, a disease manifested by sensory and neurological disturbances. We elucidated the mechanism of CTX- induced cold allodynia, a pathological phenomenon where normally innocuous cool temperatures are perceived as pain. We...