Les douleurs chroniques et notamment les douleurs neuropathiques sont particulièrement difficiles à traiter par les solutions thérapeutiques actuellement disponibles. Par conséquent, il existe un besoin crucial de découvrir et d'exploiter de nouveaux concepts d'antalgiques afin de traiter ce type de douleurs. Parmi les différentes pistes possibles, le système glutamatergique semble particulièrement intéressant puisque le glutamate est le principal neurotransmetteur propageant l'information douloureuse. Notre hypothèse est que l'activation du récepteur mGlu4 spinal inhiberait la neurotransmission glutamatergique et réduirait donc l'excès de douleur observé lors de douleurs chroniques. Grâce notamment au développement du premier agoniste orthostérique sélectif de mGlu4, nous avons mis en évidence que le récepteur mGlu4 n'altère pas la perception de la douleur aiguë mais qu'il influe, au contraire, sur l'aspect pathologique de la douleur en inhibant l'allodynie et l'hyperalgie mécanique ou thermique présentes lors de douleurs chroniques. Nous montrons que la modulation de l'hypersensibilité par mGlu4 semble provenir de sa capacité à inhiber la transmission glutamatergique via un couplage négatif avec les canaux calciques de type N au niveau de la couche II de la moelle épinière et plus particulièrement au niveau des fibres exprimant le transporteur vésiculaire VGLUT3. L'ensemble de nos résultats permettent de valider le récepteur mGlu4 spinal comme une cible thérapeutique potentielle pour le traitement des douleurs chroniques. En effet, les agonistes de mGlu4 pourraient être des antalgiques puissants et sélectifs des douleurs pathologiques. / Chronic pain and in particular neuropathic pain are particularly difficult to treat by therapeutic options currently available. Therefore, it is a crucial to develop new concepts of analgesics to treat this type of pain. Among the various possibilities, targeting the glutamatergic system seems to be particularly interesting since glutamate is the main neurotransmitter propagating the pain information. Our hypothesis is that the activation of spinal mGlu4 receptor would inhibit the spinal glutamatergic neurotransmission and would thus reduce the excess of pain observed in chronic pain.Thanks to the development of the first orthosteric agonist selective for mGlu4 and the use of transgenic animals, we demonstrated that mGlu4 receptor does not alter the perception of acute pain but that it does affect the pathological aspect of pain by inhibiting the allodynia and the hyperalgesia (mechanical and thermal) usually observed in chronic pain. We show that the mGlu4 modulation of the hypersensitivity seems to result from the ability of the receptor to inhibit the glutamatergic transmission through a negative coupling with N-type calcium channels in the lamina II of the spinal cord and especially at the level of fibers expressing the vesicular transporter VGLUT3. Taken together, our results validate spinal mGlu4 as a potential therapeutic target for the treatment of chronic pain. Indeed, mGlu4 agonists could be potent and selective painkillers of pathological pain.

An ultra-low dose of a drug is approximately 1000-fold lower than the dose range traditionally used to induce a therapeutic effect. The purpose of the present thesis was to broaden the knowledge of the ultra-low dose effect, that was previously identified in the opioid receptor system, by looking at whether opioids and cannabinoids interact at the ultra-low dose level, whether cannabinoid receptors themselves demonstrate the ultra-low dose antagonist effect, and whether the opioid ultra-low dose effect is maintained in a model of persistent, unavoidable pain. For experiment 1, separate groups of Long Evans rats were tested for antinociception following an injection of vehicle, the cannabinoid agonist WIN 55 212-2 (WIN), the opioid antagonist naltrexone (an ultra-low or a high dose), or a combination of WIN and naltrexone doses. Ultra-low dose naltrexone elevated WIN-induced tail flick thresholds without extending its duration of action. In experiment 2, antinociception was tested in rats following either acute or sub-chronic (7 days) injections of vehicle, WIN, ultra-low doses of the CB1 receptor antagonist rimonabant (SR 141716), or a combination of WIN and ultra-low dose rimonabant. Following the chronic experiment, striatal tissue was rapidly extracted and subjected to co-immunoprecipitation to analyse CB1 receptor coupling to G-protein subtypes. Ultra-low dose rimonabant extended the duration of WIN-induced antinociception, and attenuated the development of WIN-induced tolerance. Animals chronically treated with WIN alone had CB1 receptors predominately coupling to Gs proteins, whereas all other groups had CB1 receptors predominately coupling to Gi proteins. For experiment 3, all animals were subjected to the formalin test following either acute or sub-chronic injections of vehicle, the opiate morphine, ultra-low doses naltrexone, or a combination of morphine and ultra-low dose naltrexone. Ultra-low dose naltrexone had no significant effect on morphine-induced pain ratings in either the acute, or sub-chronic drug treatments. This thesis provides evidence that the ultra-low dose effect, including the agonist-induced G-protein coupling switch, extends to another receptor type. This effect may, therefore, be part of a generalized principle that applies to many G-protein coupled receptors. / Thesis (Ph.D, Psychology) -- Queen's University, 2007-11-05 09:31:30.162 / A portion of this research was supported by a Canadian Institutes of Health Research (CIHR) Proof of Principle Grant to M.C. Olmstead and J.J. Paquette.

Les neuropeptides endogènes chez l’homme, tels que les enképhalines et endomorphines, ont un potentiel thérapeutique considérable dans le traitement de la douleur. Ils agissent en activant les récepteurs opioïdes qui sont très largement distribués dans le système nerveux central ainsi que dans plusieurs tissus périphériques. Ces neuropeptides présentent, cependant, un certain nombre d’inconvénients qui limitent de manière importante leur efficacité thérapeutique. Tout d’abord, en raison de leur hydrophilie, ils ne passent pas la barrière sang/système nerveux, ce qui limite leur accès aux récepteurs opioïdes. De plus, ils présentent un temps de demi-vie plasmatique relativement court du fait d’une métabolisation rapide. Enfin, pour être efficaces, ces neuropeptides devraient résister à la protéolyse dans le système circulatoire et être suffisamment hydrophobes pour traverser ces barrières hémato-nerveuses.Le but de la thèse a consisté à créer de nouveaux nanomédicaments à base d’endorphines pour vectoriser et combattre la douleur de manière efficace.. Dans ce but, a été établi une liaison chimique covalente, enzymatiquement clivable (ester ou amide), entre le squalène (SQ, un lipide naturel et biocompatible) et le neuropeptide. Ce couplage donne lieu à des prodrogues qui ont la capacité de s'auto-assembler en nanoparticules (NPs) dans l'eau sans l’aide d'un agent tensio-actif. D’une manière générale, cette technologie présente de nombreux avantages tels qu’un taux de charge élevé en principe actif, une protection efficace de celui-ci vis-à-vis de la métabolisation et l’absence de phénomène de « burst release ».Durant ce travail de thèse, nous avons pu montrer pour la première fois que les Leu-enképhalines (LENK) pouvaient devenir efficaces pharmacologiquement une fois couplées au squalène, via une liaison amide (Am), ou via un bras espaceur, tel que le dioxycarbonyl (Diox), ou le diglycolate (Dig). Les prodrogues résultant de ce couplage ont toutes montré des propriétés d’auto-assemblage en milieu aqueux. Cette nanoformulation à base de squalène a permis, d’une part de protéger la LENK de la métabolisation rapide dans le plasma et d’autre part, de lui conférer un effet anti-hyperalgésique significatif dans un modèle de douleur inflammatoire induite chez le rat par la carragénine (test de Hargreaves). Il est important de souligner que cet effet anti-hyperalgésique a duré 3 fois plus longtemps qu’avec la morphine. Un prétraitement avec un antagoniste des récepteurs opioїdes imperméable à la BHE, comme la méthylnaloxone a complètement antagonisé l’effet anti-hyperalgésique des nanoparticules de LENK-SQ, démontrant ainsi que celles-ci agissent via les récepteurs opioïdes périphériques. De plus, l’étude de biodistribution de NPs LENK-SQ fluorescentes a montré une forte accumulation des celles-ci au niveau de la patte œdémateuse, mais aussi dans le foie, la rate et les poumons alors qu’aucun signal n’a pu être détecté au niveau cérébral, ce qui confirme bien l’effet périphérique de ces nanoparticules. Enfin, des études toxicologiques ont montré que malgré l’accumulation des NPs dans le foie, les taux d’aspartate transaminase (AST) et alanine transaminase (ALT) n’ont pas augmenté garantissant ainsi l’innocuité des NPs LENK-SQ après leur injection i.v. Cette étude représente une approche innovante et prometteuse permettant une distribution ciblée du neuropeptide endogène LENK dans les tissus œdémateux pour soulager efficacement la douleur inflammatoire. / Enkephalin is an endogenous pentapeptide producing potent analgesia by activating opioid receptors located on central and peripheral neuronal cell membranes. However, its clinical use has historically been limited due to pharmacokinetic issues, including restricted plasma stability and blood brain barrier impermeability. The aim of this project is to create a new enkephalin-based nanomedicine targeting pain, using biocompatible and biodegradable materials for drug delivery and targeting purposes, such as squalene (squalenoylation nanotechnology). This nanotechnology presents a new concept with numerous advantages in comparison with the conventional nanocarriers, such as high drug loading and absence of “burst release”. Here, we show for the first time, that the rapidly metabolized Leu-enkephalin (LENK) neuropeptide may become pharmacologically efficient owing to its simple conjugation with the squalene (SQ) using three different chemical linkers, i.e., dioxycarbonyl (Diox), diglycolate (Dig), or amide bond (Am). The resulting prodrugs were able to self-assemble in nanoparticles in aqueous media. This new squalene-based nanoformulation prevented rapid plasma degradation of LENK and conferred to the released neuropeptide a significant anti-hyperalgesic effect in a carrageenan-induced paw edema model in rats (Hargreaves test). It should be stressed that this effect lasted 3 times longer than morphine. Pretreatment with brain impermeant opioid receptor antagonist naloxone methiodide (Nal-M) reversed the nanoparticles induced anti-hyperalgesia, indicating that LENK-SQ NPs acted through peripherally located opioid receptors. Moreover, the biodistribution of DiD-fluorescently labeled LENK-SQ NPs showed a strong accumulation of the fluorescence within the inflamed paw as well as in the liver, spleen, and lung, while no signal could be detected in the brain, confirming the peripheral effect of LENK-SQ NPs. Toxicological studies showed that despite nanoparticles accumulation in the liver, the levels of aspartate transaminase (AST) and alanine transaminase (ALT) were not increased after i.v. injection of LENK-SQ NPs, highlighting thus their safety. This study represents a novel drug targeting approach, allowing the specific delivery of LENK neuropeptide into inflamed tissues for pain alleviation.

La transmission des messages douloureux depuis les nocicepteurs périphériques jusqu’aux structures supraspinales est sous le contrôle de systèmes modulateurs, parmi lesquels figurent les voies bulbo-spinales sérotoninergiques. Cependant leur rôle n’est pas complètement élucidé puisque selon le type de récepteur sérotoninergique mis en jeu, elles pourraient soit réduire la sensation douloureuse soit au contraire l’exacerber. De plus, le contrôle exercé par la sérotonine (5 HT) pourrait dépendre du type de douleur, aiguë, inflammatoire ou neuropathique chronique. En réalité, ces ambiguïtés tiennent au fait que les études réalisées jusqu’à présent ont surtout impliqué des approches pharmacologiques souvent peu fiables. Ce constat m’a conduit à mettre en œuvre une nouvelle approche expérimentale pour tenter de cerner le véritable rôle modulateur des voies sérotoninergiques bulbo-spinales sur différents types de douleur dans des conditions physiologiques normales ou physiopathologiques chez le rat. A cette fin, j’ai réalisé ce travail de thèse en trois étapes. La première étape a consisté à préciser les caractéristiques anatomiques des voies sérotoninergiques bulbo-spinales visualisées par un marquage antérograde (PHA-L) couplé à l’immunomarquage du transporteur de la sérotonine (SERT). L’étude différentielle des deux sous-structures de la région bulbaire B3 : le noyau raphé magnus (RMg) et le noyau paragigantocellulaire latéral (LPGi) m’a permis de montrer que les neurones sérotoninergiques qu’elles contiennent se projettent respectivement dans les couches profondes (VI-VI) et superficielles (I-II) de la corne dorsale, à tous les étages de la moelle épinière. Afin de dépléter sélectivement la 5-HT dans la corne dorsale, j’ai, dans une deuxième étape, injecté bilatéralement dans la région B3 un lentivirus recombinant LV-shTPH2 pour y éteindre l’expression de la TPH2, l’enzyme limitante de la synthèse de 5-HT. Les contrôles immunohistochimiques ont montré l’inhibition bilatérale de l’expression de la TPH2 dans le RMg et le LPGi, et la diminution de l’immunomarquage de la 5-HT sélectivement dans la corne dorsale, l’expression inchangée du transporteur SERT confirmant le maintien de l’intégrité des fibres sérotoninergiques chez les rats LV-shTPH2. L’évaluation de la sensibilité des animaux ainsi déplétés en 5-HT à différents tests validés de nociception aiguë n’a pas révélé de modifications significatives par rapport aux témoins. Mais dans des conditions de forte stimulation nociceptive thermique (50°C) ou chimique (carragénine), l’augmentation de l’immunomarquage de c-Fos dans la corne dorsale chez les rats LV-shTPH2 montre que la déplétion de 5-HT facilite la sensibilisation synaptique. Des différences encore plus nettes entre les rats LV-shTPH2 et les témoins sont surtout apparues en cas de douleur inflammatoire (formaline) ou neuropathique (ligature du nerf sciatique). Les modifications induites par la déplétion de 5-HT n’étaient cependant pas univoques puisqu’une hypoalgésie a été observée dans le cas d’une douleur inflammatoire et, qu’au contraire, l’hyperalgésie associée à la douleur neuropathique était exacerbée chez les rats LV-shTPH2. Ces modulations opposées laissant à penser l’implication de projections et/ou de récepteurs sérotoninergiques distincts, nous avons réalisé, dans une troisième étape, une étude pharmacologique qui a permis de montrer que l’effet pro-hyperalgésique observé chez les rats neuropathiques déplétés en 5-HT était probablement lié à un déficit d’activation de récepteurs 5 HT7. Notre étude démontre la réalité du contrôle physiologique du relai spinal des voies nociceptives par la 5-HT, via l’implication de projections bulbo-spinales et de récepteurs sérotoninergiques dont l’identification pourrait déboucher sur de nouvelles perspectives thérapeutiques. / The transmission of pain signals from peripheral nociceptors to supraspinal structures is under the control of modulatory systems, which include bulbo-spinal serotoninergic pathways. However, their role is not yet fully understood, as they may as well reduce or exacerbate pain as a function of 5-HT receptor types involved. Furthermore, their modulatory role might also differ depending on whether pain is acute, or chronic, with inflammatory or neuropathic origin. In fact, this ambiguous knowledge results from data essentially obtained with rather unreliable pharmacological approaches. This led me to set up an innovative experimental approach for a better assessment of the real implication of bulbo-spinal serotoninergic projections in pain control mechanisms under validated physiological and pathophysiological conditions in the rat. To this goal, I performed my PhD thesis work in three steps. The first step consisted of a precise anatomical description of bulbo-spinal serotoninergic projections identified by anterograde labeling (with PHA-L) and immunolabeling of the 5-HT transporter (SERT). The differential labeling of the two sub-areas within the B3 bulbar region : the nucleus raphé magnus (RMg) and the nucleus paragigantocellularis lateralis (LPGi) allowed the demonstration that their respective 5-HT neuron groups project separately into the deep (V-VI) and superficial (I-II) laminae of the dorsal horn, at all levels of the spinal cord. For the second step, aimed at depleting 5-HT selectively within the dorsal horn, I injected bilaterally into the B3 area a recombinant lentivirus, LV-shTPH2, designed to suppress the expression of TPH2, the rate limiting enzyme for 5-HT synthesis. Immunohistochemical controls showed that the resulting bilateral inhibition of TPH2 expression in both the RMg and the LPGi was associated with 5-HT depletion but no change in SERT (as expected of unaltered 5-HT fibers) in the dorsal horn. Using various behavioral tests, I could not detect any change in acute pain sensitivity in 5-HT-depleted rats. In contrast, the increased c-Fos immunohistochemical labeling within the dorsal horn after strong thermal (50°C) or chemical (carrageenan) noxious stimulation showed that 5-HT depletion promotes synaptic sensitization. Even more striking differences between LV-shTPH2 injected rats and paired controls were observed in case of inflammatory (formalin) or neuropathic (sciatic nerve ligation) pain. However, 5-HT depletion-induced changes differed under both conditions since hypoalgesia was noted in case of inflammatory pain, whereas neuropathic pain-evoked hyperalgesia was enhanced in 5-HT depleted, LV-shTPH2-injected rats. Because such opposite modulations might have been underlain by distinct serotoninergic pathways (i.e. from the RMg versus the LPGi for instance) and/or distinct 5-HT receptors, we decided, within the time remaining for achieving my PhD work, to perform a third step, focused on the 5-HT7 receptor type. Using pharmacological approaches, we could obtain data showing that exacerbated hyperalgesia in 5-HT-depleted neuropathic rats resulted from loss of tonic 5-HT7 receptor activation by endogenous 5-HT. Altogether, our data clearly demonstrate that bulbospinal serotoninergic projections are involved in the physiological control of pain signaling at spinal cord level. Further identification of underlying neuronal pathways and receptors might open novel therapeutic perspectives.

Les syndromes douloureux chroniques, inflammatoires ou neuropathiques, se caractérisent par une hypersensiblitité douloureuse, sous forme de douleurs spontanées et d’allodynie et d’hyperalgésie. L’isoforme γ de la protein kinase C (PKCγ), concentrée dans un type spécifique d’interneurones de la couche II interne (IIi) de la corne dorsale de la moelle ou du sous-noyau caudal du trijumeau (Sp5C) est impliqué dans mécanismes centraux de l’allodynie mécanique, une condition dans laquelle le toucher provoque une douleur. Nous avons utilisé des techniques comportementales et immunohistochimiques dans le système trigéminal.Le rôle de la PKCγ dans le développement de l’allodynie mécanique est bien établi après lésion nerveuse périphérique. Par contre, il l’est beaucoup moins dans l’allodynie d’origine inflammatoire. Nous avons testé l’hypothèse que l’allodynie mécanique persistante à la suite d’une inflammation périphérique provoquée par l’adjuvent complet de Freund (‘complete Freund’s adjuvant’ ou CFA) est bien due à une activation de la PKCγ. L’injection sous-cutanée de CFA au niveau de la zone d’insertion des vibrisses induit une allodynie persistante spécifiquement statique. L’immunomarquage phopho-ERK1/2 montre que l’expression de cette allodynie s’accompagne d’une activation d’interneurones des couches I-IIe et IIi-IIIe, dont des interneurones PKCγ de la couche IIi. Cette allodynie statique est supprimée par l’application intracisternale de l’antagoniste PKCγ, KIG31-1, avant l’injection de CFA, mais pas 3 jours après l’injection de CFA. Ainsi, comme pour l’allodynie mécanique neuropathique, l’activation de la PKCγ est nécessaire au développement de l’allodynie mécanique inflammatoire.Nous avons aussi examiné si l’activation de la PKCγ est suffisante pour le développement de l’allodynie mécanique. L’injection intracisternale de phorbol ester, 12,13-dibutyrate (PDBu), un activateur de la PKCγ, induit simultanément une allodynie mécanique statique et dynamique de la face. L’immunoréactivité phospho-ERK1/2 révèle que l’expression de ces deux allodynies mécaniques s’accompagne de la même activation d’interneurones des couches I-IIe et IIi-IIIe, dont des interneurones PKCγ de la couche IIi . Les effets de l’application de PDBu sont bloqués par l’application simultanée de KIG31-1.L’activation de la PKCγ seule est suffisante pour que se développe une allodynie mécanique, à la fois statique et dynamique. On sait que les interneurones PKCγ de la couche IIi sont directement activés par des afférences myélinisées mécaniques non nociceptives. Le niveau d’activation de la PKCγ contrôlerait la transmission de cette information vers les neurones de projection de la couche I, et donc la transformation du toucher en douleur. / Inflammatory and neuropathic chronic pain syndromes are characterized by pain hypersensitivy, manifest as spontaneous pain, allodynia and hyperalgesia. The γ isoform of protein kinase C (PKCγ), which is concentrated in a specific class of interneurons within inner lamina II (IIi) of the spinal (SDH) and medullary (MDH) dorsal horns, has been implicated in the central mechanisms underlying mechanical allodynia, a condition wherein touch produces pain. We used behavioral and immunohistochemical techniques in the trigeminal system.Whereas there is clear evidence for the involvement of PKCγ in neuropathic mechanical allodynia, that for the involvement of PKCγ in inflammatory mechanical allodynia is still controversial. We investigated the involvement of PKCγ into the persistent mechanical allodynia induced by complete Freund’s adjuvant (CFA) inflammation. Subcutaneous injection of CFA into the vibrissa pad of rats induced a persistent selectively static mechanical allodynia. Monitoring neuronal activity within medullary dorsal horn (MDH) with phospho-ERK1/2 immunoreactivity showed that activation of both laminae I-IIo and IIi-IIIo neurons, including lamina IIi PKCγ-expressing interneurons, was associated with the expression of static mechanical allodynia. Intracisternal injection of the selective PKCγ antagonist, KIG31-1, prevented CFA-induced static mechanical allodynia only when it was injected before, but not 3 days after, CFA injection. These results show that, as for neuropathic mechanical allodynias, PKCγ activation is necessary for inflammatory mechanical allodynia.We also examined whether PKCγ activation in naïve animals is sufficient for the establishment of mechanical allodynia. Intracisternal injection of the phorbol ester, 12,13-dibutyrate (PDBu), concomitantly induced static and dynamic facial mechanical allodynias Monitoring neuronal activity within MDH with phospho-ERK1/2 immunoreactivity revealed that the same activation of both laminae I-IIo and IIi-IIIo neurons, including lamina IIi PKCγ-expressing interneurons, was associated with the manifestation of both mechanical allodynias. PDBu-induced mechanical allodynias and associated neuronal activations were all prevented by intracisternal KIG31-1.Our findings reveal that PKCγ activation is sufficient for the development of static and dynamic mechanical allodynias. Lamina IIi PKCγ interneurons have been shown to be directly activated by low-threshold mechanical inputs carried by myelinated afferents. The level of PKCγ activation might thus gate the transmission of innocuous mechanical inputs to lamina I, nociceptive output neurons, thus turning touch into pain.

A hiperalgesia inflamatória é o processo pelo qual ocorre a sensibilização dos neurônios nociceptores aferentes primários por mediadores químicos inflamatórios, gerando assim uma diminuição do limiar nociceptivo e como consequência episódios de dor. Entre os principais mediadores envolvidos com a sensibilizacão das fibras nociceptivas periféricas está a prostaglandina E2 (PGE2), que é liberada como um produto final de uma cascata de mediadores inflamatórios. Dentro desta cascata de liberação hierárquica podemos destacar a interleucina -1? (IL)-1?, uma citocina importante na gênese da dor inflamatória, devido à sua capacidade de induzir a produção da enzima cicloxigenase-2 (COX-2), e consequentemente PGE2. O mecanismo de controle da produção da IL-1 ? envolvem dois passos intracelulares: a indução da expressão de uma forma protêica inativa (a pró-IL-1 ?) e a geração da forma biologicamente ativa (IL-1?) a partir da pró-IL-1 ?. Este último passo envolve a ação de uma cisteína-protease ativada em decorrência de um processo inflamatório, conhecida como Caspase-1, a qual cliva a pró-IL-1? em IL1?. Recentemente, nosso grupo demonstrou que a caspase-1 tem um papel importante na gênese da dor inflamatória, sendo crucial para a geração de IL-1? e consequentemente COX2/PGE2. Porém, não são conhecidos os mecanismos de ativação da caspase-1 na hiperalgesia inflamatória. Sabe-se que a ativação da Caspase-1 e clivagem da pro-IL-1? são dependentes de uma plataforma molecular intracelular denominada inflamassoma. Os principais inflamassomas ativadores de caspase-1 são formados pelas proteínas NLRP3, IPAF (NLRC4) e por sua molécula adaptadora ASC. O objetivo desse trabalho então foi avaliar a participação do inflamassoma na gênese da dor inflamatória. Nós identificamos que as moléculas IPAF e ASC, mas não o NLRP3, participa no desenvolvimento da hiperalgesia inflamatória mecânica e térmica induzida pela carragenina. Observou-se que estas moléculas são cruciais para a ativação da Caspase-1 e, consequentemente, para a produção da IL-1? ativa. Estes resultados evidenciam pela primeira vez um papel importante do inflamassoma no desenvolvimento da hiperalgesia inflamatória. / The inflammatory hyperalgesic is the process by which occurs the sensitization of nociceptors primary afferent neurons by inflammatory chemical mediators, that generating a decreased nociceptive threshold and result in episodes of pain. Among the main of nociceptive mediators involved with sensitization of peripheral nociceptive fibers are prostaglandin E2 (PGE2), which is released as a final product of a cascade of inflammatory mediators. Within this hierarchical cascade of release can highlight interleukin-1? (IL)-1?, a cytokine important in the genesis of inflammatory pain due to their ability to induce the production of the enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) and consequently PGE2. The control mechanism production of intracellular IL-1 ? involved two steps: induction of expression of a protein inactive form (pro-IL-1 ?) and the generation of the biologically active form from pro-IL-1 ? (IL-1?). This last step involves the action of a cysteine protease-activated due to an inflammatory process, known as Caspase-1, which cleaves pro-IL-1? to IL-1?. Recently our group has demonstrated that caspase-1 plays an important role in the genesis of inflammatory pain, crucial for the generation of IL-1? and consequently COX2/PGE2. However, there aren\'t known mechanisms of activation of caspase-1 in inflammatory hyperalgesic. It is known that the activation of Caspase-1 cleavage and pro-IL-1? are dependent on an intracellular molecular platform called inflammassome. The main inflammassome activators of caspase-1 proteins are formed by NLRP3, IPAF (NLRC4) and its adapter molecule ASC. The aim of this study was to evaluate the inflammassome participation in the genesis of inflammatory pain. We have identified molecules IPAF and ASC, but not NLRP3, is participate in the development of mechanical and thermal inflammatory hyperalgesic induced by carrageenan. It was observed that these molecules are crucial for the activation of Caspase-1 and thus for the production of active IL-1?. These results demonstrate for the first time an important role of the inflammassome in the development of inflammatory hyperalgesic.

A hiperalgesia inflamatória é o processo pelo qual ocorre a sensibilização dos neurônios nociceptores aferentes primários por mediadores químicos inflamatórios, gerando assim uma diminuição do limiar nociceptivo e como consequência episódios de dor. Entre os principais mediadores envolvidos com a sensibilizacão das fibras nociceptivas periféricas está a prostaglandina E2 (PGE2), que é liberada como um produto final de uma cascata de mediadores inflamatórios. Dentro desta cascata de liberação hierárquica podemos destacar a interleucina -1? (IL)-1?, uma citocina importante na gênese da dor inflamatória, devido à sua capacidade de induzir a produção da enzima cicloxigenase-2 (COX-2), e consequentemente PGE2. O mecanismo de controle da produção da IL-1 ? envolvem dois passos intracelulares: a indução da expressão de uma forma protêica inativa (a pró-IL-1 ?) e a geração da forma biologicamente ativa (IL-1?) a partir da pró-IL-1 ?. Este último passo envolve a ação de uma cisteína-protease ativada em decorrência de um processo inflamatório, conhecida como Caspase-1, a qual cliva a pró-IL-1? em IL1?. Recentemente, nosso grupo demonstrou que a caspase-1 tem um papel importante na gênese da dor inflamatória, sendo crucial para a geração de IL-1? e consequentemente COX2/PGE2. Porém, não são conhecidos os mecanismos de ativação da caspase-1 na hiperalgesia inflamatória. Sabe-se que a ativação da Caspase-1 e clivagem da pro-IL-1? são dependentes de uma plataforma molecular intracelular denominada inflamassoma. Os principais inflamassomas ativadores de caspase-1 são formados pelas proteínas NLRP3, IPAF (NLRC4) e por sua molécula adaptadora ASC. O objetivo desse trabalho então foi avaliar a participação do inflamassoma na gênese da dor inflamatória. Nós identificamos que as moléculas IPAF e ASC, mas não o NLRP3, participa no desenvolvimento da hiperalgesia inflamatória mecânica e térmica induzida pela carragenina. Observou-se que estas moléculas são cruciais para a ativação da Caspase-1 e, consequentemente, para a produção da IL-1? ativa. Estes resultados evidenciam pela primeira vez um papel importante do inflamassoma no desenvolvimento da hiperalgesia inflamatória. / The inflammatory hyperalgesic is the process by which occurs the sensitization of nociceptors primary afferent neurons by inflammatory chemical mediators, that generating a decreased nociceptive threshold and result in episodes of pain. Among the main of nociceptive mediators involved with sensitization of peripheral nociceptive fibers are prostaglandin E2 (PGE2), which is released as a final product of a cascade of inflammatory mediators. Within this hierarchical cascade of release can highlight interleukin-1? (IL)-1?, a cytokine important in the genesis of inflammatory pain due to their ability to induce the production of the enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) and consequently PGE2. The control mechanism production of intracellular IL-1 ? involved two steps: induction of expression of a protein inactive form (pro-IL-1 ?) and the generation of the biologically active form from pro-IL-1 ? (IL-1?). This last step involves the action of a cysteine protease-activated due to an inflammatory process, known as Caspase-1, which cleaves pro-IL-1? to IL-1?. Recently our group has demonstrated that caspase-1 plays an important role in the genesis of inflammatory pain, crucial for the generation of IL-1? and consequently COX2/PGE2. However, there aren\'t known mechanisms of activation of caspase-1 in inflammatory hyperalgesic. It is known that the activation of Caspase-1 cleavage and pro-IL-1? are dependent on an intracellular molecular platform called inflammassome. The main inflammassome activators of caspase-1 proteins are formed by NLRP3, IPAF (NLRC4) and its adapter molecule ASC. The aim of this study was to evaluate the inflammassome participation in the genesis of inflammatory pain. We have identified molecules IPAF and ASC, but not NLRP3, is participate in the development of mechanical and thermal inflammatory hyperalgesic induced by carrageenan. It was observed that these molecules are crucial for the activation of Caspase-1 and thus for the production of active IL-1?. These results demonstrate for the first time an important role of the inflammassome in the development of inflammatory hyperalgesic.

Résumé : Contrairement à ce que l'on pourrait croire, les douleurs chroniques ne constituent pas uniquement des symptômes, mais bien une pathologie à part entière. La pharmacopée actuelle ne permettant pas de les soulager efficacement, il y a maintenant un besoin de les considérer dans leur spécificité lors de la recherche de nouvelles thérapies. Dans cette optique, nous avons étudié le rôle des chimiokines et de leurs récepteurs dans le contrôle de la douleur. Connu pour leur rôle dans la réponse immunitaire, nous avons en particulier investigué le rôle du couple ligand-récepteur CCL2-CCR2 dans la régulation des douleurs d’origine arthritique. Nous avons d'abord évalué l'effet analgésique de notre molécule antagoniste du récepteur CCR2, l'INCB3344, dans un modèle de douleur inflammatoire où elle renverse d'environ 50% les douleurs provoquées et les douleurs spontanées lorsqu'administrée par voie spinale. Nous avons également pu observer que bloquer l'activation de CCR2 au niveau de la moelle épinière limite non seulement la neuroinflammation spinale, mais permet également de réduire la sévérité de l'atteinte inflammatoire périphérique en limitant le transport rétrograde de la substance P. Nous avons ensuite appliqué nos observations sur un modèle de douleur arthritique plus près de la réalité clinique des patients souffrant d'arthrite rhumatoïde. Nous y avons reproduit la majorité de nos effets analgésiques suite à une administration spinale. Le traitement est cependant demeuré sans effet sur l'œdème périphérique. Parallèlement à cela, l'administration périphérique du composé, sur une base de deux bolus par jour ou en libération continue par des mini-pompes osmotiques, n'a eu que de très faibles effets analgésiques, mais s'est révélé avoir un impact marquant sur l'œdème périphérique et le gain de poids des animaux. Finalement, c'est en combinant l'INCB3344 avec de l'ibuprofène qu'il a été possible d'avoir un impact positif sur le plus grand nombre de paramètres associés à la douleur chronique. Ces résultats suggèrent donc qu'un antagoniste du récepteur CCR2 possède un potentiel analgésique intéressant, d'autant plus lorsqu'il s'agit de douleur d'origine inflammatoire puisqu'il permet d'agir à la fois sur l'hypersensibilité nociceptive et sur la source même de la douleur inflammatoire. Ce potentiel devient d'autant plus intéressant que de le combiner à un anti-inflammatoire non-stéroïdien (l'ibuprofène) améliore l'efficacité des deux composés. // Abstract : Contrary to popular beliefs, chronic pain is not only a set of symptoms, but a bona fide pathology that the drugs currently available are not sufficient to efficiently relieve. There is thus a need to modify our approach to discover new analgesic agents, taking into consideration the specific physiopathology of chronic pain. With this in mind, we investigated the role of chemokines and their receptors in the modulation of pain. Also known for their participation in the immune response, we focused on the CCL2-CCR2 ability to regulate arthritic pain. We first evaluated the analgesic properties of INCB3344, a specific antagonist of the CCR2 receptor, in a model of inflammatory pain. It reverses both provoked and spontaneous pain by 50% when administered i.t. We also observed that spinally blocking CCR2 limited the expression of proinflammatory mediators. It also reduced peripheral inflammation by preventing peripheral transport of SP. We then translated our findings in a model of arthritic pain, closer to the clinical reality of patients with rheumatoid arthritis. Spinal administration of INCB3344 had similar analgesic actions, but did not altered peripheral inflammation. On the other hand, peripheral administration of INCB3344, either by subcutaneous injection or by continuous release assured by an osmotic pump, had almost no analgesic effects, but significantly reduced peripheral inflammation and reduced the weight loss. By combining INCB3344 with a daily administration of ibuprofen, we were however able to reduce both pain hypersensitivity and the severity of the peripheral inflammation. Taken together, these results suggest that CCR2 antagonism has promising analgesic properties; especially for inflammatory or arthritic pain as it can acts both on the sensibilized nociceptive network and on the peripheral source of the inflammatory pain. This become even more interesting as its mechanism is at least not completely redundant with those of classic non-steroidal anti-inflammatory drugs, which allow the combination of both class of molecule to yield even larger effect.

憂鬱症是盛行的精神疾病之一。慢性疼痛或是處在長期壓力情境的患者常與憂鬱症產生共病。在動物研究中，類鴉片delta受體制效劑能產生抗憂鬱效果，並且在發炎性疼痛的研究也指出類鴉片delta受體制效劑能展現抗痛覺過敏的效果。本研究主要利用大白鼠腦室內給予類鴉片delta受體制效劑SNC80以及三環抗憂鬱劑amitriptyline，來探討並比較其所產生的抗憂鬱效果在發炎性疼痛或長期壓力情境下與正常情境下的異同。大白鼠強迫游泳試驗被用來比較測試藥物的抗憂鬱效果；佛氏完全佐劑經由皮下注射至大白鼠右後腳掌底板來產生發炎性疼痛；腎上腺皮質酮經由皮下注射且持續21天來產生長期性壓力；西方墨點法用來檢驗在發炎性疼痛或長期壓力下，類鴉片delta受體蛋白質在大白鼠海馬迴的細胞膜上的改變。另外，拮抗劑實驗則用來確認類鴉片delta受體所產生的抗憂鬱效果。實驗結果顯示，大白鼠在正常情境下，SNC80及amitriptyline皆能產生抗憂鬱效果；然而在發炎性疼痛下，SNC80所產生的抗憂鬱效果有提高的表現，並且類鴉片delta受體蛋白質的數量在海馬迴的細胞膜上也隨著疼痛的時間增長而增加，amitriptyline則跟正常情境下的效果相似。另外，大白鼠在長期性壓力下，SNC80的抗憂鬱效果則沒有提高的表現，並且類鴉片delta受體蛋白質的數量在海馬迴的細胞膜上也未受到改變。本研究透過行為實驗提出類鴉片delta受體制效劑的藥理特性，並用分子生物學的方法來對應行為實驗的結果。本研究可做為未來類鴉片delta受體制效劑在治療慢性疼痛的憂鬱症患者上，可能發展為抗憂鬱藥的一個證據。 / Depression is one of the most prevalent mental illnesses all over the world. Patients with chronic pain or stress often have depression. Previous studies have shown that delta opioid receptor (DOR) agonists produced antidepressant-like effects in animal models and that antihyperalgesic effects of DOR agonists can be enhanced in rats under inflammatory pain. The aim of the study was to investigate and compare the antidepressant-like effects of a DOR agonist, SNC80, and a tricyclic antidepressant, amitriptyline, following intracerebroventricular (i.c.v.) administration in rats under different states. The forced swim test was used to determine the antidepressant-like effects of test compounds. Complete Freund’s adjuvant was injected subcutaneously into the right hind paw of rats to elicit inflammatory pain. Corticosterone was injected subcutaneously once per day for 21 days to induce chronic stress. The western blot was used to quantify the levels of DOR protein on plasma membrane in the hippocampus of rats under inflammatory pain or chronic stress. In addition, antagonist experiment was conducted to verify the receptor mechanism underlying the antidepressant-like effects of DOR agonist. Results indicated that i.c.v. SNC80 and amitriptyline dose-dependently produced antidepressant-like effects in rats under normal state. More importantly, the potency of SNC80-induced antidepressant-like effects, but not amitriptyline, was enhanced in rats under inflammatory pain. In addition, up-regulation of supraspinal DORs was time-dependently associated with enhanced antidepressant-like effects of SNC80 in rats under inflammatory pain. On the other hand, SNC80 did not produce enhanced antidepressant-like effects, and DOR density was not changed in rats under chronic stress. This study provides evidence of the DOR agonist’s state-dependent effects and suggests that DOR agonists may be more effective as potential antidepressants for patients with depression comorbid with chronic pain.

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.