Dopamine deficiency in the striatum is a central feature of Parkinson’s disease (PD). Symptomatic therapy with L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) aims at restoring physiological dopaminergic neurotransmission within the brain. Unfortunately, current treatment paradigms fail to achieve this goal, which leads to the emergence of motor complications, secondary to long term L-DOPA administration, including dyskinesia and wearing-OFF, and non-motor symptoms related to disease progression, including neuropsychiatric symptoms such as psychosis. However, degenerative changes in PD are not limited to the dopaminergic system, but also affect the serotonergic system. There is increasing evidence suggesting an involvement of the serotonergic system in the pathophysiology of both motor and non-motor complications of PD. The work presented in this Thesis has investigated the serotonergic and dopaminergic systems in PD, by performing post mortem studies in the brains of PD patients and of parkinsonian non-human primates (NHPs), and by performing behavioural studies in the parkinsonian rat and NHP models of PD. The main conclusions presented are that: 1) serotonergic type 1A (5-HT1A) and 2A (5-HT2A) levels are altered in the brains of dyskinetic parkinsonian NHPs, suggesting abnormal 5-HT1A- and 5-HT2A-mediated neurotransmission in dyskinesia; 2) 5-HT2A receptor levels are altered in the brains of PD patients with visual hallucinations (VH), suggesting abnormal 5-HT2A-mediated neurotransmission in VH; 3) some of the anti-dyskinetic actions attributed to stimulating 5-HT1A or antagonising 5-HT2A receptors might in fact be due to an antagonist action at D4 receptors, as antagonising D4 receptors significantly alleviates L-DOPA-induced dyskinesia in rat and NHP models of PD; 4) concurrent inhibition of the serotonin and dopamine transporters (SERT and DAT, respectively) enhances duration of L-DOPA-induced ON-time in the parkinsonian NHP. However, the ratio of SERT/ DAT inhibition appears crucial in determining the quality of this extra ON-time; SERT > DAT inhibition exacerbates the severity of L-DOPA-induced dyskinesia, whereas SERT = DAT and DAT > SERT inhibition do not worsen the severity of L-DOPA-induced dyskinesia. Together these data extend our knowledge of the interaction between serotonin and dopamine, specifically as they relate to symptoms and side effects of dopamine replacement therapy in PD and highlight potential novel therapeutic approaches to PD.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The main, underlying cause of neurodegenerative disease is the progressive loss of neuronal structure or function, whereby central and/or peripheral nervous system circuitry is severely and irreversibly damaged, resulting in the manifestation of clinical symptoms and signs. Neurodegenerative research has revealed many similarities among these diseases: although their clinical presentation and outcomes may differ, many parallels in their pathological mechanisms can be found. Unraveling these relationships and similarities could provide the potential for the discovery of therapeutic advances such that a treatment for one neurologic disease may also be effective for several other neurodegenerative disorders. There is growing awareness that due to the complexity of pathophysiological processes in human disease, specifically targeting or inactivating a single degenerative process or a discrete cellular molecular pathway may be ineffective in the treatment of these multifaceted disorders. Rather, potential therapeutics with a multi-target approach may be required to successfully and effectively control disease progression. Recent advances in neurodegenerative research involve the creation of animal disease models that closely mimic their human counterparts. The use of both toxin- exposure and genetic animal models in combination may give insight into the underlying pathologic mechanisms of neurodegenerative disorders (target identification) leading to the development and screening of prospective treatments and determination of their neuroprotective mechanism (target validation). Taken together, ideal candidates for the treatment of neurodegenerative disease would need to exert their neuroprotective effect on multiple pathological pathways. Previous studies from this laboratory and collaborators have shown that the naturally-occurring compound, caffeic acid phenethyl ester (CAPE), is efficacious for the treatment against neurodegeneration. Because of its versatile abilities, CAPE was chosen for this study as this compound may be able to target the pathogenic pathways shared by two different animal models of neurodegeneration and may exhibit neuroprotection. In addition, adipose-derived stem cell conditioned media (ASC-CM), a biologically-derived reagent containing a multitude of neuroprotective and neurotrophic factors, was selected as ASC-CM has been previously shown to be neuroprotective by using both animal and cell culture models of neurodegeneration.

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Dues à leur importance croissante dans la dégénérescence musculaire, les mitochondries sont de plus en plus étudiées en relation à diverses myopathies. Leurs mécanismes de contrôle de qualité sont reconnus pour leur rôle important dans la santé mitochondrial. Dans cette étude, nous tentons de déterminer si le déficit de mitophagie chez les souris déficiente du gène Parkin causera une exacerbation des dysfonctions mitochondriales normalement induite par la doxorubicine. Nous avons analysé l’impact de l’ablation de Parkin en réponse à un traitement à la doxorubicine au niveau du fonctionnement cardiaque, des fonctions mitochondriales et de l’enzymologie mitochondriale. Nos résultats démontrent qu’à l’état basal, l’absence de Parkin n’induit pas de pathologie cardiaque mais est associé à des dysfonctions mitochondriales multiples. La doxorubicine induit des dysfonctions respiratoires, du stress oxydant mitochondrial et une susceptibilité à l’ouverture du pore de transition de perméabilité (PTP). Finalement, contrairement à notre hypothèse, l’absence de Parkin n’accentue pas les dysfonctions mitochondriales induites par la doxorubicine et semble même exercer un effet protecteur. / Mitochondria are becoming the focus of many studies because of their increasingly important role in cellular damage and related myopathies. Their endogenous quality control mechanisms are recognized for their crucial role in mitochondrial health. In our study, we attempted to determine if the deficit of mitophagy in Parkin deficient mice would cause an exacerbation of mitochondrial dysfunctions usually induced by doxorubicin. We have analyzed the impact of the ablation of Parkin in response to treatment with doxorubicin at the level of cardiac functions, mitochondrial functions as well as mitochondrial enzymology. Our results demonstrated that at baseline, the absence of Parkin didn’t induce cardiac pathologies but was associated with many mitochondrial dysfunctions. Doxorubicin induced respiratory dysfunctions, mitochondrial oxidative stress as well as greater susceptibility to permeability transition pore (PTP) opening. Finally, contrary to our hypothesis, the absence of Parkin, didn’t exacerbate mitochondrial dysfunctions induced by doxorubicin and seemed to have a protective effect.

Mes travaux de thèse se sont axés sur deux thématiques. Elles ont en commun un possible dysfonctionnement de la transmission dopaminergique. La première visait à étudier l’implication de la dopamine dans les troubles de la régulation veille/sommeil se produisant dans la maladie de Parkinson en utilisant le modèle de référence de cette pathologie, le primate non-humain (PNH) intoxiqué au 1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine (MPTP). Pour y parvenir, nous avons utilisé un système télémétrique totalement implantable autorisant des enregistrements électroencéphalographiques, électrooculographiques et électromyographiques de longue durée chez des animaux libres de leurs mouvements. L’induction d’un syndrome parkinsonien a eu pour conséquence une totale dérégulation de l’architecture des cycles veille/sommeil persistant durant des années après les injections de MPTP. La somnolence diurne excessive et la dérégulation du sommeil paradoxal sont les signes les plus marquants de l’intoxication au MPTP et apparaissent avant l’émergence des signes moteurs. Ces dérégulations précoces sont concomitantes d’une perturbation profonde de l’homéostasie dopaminergique qui se rétablit partiellement sur le long cours grâce à des mécanismes compensatoires au sein du système dopaminergique. L’ensemble étant responsable d’une réapparition partielle du sommeil paradoxal ainsi qu’une diminution de la somnolence diurne, parallèlement à la récupération motrice. En conclusion, ces résultats soulignent la validité du modèle du primate non-humain intoxiqué au MPTP pour la modélisation des troubles du sommeil de la maladie de Parkinson. Il permettra in fine de comprendre le rôle de la déplétion dopaminergique et, au-delà, de l’intervention des autres systèmes de neurotransmission dans la physiopathologie de ces troubles. La seconde partie de ma thèse a été consacrée à l’étude anatomo-fonctionnelle de la voie dopaminergique diencéphalospinale (groupe A11) chez le PNH. En effet, si cette voie semble impliquée dans les processus sensori-moteurs et son dysfonctionnement supposé dans de nombreuses pathologies, son organisation anatomique reste méconnue, à la fois chez l’homme et le PNH. L’hybridation in situ réalisée au niveau médullaire a révélé que le sous-type de récepteur dopaminergique D1 est absent alors que les récepteurs D2 et D5 sont exprimés au niveau des cornes dorsales et les récepteurs D3 dans l’ensemble de la substance grise. Des injections unilatérales du traceur rétrograde FluoroGold au niveau de la moelle cervicale ont quasi-exclusivement marqué les neurones hypothalamiques du groupe A11 parmi l’ensemble des régions dopaminergiques. Des analyses détaillées de ces neurones par immunohistochimie indiquent qu’ils sont positifs pour la tyrosine hydroxylase et négatifs pour la dopa-décarboxylase et le transporteur à la dopamine, suggérant un noyau de nature « L-Dopaergique ». Cependant, une intoxication au MPTP conduisant au développement d’un syndrome Parkinsonien a induit une perte de 50% des neurones de l’aire A11. En conclusion, la voie diencéphalospinale serait la source majeure de L-dopa dans la moelle épinière du PNH où elle jouerait un rôle dans la modulation de l’intégration sensori-motrice principalement au travers des récepteurs D2 et D3 soit directement, soit indirectement par conversion de la L-dopa en dopamine au niveau des cellules médullaires monoenzymatiques pour la dopa-décarboxylase. La remarquable correspondance anatomique entre l’homme et le PNH renforce la pertinence de cette espèce pour l’étude de la physiologie des circuiteries dopaminergiques hypothalamiques et des conséquences fonctionnelles de leurs dysfonctionnements. / My thesis work was based on two topics bridged by a common dopaminergic neurotransmission dysfunction. The first one aimed to investigate the role of dopaminergic denervation in the pathophysiology of the sleep-wake disorders that occur in Parkinson’s disease (PD) by using the gold-standard model of parkinsonism, the 1-methyl-4-phenyl-1, 2, 3, 6-tetrahydropyridine (MPTP)-treated non-human primate (NHP) model. To this end, we performed long-term continuous electroencephalographic monitoring of vigilance states in unrestrained rhesus monkeys using a completely implanted miniaturized telemetry device and tested the effect of MPTP intoxication on their sleep-wake organization. MPTP injection yielded a dramatic disruption of sleep-wake architecture with reduced sleep efficacy that persisted years after MPTP administration. Primary deregulation of REM sleep and increased daytime sleepiness occurring before the emergence of motor symptoms were the most striking features of the MPTP administration. This was concomitant with a breakdown of the dopaminergic homeostasis, as evidenced by a decreased dopamine turnover measured after a single MPTP injection. In the long term, partial reemergence of REM sleep and resolution of excessive daytime sleepiness paralleled the partial adaptation to parkinsonism, the latter being known to result from compensatory mechanisms within the dopaminergic system. Altogether, these findings highlight the suitability of the MPTP model of PD as a valid tool to model the sleep/wake disturbances of the human disease. Ultimately, this may help in deciphering the specific role of dopamine depletion and the different interventions of other neurotransmitters in the occurrence of these disorders. The second part of my thesis was dedicated to an anatomical study of the diencephalospinal pathway (A11 cell group) in the NHP. This pathway is thought to be involved in sensorimotor integration and, when disrupted, in some pathological conditions such as PD or Restless Legs Syndrome. However, its anatomical organization is almost unknown both in human and NHP. In situ hybridization of dopamine receptors showed that D1 receptor mRNA is absent while D2 and D5 receptor mRNAs are expressed in the dorsal horn and D3 receptor mRNA in both the dorsal and ventral horns. Unilateral injections of the retrograde tracer FluoroGold (FG) into the cervical spinal enlargement labeled A11 neurons quasi-exclusively among all others dopamine areas. Detailed immunohistochemical analysis showed that these FG-labeled A11 neurons are tyrosine hydroxylase-positive and dopa-decarboxylase and dopamine transporter-negative, suggestive of a L-DOPAergic group. Nevertheless, MPTP intoxication with subsequent development of a parkinsonian syndrome produced a 50% neuronal cell loss in the A11 group. In conclusion, the diencephalic A11 area could be the major source of L-DOPA in the NHP spinal cord, where it may play a role in the modulation of sensorimotor processes through D2 and D3 receptors either directly or indirectly via dopamine formation in spinal monoenzymatic dopa-decarboxylase cells.

La stimulation à haute fréquence (SHF) du noyau subthalamique (NST) permet de traiter l'ensemble des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson (MP), qui n'apparaissent que lorsque 70 % des neurones dopaminergiques de la SNc ont dégénéré. En outre, les mécanismes in fine qui permettent de retarder l'apparition des symptômes moteurs ou qui sous-tendent l'efficacité thérapeutique de la SHF du NST chez l'homme ne sont pas encore élucidés. Notre travail a porté principalement sur l'animal éveillé libre de ses mouvements. <br />Dans une première partie, nous avons analysé les effets de la SHF du NST sur le comportement moteur de rats sains et 6-OHDA et nous avons établi une corrélation entre ces effets et les taux de glutamate et de GABA extracellulaire mesurés par microdialyse intracérébrale au sein de la SNr. Ces données comportementales et neurochimiques couplées à des injections pharmacologiques intranigrales suggèrent que les dyskinésies de la patte avant induites par la SHF du NST sont médiées par le glutamate et fournissent de nouveaux arguments quant aux mécanismes de la SHF du NST dans la MP.<br />Dans une seconde partie nous avons réalisé des microdialyses intracérébrales chez des singes normaux, puis exprimant pleinement les symptômes moteurs induits par le MPTP et enfin après récupération de ces symptômes moteurs dans le but de corréler les déficits et la récupération motrice à des changements de concentration de neurotransmetteurs présents dans deux territoires striataux : le sensori-moteur et le limbique. Notre étude s'est focalisée sur la dopamine et ses métabolites, le glutamate, le GABA et la sérotonine. Nos résultats montrent que les variations de dopamine pourraient jouer un rôle important dans les mécanismes de compensation permettant la récupération de fonctions motrices normales.

Very little is known about why and how the Parkinson's disease (PD) neurodegenerative process begins and progresses. In the course of developments for treatment of PD, the discovery of the inhibition of monoamine oxidase (MAO B) was a conceptual breakthrough, and has now been firmly established. MAO B has also been implicated in the neurodegenerative processes resulting from exposure to xenobiotic amines. For example, MAO B catalyzes the first step of the bioactivation of the parkinsonian inducing pro-neurotoxin, 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Additional insight into the mechanism of catalysis of MAO B and the mechanism of neurotoxicity by MPTP is therefore very valuable in the pursuit of the treatment of PD. / Thesis (Ph.D. (Pharmaceutical Chemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.

Nos travaux de recherche menés dans l'ischémie cérébrale néonatale ont évalué l'effet de la Ciclosporine A sur la réduction du volume lésionnel, mais aussi sur le fonctionnement du métabolisme mitochondrial. Nous avons également étudié l'effet du postconditionnement ischémique et les conséquences hémodynamiques de la reperfusion. Le pore de perméabilité membranaire mPTP s'ouvre au cours de l'ischémie néonatale. La CsA, inhibiteur de la Cyclophiline D freine l'ouverture du pore mPTP, améliore la capacité de recapture du calcium par la mitochondrie, la respiration mitochondriale, et limite les effets inflammatoires de l'ischémie. Néanmoins, la CsA ne réduit pas le volume des lésions cérébrales. Nous avons pu montrer que la Cyclophiline D et le pore mPTP étaient bien deux acteurs majeurs dans la constitution des lésions induites par la reperfusion dans l'ischémie cérébrale focale néonatale. Le postconditionnement ischémique ne permet pas de réduire les volumes des lésions. Nous avons montré que la reperfusion chez le jeune était progressive et lente, sans hyperhémie comme chez l'adulte. Cette cinétique de reperfusion est identique dans les deux hémisphères, tant pour la perfusion tissulaire corticale que pour la perfusion des régions cérébrales profondes. La vasoconstriction cérébrale chez le jeune traduit le recrutement précoce de la circulation collatérale mais aussi les dysfonctionnements de la microcirculation cérébrale. Au final, ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques spécifiques au profil particulier de la reperfusion dans le cerveau immature

Very little is known about why and how the Parkinson's disease (PD) neurodegenerative process begins and progresses. In the course of developments for treatment of PD, the discovery of the inhibition of monoamine oxidase (MAO B) was a conceptual breakthrough, and has now been firmly established. MAO B has also been implicated in the neurodegenerative processes resulting from exposure to xenobiotic amines. For example, MAO B catalyzes the first step of the bioactivation of the parkinsonian inducing pro-neurotoxin, 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Additional insight into the mechanism of catalysis of MAO B and the mechanism of neurotoxicity by MPTP is therefore very valuable in the pursuit of the treatment of PD. / Thesis (Ph.D. (Pharmaceutical Chemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.

Very little is known about why and how the Parkinson's disease (PD) neurodegenerative process begins and progresses. In the course of developments for treatment of PD, the discovery of the inhibition of monoamine oxidase (MAO B) was a conceptual breakthrough, and has now been firmly established. MAO B has also been implicated in the neurodegenerative processes resulting from exposure to xenobiotic amines. For example, MAO B catalyzes the first step of the bioactivation of the parkinsonian inducing pro-neurotoxin, 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Additional insight into the mechanism of catalysis of MAO B and the mechanism of neurotoxicity by MPTP is therefore very valuable in the pursuit of the treatment of PD. / Thesis (Ph.D. (Pharmaceutical Chemistry))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2008.