Selon l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), les agonistes du récepteur opioïde Mu (MOR) sont la première ligne de traitement pour le soulagement des douleurs aiguës modérées à sévères. Cependant, ces derniers induisent de nombreux effets indésirables, tels que la dépression respiratoire et la constipation, qui limitent leur utilisation pour une gestion appropriée de la douleur. Chacun des effets indésirables des agonistes du MOR est médié par des mécanismes cellulaires et moléculaires complexes. C’est pourquoi un nombre considérable de recherches précliniques ont été menées afin de découvrir des opioïdes qui induiraient moins d’effets indésirables. Plus particulièrement, de nombreuses études se sont concentrées sur le développement d’agonistes biaisés du MOR qui ont peu ou pas de recrutement de β-arrestine 2 et qui activent préférentiellement les protéines G. Néanmoins, ces recherches n’ont pas réussi à identifier des agonistes biaisés avec un profil amélioré d’effets indésirables en clinique. Nous proposons dans cette thèse que la caractérisation des similarités signalétiques des agonistes du MOR serait une bonne alternative à l’agonisme biaisé pour l’identification d’opioïdes avec des profils d’effets indésirables distincts. Pour ce faire, nous avons développé une méthode basée sur l’utilisation de l’apprentissage non supervisé par clustering pour classifier les ligands du MOR en des catégories pharmacodynamiques. Cette classification s’est faite à l'aide des paramètres qui caractérisaient une panoplie de voies de signalisation médiées par les protéines G et par les β-arrestines. Nous avons pu associer ces différentes catégories pharmacodynamiques avec différentes fréquences de rapport d’effets indésirables d’opioïdes cliniques au programme de pharmacovigilance de la FDA (Food and drug administration) tels que des effets respiratoires et gastro-intestinaux. Nous avons également montré que cette méthode peut être plus généralement appliquée à d’autres sous-types et types de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG). L’efficacité et l’innocuité des agonistes du MOR pour le soulagement des douleurs chroniques non cancéreuses, telles que les douleurs neuropathiques, est un sujet controversé et plusieurs essais cliniques ne sont pas en faveur de leur utilisation. Or, la douleur neuropathique est une maladie fréquente qui est associée à une très pauvre qualité de vie du patient et pour laquelle seulement 30 à 40% des patients rapportent un soulagement adéquat de la douleur avec les traitements actuels. Dans les modèles précliniques, les cannabinoïdes sont capables de moduler des processus impliqués dans le développement des douleurs neuropathiques. Ceci les rend des candidats prometteurs pour le soulagement de ces douleurs en clinique. Néanmoins, peu de médicaments à base de cannabis sont présentement approuvés sur le marché pour un usage thérapeutique. Ces derniers sont régulés selon leur contenu en Δ9-tétrahydrocannabinol (THC) et cannabidiol (CBD) et il existe une présomption selon laquelle les quantités de THC et les ratio THC:CBD permettraient de décrire l’activité biologique du cannabis médical. Or, les extraits commerciaux peuvent contenir jusqu’à 23 phytocannabinoïdes et de nombreux autres composés chimiques. La description de ces derniers uniquement en termes de contenus en THC et en CBD ne prend pas en considération les interactions potentielles qui peuvent arriver entre les multiples autres composants et qui peuvent aboutir à des effets cliniques différents. Nous avons donc testé dans cette thèse s’il y avait réellement une équivalence entre l’activité biologique d’un extrait de cannabis et des traitements cannabinoïdes avec des contenus en THC et/ou en CBD équivalents Nous avons démontré que les réponses analgésiques du THC et du CBD seuls, d’une combinaison THC:CBD (1 :1) et d’un extrait de cannabis de chémotype II (avec un ratio THC:CBD ≈ 1 :1) ne sont pas équivalentes dans un modèle de neuropathie diabétique chez les rats. Aux hautes doses testées, l’extrait était plus efficace à soulager la douleur que la combinaison THC:CBD (1 :1) qui, elle-même, était plus efficace que le THC et le CBD seuls. De plus, ces différents traitements engageaient les cibles moléculaires du système endocannabinoïde CB1 (récepteur cannabinoïde 1), CB2 (récepteur cannabinoïde 2) et TRPV1 de façon distincte. Ensemble ces résultats suggèrent qu’une équivalence au niveau des contenus en THC et des ratios THC:CBD ne se traduit pas par une équivalence d’activité biologique telle que l’analgésie. Dans son ensemble, cette thèse propose dans un premier temps une méthode basée sur la classification pharmacodynamique de ligands de RCPG qui pourrait être utile pour l’identification de nouveaux candidats opioïdes avec un profil d’effets indésirables amélioré. Dans un second temps, nous avons démontré que les cannabinoïdes induisent des effets analgésiques à travers différentes cibles pharmacodynamiques et que ces dernières étaient engagées de façon distincte par les différents traitements. Notre intention future est de décrire in vitro les profils signalétiques des cannabinoïdes sur ces différentes cibles et d'utiliser notre outil de classification pharmacodynamique afin de corréler ces réponses signalétiques avec leurs effets analgésiques et indésirables in vivo. Ces travaux fournissent des éléments pertinents pour le développement rationnel d’analgésiques plus efficaces et mieux tolérés en clinique. / According to the World Health Organization (WHO), Mu opioid receptor agonists (MOR) are the first line of treatment for the relief of moderate to severe acute pain. However, they induce numerous adverse effects, such as respiratory depression and constipation, which limit their use for appropriate pain management. Each of the adverse effects of MOR agonists is mediated by complex cellular and molecular mechanisms. As a result, a considerable amount of preclinical research has been conducted to discover opioids that would induce fewer adverse effects. Specifically, many studies have focused on developing biased MOR agonists that have little or no β-arrestin 2 recruitment and preferentially activate G proteins. Despite these investigations, efforts to identify biased agonists with an improved adverse event profile in the clinic have been unsuccessful. In this thesis, we propose that characterizing the signaling similarities of MOR agonists would be a good alternative to biased agonism for identifying opioids with distinct adverse effect profiles. To this end, we developed a method based on the use of unsupervised clustering learning to classify MOR ligands into pharmacodynamic categories. This classification was done using parameters that characterized a panoply of G protein- and β-arrestin-mediated signaling pathways. We were able to associate these different pharmacodynamic categories with different frequencies of clinical opioid adverse event reported to the FDA pharmacovigilance program such as respiratory and gastrointestinal effects. We have also shown that this method can be more generally applied to other subtypes and types of G protein-coupled receptors (GPCRs). The efficacy and safety of MOR agonists for the relief of chronic non-cancer pain, such as neuropathic pain, is a controversial topic and several clinical trials do not support their use. Neuropathic pain is a common condition that is associated with very poor patient quality of life and for which only 30-40% of patients report adequate pain relief with current treatments. In preclinical models, cannabinoids are able to modulate processes involved in the development of neuropathic pain. This makes them promising candidates for the relief of such pain in the clinic. However, few cannabis-based medications are currently approved for therapeutic use. For safety reasons, these are regulated according to their Δ9-Tetrahydrocannabinol (THC) and cannabidiol (CBD) content under the presumption that THC amounts and THC:CBD ratios would adequately describe the biological activity of medical cannabis. Commercial extracts of medical cannabis may contain up to 23 phytocannabinoids and many other chemical compounds. Describing these products only in terms of THC and CBD content does not take into consideration the potential interactions that may occur between these multiple components and that may result in different clinical effects. We therefore tested in this thesis whether there was really an equivalence between the biological activity of a cannabis extract and cannabinoid treatments with equivalent THC and/or CBD contents. We demonstrated that the analgesic responses of pure THC and CBD, a THC:CBD (1:1) combination, and a chemotype II cannabis extract (with a THC:CBD ratio ≈ 1:1) were not equivalent in a rat model of diabetic neuropathy. At the high doses tested, the extract was more efficacious than the THC:CBD (1:1) combination which, in turn, was more efficacious than pure THC and CBD. Furthermore, these different treatments engaged the molecular targets of the endocannabinoid system CB1 (cannabinoid receptor 1), CB2 (cannabinoid receptor 2), and TRPV1 in distinct ways. Together, these results suggest that equivalence in THC content and THC:CBD ratios does not translate into equivalence in biological activity such as analgesia. Overall, this thesis firstly proposes a pharmacodynamic-based method of GPCR ligand classification that could be useful for the identification of new opioid candidates with an improved adverse effect profile. Secondly, we demonstrated that cannabinoids produced their analgesic effects via different pharmacodynamic targets and that these targets were distinctively engaged by the different treatments. Our future intention is to describe the in vitro signaling profiles of cannabinoids at these different targets, and to use our pharmacodynamic clustering tool to correlate these signaling responses with their in vivo their analgesic and adverse effects. This work provides relevant insights for the rational development of more effective and better tolerated analgesics in the clinic.

Les dérivés de l’opium (opioïdes) et du cannabis (cannabinoïdes) présentent de nombreuses propriétés intéressantes. Suite à l’identification de leurs récepteurs respectifs, diverses stratégies pharmacologiques ont tenté d’exploiter leurs propriétés analgésiques. Le clonage des récepteurs cannabinoïdes CB1 et CB2 a favorisé la découverte de composés endogènes pour ces récepteurs, les endocannabinoïdes, dont les deux plus étudiés sont l’anandamide et le 2-arachidonyl glycérol (2-AG). Cette découverte a également mené à l’identification d’enzymes qui catalysent l’inactivation de ces cannabinoïdes endogènes : une amidohydrolase des acides gras ou FAAH ainsi qu’une monoacylglycérol lipase ou MAGL. Le système cannabinoïde endogène est régulé à la hausse dans une variété de processus pathologiques, tels que les douleurs inflammatoire et neuropathique. Cette augmentation est habituellement interprétée comme une réaction physiologique visant à rétablir l’homéostasie et elle a notamment été observée en périphérie. Les endocannabinoïdes semblent donc agir de façon spécifique à des moments clés dans certains tissus ciblés afin de minimiser les conséquences reliées au déclenchement de ces douleurs. Cette observation est très intéressante d’un point de vue thérapeutique puisqu’elle suggère la possibilité de cibler les enzymes de dégradation des endocannabinoïdes dans le but d’augmenter leurs concentrations locales et d’ainsi prolonger leur action neuromodulatrice. En périphérie, l’activation des récepteurs cannabinoïdes induit des effets antinociceptifs bénéfiques tout en minimisant les effets indésirables souvent associés à leur activation centrale. Nous avons orienté nos travaux vers la modulation périphérique de ce système endogène à l’aide d’inhibiteurs des enzymes de dégradation des endocannabinoïdes afin d’évaluer leur potentiel thérapeutique et d’élucider les mécanismes d’action qui sous-tendent leurs effets dans des modèles animaux de douleurs inflammatoire et neuropathique. Nous avons démontré que cette approche permet de soulager les symptômes associés à ces deux types de douleurs, et ce via les récepteurs CB1 et CB2. Les systèmes cannabinoïde et opioïde présentent des similitudes, dont des localisations similaires le long des voies de la douleur, des mécanismes d’action relayés par des récepteurs couplés aux protéines G et des propriétés pharmacologiques communes telles que l’analgésie. Le système opioïde est impliqué dans les effets antinociceptifs induits par les cannabinoïdes. À l’inverse, le rôle joué par le système cannabinoïde dans ceux induits par la morphine demeure incertain. Nous avons démontré que les effets antinociceptifs périphériques et spinaux produits par la morphine sont diminués chez les souris génétiquement modifiées chez lesquelles l’expression des récepteurs CB1 ou CB2 a été éliminée, laissant supposer un rôle pour ces récepteurs dans les effets de la morphine. Nous avons de plus démontré que la diminution de l'analgésie produite par la morphine dans ces souris n'est pas causée par un dysfonctionnement des récepteurs opioïdes mu (MOP) ni par une régulation à la baisse de ces récepteurs. Nos résultats confirment l'existence d'interactions fonctionnelles entre les systèmes cannabinoïde et opioïde au niveau périphérique et spinal. Ces observations sont prometteuses d’un point de vue thérapeutique puisqu’une modulation périphérique ciblée des niveaux d’endocannabinoïdes et d’opioïdes endogènes permettrait de produire des effets analgésiques bénéfiques potentiellement synergiques tout en minimisant les effets indésirables associés à l’activation centrale de ces systèmes. / Opium (opioids) and cannabis (cannabinoids) derivatives present many interesting properties. Following the identification of their respective receptors, various pharmacological strategies have tried to exploit their analgesic properties. The cloning of cannabinoid CB1 and CB2 receptors has promoted the discovery of endogenous agonists of these receptors named endocannabinoids. The two mostly studied endocannabinoids are anandamide and 2-arachidonoyl glycerol (2-AG). This has also led to the identification of enzymes that catalyze the inactivation of these endogenous cannabinoids: a fatty acid amide hydrolase or FAAH and a monoacylglycerol lipase or MAGL. It is known that the endogenous cannabinoid system is upregulated in a variety of pathological processes, such as inflammatory and neuropathic pain. This increase is usually interpreted as a physiological response to restore homeostasis and it was particularly observed in the periphery. Endocannabinoids seem to act specifically at key moments in targeted tissues to minimize the consequences related to the onset of pain. This observation is very interesting from a therapeutic perspective because it suggests the possibility of targeting the endocannabinoid degrading enzymes in order to increase their local concentrations and thus prolong their neuromodulatory action. At the peripheral level, the activation of cannabinoid receptors induces beneficial antinociceptive effects while minimizing side effects often associated with their central activation. We focused our work on the peripheral modulation of this endogenous system using inhibitors of endocannabinoid degrading enzymes to assess their therapeutic potential and to elucidate the mechanisms of action underlying their effects in animal models of inflammatory and neuropathic pain. We have demonstrated that this approach can relieve the symptoms associated with these two types of pain, through the activation of CB1 and CB2 receptors. The opioid and cannabinoid systems have similarities, including comparable locations along the pain pathways, mechanisms of action relayed by G protein-coupled receptors and common pharmacological properties such as analgesia. The opioid system is involved in the antinociceptive effects induced by cannabinoids. In contrast, the participation of the cannabinoid system in those induced by morphine remains uncertain. We have demonstrated that peripheral and spinal antinociceptive effects induced by morphine are reduced in genetically modified mice in which the expression of CB1 and CB2 receptors was eliminated, suggesting a role for these receptors in the effects of morphine. We have further demonstrated that the decrease in morphine-induced analgesia in these mice is not caused by a malfunction of the mu opioid receptors (MOP) or by a down-regulation of these receptors. Our results confirm the existence of functional interactions between cannabinoid and opioid systems at the peripheral and spinal levels. These findings are promising from a therapeutic perspective since a targeted modulation of the levels of endocannabinoids and endogenous opioids would induce potentially synergistic beneficial analgesic effects while minimizing side effects associated with the central activation of these systems.

Les douleurs neuropathiques désignent une hypersensibilité du système nerveux central sensoriel. C’est une maladie chronique et handicapante qui touche environ 6% de la population française. Cependant, à l’heure actuelle, il n’existe pas de traitement spécifique et efficace. Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé deux stratégies différentes afin de développer des outils pharmacologiques originaux pour traiter ces douleurs : une approche phénotypique autour de deux inhibiteurs de la surproduction de TNFα (un dérivé de 2-aminopyrimidine et un dérivé de pyridin-2-yl guanidine) et une approche moléculaire autour du MY 5445 (un inhibiteur de PDE5 dérivé de phtalazine). En particulier, notre travail s’est basé sur la conception, la synthèse et l’étude des relations structure-activité autour de ces différents hits et nous avons obtenu des composés efficaces par voie i.p. ou per-os sur un modèle murin de douleurs neuropathiques.En parallèle de ce travail de pharmacologie, nous avons développé différents systèmes catalytiques (Pd, Cu) en milieu micellaire afin de former des liaisons C-N à température quasi-ambiante. / Neuropathic pains correspond to a central sensory nervous system hypersensitivity. It is a chronic and disabling disease, which touch around 6% of the French population. Nowadays, there is no specific and efficient treatment. In my PhD project, we used two different strategies in order to develop innovative pharmacological tools to treat those pains: a phenotypic approach around two TNFα overproduction inhibitor (a 2-aminopyrimidine derivative and a pyridin-2-yl guanidine derivative) and a molecular approach around MY 5445 (a phthalazine PDE5 inhibitor). Our work was based on the design, synthesis and structure-activity relationship study around various hits and we obtained compounds i.p. and orally effective on a murin neuropathic pain model.In parallel to this pharmacological work, we developed different catalytic systems (Pd, Cu) under micellar conditions to form C-N bonds at almost room temperature.

Selon l’Association Internationale pour l’Étude de la Douleur, la douleur neuropathique est causée par « une lésion ou une maladie du système somatosensoriel ». Actuellement, il n’existe pas de test permettant de la diagnostiquer avec certitude. En médecine humaine, les suspicions cliniques reposent essentiellement sur les caractéristiques de la douleur perçue par le patient. En effet, le mélange de douleurs lancinantes et fulgurantes souvent de très forte intensité, et les termes utilisés pour les décrire, permettent de poser un diagnostic présomptif. En revanche, chez les personnes non-communicantes ainsi que chez nos patients en médecine vétérinaire, la douleur neuropathique devient extrêmement difficile à déceler. Elle pose aussi un problème éthique puisque ces douleurs sont souvent qualifiées d’insoutenables et sont notoirement réfractaires aux traitements analgésiques conventionnels. Faute de données spécifiques, le Conseil sur la douleur de l’Association internationale des vétérinaires pour les animaux de compagnie (WSAVA Global Pain Council) base ses recommandations thérapeutiques sur des succès anecdotiques relevés dans des rapports de cas ou des données tirées de la médecine humaine. Notre étude s’articulait autour de trois objectifs principaux : 1) Évaluer la fiabilité et la faisabilité des tests proposés pour explorer les profils somatosensoriels chez des chiens de propriétaires, incluant une nouvelle méthode dynamique permettant d’évaluer le système endogène de modulation de la douleur ; 2) Identifier une population de chiens de propriétaires présentant de la douleur neurologique chronique à composante neuropathique d’apparition spontanée, en se basant sur les recommandations données en médecine humaine, et caractériser la douleur neuropathique dans ce groupe, en comparant les profils somatosensoriels et les concentrations en cytokines inflammatoires de ces chiens avec ceux d’un groupe contrôle ; 3) Suivre l’évolution des profils somatosensoriels, des concentrations en cytokines inflammatoires et des scores de douleur/qualité de vie des chiens neuropathiques enrôlés dans un essai clinique croisé prospectif, partiellement masqué et randomisé, afin d’évaluer les effets du placebo, du gabapentin seul ou administré en combinaison avec le méloxicam sur ces paramètres. Nos hypothèses étaient que la méthodologie proposée serait fiable et faisable pour évaluer les profils somatosensoriels chez les chiens de propriétaires, et que la population de chiens souffrant de douleur neuropathique diffèrerait du groupe contrôle par leurs concentrations en cytokines inflammatoires, leurs seuils nociceptifs et leur capacité à moduler la douleur après application d’un stimulus conditionnant. Enfin, il était attendu que les traitements actifs (gabapentin et gabapentin-méloxicam) altèreraient les profils somatosensoriels, les scores de douleur/qualité de vie et les concentrations en cytokines inflammatoires des patients neuropathiques. Les tests quantitatifs sensoriels retenus pour évaluer la population de chiens neuropathiques dans la seconde partie du projet (stimulations mécanique et électrique) étaient fiables, faciles à réaliser et bien tolérés. L’évaluation du système inhibiteur descendant induit par les stimulations nociceptives (système endogène de modulation de la douleur; DNIC) a permis de mettre en évidence une dysfonction de la capacité de modulation de la douleur chez les chiens neuropathiques. L’administration de gabapentin combiné ou non avec le méloxicam a eu pour effet de « normaliser » les profils somatosensoriels dynamiques (augmentation du nombre de chiens présentant une inhibition après l’application d’un stimulus conditionnant). Les scores de douleur/qualité de vie ont évolué en faveur d’une amélioration avec l’administration de gabapentin seul ou en combinaison avec le méloxicam. Les concentrations en cytokines inflammatoires et les profils somatosensoriels statiques (les seuils nociceptifs), quant à eux, n’étaient pas différents entre les groupes et n’ont pas significativement varié avec les traitements étudiés. À travers ces études, nous avons présenté de nouvelles techniques de QST fiables et faisable chez le chien. Nous avons également montré que l’évaluation du DNIC est possible dans l’espèce canine, et que les chiens présentant une douleur chronique à composante neuropathique ont un DNIC déficient. L’évaluation des profils somatosensoriels dynamiques et des scores de douleur/qualité de vie supportent l’utilisation du gabapentin seul ou en combinaison avec le méloxicam pour le traitement médical de la douleur neuropathique chez le chien, tel que recommandé par les spécialistes du WSAVA. / According to the International Association for the Study of Pain, neuropathic pain is caused by "a lesion or a disease of the somatosensory system". Currently, there is no definitive test available to diagnose neuropathic pain. In humans, the presumptive diagnosis is essentially based on the characteristics of the pain perceived by the patient. In non-communicative individuals, on the other hand, just like in our patients in veterinary medicine, the diagnosis of neuropathic pain is difficult and poses an ethical problem because this type of pain is often qualified as unbearable and known to be refractory to conventional therapies. In the absence of specific data, the Global Pain Council of World Small Animal Veterinary Association (WSAVA) based its treatment recommendations of neuropathic pain on anecdotal veterinary reports, case reports or data from human medicine. This PhD program had three main objectives: 1) To assess the reliability and feasibility of the tests proposed to explore the somatosensory profiles in client-owned dogs, including a method to assess the descending noxious inhibitory controls; 2) To identify a population of client-owned dogs with naturally-occurring neuropathic pain, based on the recommendations from human medicine ; and to characterize neuropathic pain in this group, by comparing the somatosensory profiles and the serum levels of inflammatory cytokines of these dogs with those of a control group; 3) To determine the effects of placebo, gabapentin alone or in combination with meloxicam on the somatosensory profiles, concentrations of inflammatory cytokines and pain scores of dogs with naturally-occurring neuropathic pain managed medically, in a prospective, partially masked and randomized crossover clinical trial. Our hypotheses were that the proposed methodology would be feasible and reliable, allowing to assess somatosensory profiles of client-owned dogs, and that dogs with neuropathic pain would differ from the control group in their serum concentrations of inflammatory cytokines, their nociceptive thresholds and their ability to modulate pain after the application of a conditioning stimulus. Gabapentin and gabapentin-meloxicam would change somatosensory profiles, pain scores and serum concentrations of inflammatory cytokines of dogs with neuropathic pain. 7 The quantitative sensory tests (electrical and mechanical stimulations) were easy to perform, well tolerated and reliable. The evaluation of the diffuse noxious inhibitory control (endogenous pain modulation system; DNIC) revealed a dysfunction of the pain modulation capacity in neuropathic dogs. Administration of gabapentin with or without meloxicam had a "normalizing" effect on the dynamic somatosensory profiles (increase in the number of dogs showing inhibition after application of a conditioning stimulus). Pain / quality of life scores improved after gabapentin alone or in combination with meloxicam. On the other hand, serum concentrations of inflammatory cytokines and static somatosensory profiles (nociceptive thresholds) were not different between groups and did not vary significantly with treatments. Through these studies, we have presented new reliable and feasible QST techniques in dogs. We have also shown that the evaluation of the DNIC is possible in the canine species, and that dogs with chronic pain with a neuropathic component have a deficient DNIC. The assessment of the dynamic somatosensory profiles and pain / quality of life scores support the use of gabapentin alone or in combination with meloxicam for the medical management of neuropathic pain in dogs, as recommended by WSAVA specialists.