Soutenance de la thèse d’ Irene SANCHEZ-BRUALLA (Equipe P3M)

26 novembre 2018

Lundi 26 novembre 2018 à 14h00

salle Henri Gastaut (Institut de Neurosciences de la Timone)


The potassium-chloride cotransporter KCC2 : a new therapeutic target for spasticity and neuropathic pain

Membres du jury de la thèse  :

  • Dr. Frédérique SCAMPS CNRS, Montpellier Rapportrice
  • Dr. Julian TAYLOR Hospital Nacional de Parapléjicos, Toledo Rapporteur
  • Dr. Sandrine BERTRAND CNRS, Bordeaux Examinatrice
  • Dr. Patrick DELMAS CNRS, Marseille Examinateur
  • Dr. Hatice KUMRU Institut Guttmann, Badalona Examinatrice
  • Dr. Vicente MARTINEZ Universitat Autonoma de Barcelona Examinateur
  • Dr. Frédéric BROCARD CNRS, Marseille Directeur de thèse
  • Dr. Esther UDINA Universitat Autonoma de Barcelona Directrice de thèse

Résumé

La spasticité et la douleur neuropathique sont deux symptômes qui apparaissent fréquemment après une lésion de la moelle épinière. La spasticité est définie comme une augmentation du tonus musculaire qui provoque des contractures, tandis que la douleur neuropathique se caractérise par des sensations douloureuses provoquées par une lésion du système nerveux. Les deux symptômes réduisent la qualité de vie, et les médicaments disponibles ne sont pas uniformément efficaces contre eux. Pour cette raison, le besoin d’augmenter la palette de traitements disponibles contre ces symptômes est une réalité clinique.

Ces deux symptômes résultent en partie d’une désinhibition des réseaux neuronaux de la moelle épinière. Pour être efficace, l’inhibition nécessite une faible concentration de chlorure intracellulaire dans les neurones, maintenue grâce au cotransporteur potassium-chlorure type 2 (KCC2), qui extrait les ions chlorure des neurones. L’expression de KCC2 est réduite dans les motoneurones après une lésion de la moelle épinière, ce qui entraîne une perte de l’inhibition et contribue à l’apparition de la spasticité. De la même manière, une baisse de l’expression de KCC2 dans la corne dorsale de la moelle épinière, engendre le développement d’une douleur neuropathique. KCC2 semble donc être une cible thérapeutique intéressante pour traiter la spasticité et la douleur neuropathique. Malheureusement, il n’éxiste pas encore des médicaments commercialisés capables d’augmenter l’expression et l’activité des cotransporteurs KCC2.

L’objectif de la présente thèse est d’identifier des médicaments capables d’activer KCC2 pour restaurer l’inhibition afin de traiter la spasticité et la douleur neuropathique.

L’activation de récepteurs sérotoninergiques 5-HT2A avec le TCB-2 [(4-bromo-3,6-dimethoxybenzocyclobuten-1-yl)methylamine hydrobromide] rétablit l’expression de KCC2 et réduit la spasticité des rats ayant subi une lésion de la moelle épinière. Ceci nous a amené à étudier l’effet du TCB-2 sur l’expression de KCC2 dans la corne dorsale et vérifier son action sur la douleur neuropathique. Nous avons découvert que TCB-2 augmente KCC2 dans la corne dorsale de rats après une lésion de la moelle épinière ou de nerf périphérique. TCB-2 réduit aussi la douleur neuropathique, mais seulement à la suite d’une lésion médullaire ; ainsi KCC2 semble intervenir dans l’effet antalgique.

Dans l’étape suivante du travail, nous avons fait un screening d’une librairie de médicaments approuvés pour un usage chez l’homme, afin de déterminer un nouveau médicament capable d’augmenter l’expression et/ou la fonctionnalité de KCC2, en une formulation biodisponible et sûre. Nous avons identifié la prochlorperazine comme une molécule susceptible d’augmenter l’activité de KCC2. Si la prochlorperazine réduit la spasticité avec une efficacité similaire au baclofène, médicament généralement prescrit contre la spasticité chez les patients paraplégiques, et diminue la perte de KCC2 provoquée par la lésion, cette molécule a un effet plus modeste chez les animaux atteints d’allodynie mécanique suite à une lésion médullaire. Ces données précliniques montrent le potentiel pouvoir thérapeutique de la prochlorperazine dans le traitement de la spasticité après une lésion de la moelle épinière avec un effet faible sur la douleur.

En dernier lieu, nous avons étudié les mécanismes moleculaires responsables de la baisse de KCC2 à la suite d’une lésion médullaire. Nos données montrent que l’activation de la calpaïne est le mécanisme qui provoque la perte de KCC2 et l’hyperexcitabilité des motoneurones suite à une lésion de la moelle épinière.

Cette thèse valide KCC2 comme une cible thérapeutique dans le traitement de la spasticité et la douleur neuropathique suite à une lésion de la moelle épinière.

Abstract

Spasticity and neuropathic pain are common symptoms affecting patients after spinal cord injury. Spasticity is defined as an increase of the muscle tone contributing to cramps, whereas neuropathic pain is characterized by painful responses caused by a damaged nervous system. Both symptoms decrease quality of life, and currently available drugs are not uniformly useful against them. Therefore, the need to expand the range of available treatments to control these diseases is a reality in clinics.

Both symptoms arise from a reduced inhibition in the neural networks of the spinal cord. The inhibitory action depends on a low chloride ion concentration in postsynaptic neurons. This low chloride concentration is maintained by the potassium-chloride cotransporter type 2 (KCC2), which extrudes chloride ions from neurons. The expression of KCC2 is markedly decreased in motoneurons after spinal cord injury, which reduces inhibition and contributes to the development of spasticity. A similar reduction in the amount of KCC2 transporters happens in the dorsal horn of the spinal cord, causing neuropathic pain. KCC2 is an interesting therapeutic target to treat both spasticity and neuropathic pain. However, no marketed drug is able to increase KCC2 activity yet.

The present thesis aims to identify drugs capable of activating KCC2 to recover inhibition and treat spasticity and neuropathic pain.

Activation of serotoninergic 5-HT2A receptors with TCB-2 [(4-bromo-3,6-dimethoxybenzocyclobuten-1-yl)methylamine hydrobromide] recovers KCC2 expression in motoneurons and reduces spasticity in rats with spinal cord injury. This led us to consider if TCB-2 would increase KCC2 in the dorsal horn and alleviate neuropathic pain. We found that TCB-2 increased KCC2 in the dorsal horn of rats with a spinal cord or peripheral nerve injury. TCB-2 reduces neuropathic pain too, but only on spinal cord injury ; this analgesic effect is mediated by KCC2.

In the next stage of the work, we performed a screening of drugs approved for human use from a library of compounds to identify a new KCC2 enhancer in a bioavailable and safe formulation. We identified prochlorperazine as an enhancer of KCC2 activity, recovering inhibition in motoneurons after spinal cord injury. Prochlorperazine alleviates spasticity with an efficacy that is similar to baclofen, the gold standard medication for the treatment of spasticity, and rescues the downregulation of KCC2 caused by the injury. Prochlorperazine also showed a modest reduction of mechanical hyperalgesia in animals with a spinal cord injury. These preclinical data support prochlorperazine as a new therapy for the treatment of spasticity after spinal cord injury, having a moderate effect on neuropathic pain.

Lastly, we studied the molecular mechanisms that cause the loss of KCC2 after a spinal cord injury. Our data prove that calpain is the upstream mechanism of KCC2 downregulation and motoneuron hyperexcitability after a spinal cord injury.

This thesis validates KCC2 as a druggable target to treat spasticity and neuropathic pain after spinal cord injury.

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