Soutenance de la thèse de Vanessa Plantier

14 décembre 2015

LA SPASTICITE APRES LESION DE LA MOELLE EPINIERE. IDENTIFICATION DES MECANISMES MOLECULAIRES ET IONIQUES SOUS-JACENTS.


Salle des thèses 1 de la faculté de médecine

Jury :

  • Frédéric Brocard et Laurent Vinay, Directeurs de thèse, INT
  • Mme Valérie Crépel, Présidente, Directrice de recherche INSERM Marseille
  • Mme Arlette Kolta, rapporteur, professeur Université de Montréal
  • Mr Daniel Cattaert, rapporteur, directeur de recherche CNRS Bordeaux
  • Mr Massimo Mantegazza,examinateur, chargé de recherche INSERM, Valbonne
  • Mr Marc Bartoli, examinateur, chargé de recherche INSERM, Marseille

RESUME

La spasticité est l’une des nombreuses complications motrices qui peuvent apparaître après une lésion de la moelle épinière. Elle est présente dans 75 % des patients médullo-lésés et se caractérise par une hypertonie musculaire en réponse à un réflexe d’étirement. Les traitements actuels, qui ciblent les symptômes et non les causes de la spasticité, sont peu efficaces. Bien que les mécanismes neurologiques qui sous-tendent la spasticité soient complexes et restent en grande partie méconnus, un certain consensus se dégage sur le fait qu’elle est associée à une hyperexcitabilité intrinsèque des motoneurones et à une levée de l’inhibition des réflexes spinaux. L’hyperexcitabilité motoneuronale se manifeste par une décharge soutenue de potentiels de plateau et résulte en partie d’une augmentation des courants entrants persistants sodiques (INaP). La désinhibition découle, en partie, d’une baisse de l’expression des cotransporteurs potassium-chlorure de type 2 (KCC2) à la membrane des motoneurones, modifiant ainsi le gradient électrochimique des ions Cl- et donnant un caractère excitateur aux deux principaux neurotransmetteurs inhibiteurs que sont le GABA et la glycine. Néanmoins, les mécanismes à l’origine des dérégulations du courant INaP et des co-transporteurs KCC2 ne sont toujours pas élucidés. Lors de ma thèse, nous avons étudié les mécanismes moléculaires responsables des modifications post-lésionnelles d’INaP et de KCC2. Notre étude in vitro montre qu’une lésion de la moelle épinière chez le rat nouveau-né induit une hyperexcitabilité du réseau moteur sous-lésionnel avec la genèse d’une décharge motrice de forte amplitude et de longue durée, en réponse à une stimulation sensorielle. Cette hyperréflexie repose essentiellement sur un effet synergique entre une potentialisation d’INaP et une désinhibition consécutive au blocage de KCC2. Nous avons mis en évidence que cette hyperréflexie se développe en parallèle avec un clivage des canaux sodiques voltage-dépendants (Nav) et des co-transporteurs KCC2. Ce clivage est diminué par un traitement chronique des animaux médullo-lésés avec un inhibiteur de la calpaïne, une protéase dont l’activité est fortement augmentée après un traumatisme médullaire. Fonctionnellement, l’inhibition des calpaïnes diminue le courant INaP enregistré dans les motoneurones d’animaux lésés et hyperpolarise le potentiel d’équilibre des ions chlorures au sein des motoneurones. Ceci induit une diminution de l’excitabilité des motoneurones et rétablit l’inhibition du réseau moteur sous-lésionnel. De plus, le traitement chronique de l’animal adulte spastique avec un inhibiteur des calpaïnes réduit fortement l’intensité des spasmes musculaires. La réalisation de ces travaux durant ma thèse a permis de dégager un mécanisme fondamental dans la genèse de la spasticité à la suite d’une lésion de la moelle épinière. Ce mécanisme dont le fondement repose sur l’activation en amont des calpaïnes, jouerait un rôle majeur dans l’altération du courant INaP et des co-transporteurs KCC2 à l’origine de l’hyperexcitabilité motoneuronale, elle-même, à la source de la spasticité. Cette avancée scientifique permettra probablement de mieux comprendre l’étiologie de la spasticité dans différentes pathologies (paralysie cérébrale, sclérose latérale amyotrophique, AVC…) et le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour la réduire.

ABSTRACT

More than 12 million people worldwide are affected with spasticity, one of the most disabling motor deficits. Spasticity is commonly caused by several pathologies and specifically after a spinal cord injury (SCI). Spasticity was defined by Lance (1980) as a velocity-dependent increase in muscle resistance to passive stretch. Spasticity is usually associated with hypertonia, clonus, muscle spasm and pain. Treatments are ineffective without serious side effects and furthermore tolerance develops. Thus, spasticity imposes significant burdens on health services and society. A more effective approach to reduce spasticity may be achieved by treatments that act simultaneously on several mechanisms involved in spasticity. Among these mechanisms, we can mention an excitatory/inhibitory imbalance of motoneurons leading to hypertonia. Secifically, the team showed that spasticity results from profound modifications in intrinsic properties of motoneurons, particularly an upregulation of their persistent sodium current (INaP), and their disinhibition due to a reduced expression of membrane chloride ions co-transporters KCC2, so that chloride (Cl-) homeostasis is altered and postsynaptic inhibition is reversed to excitation. The present thesis aims to identify the upstream mechanism in the pathophysiology of spasticity to develop an original, effective, tolerable and minimally invasive treatment. Calpain, a calcium-activated cysteine protease, has been shown to participate in the development of the inflammatory processes after SCI. Of special interest, some determinants governing the inactivation of sodium (Na+) channels are sensitive to proteases and their proteolytic cleavage prevents inactivation of Na+ channels. As a result, INaP is strongly increased. It is worth mentioning that the C-terminal domain of KCC2 is also sensitive to proteases which alter KCC2 ability to extrude Cl- ions. Among the different proteases, calpains are able to truncate both Na+ channels and KCC2 transporters. This led us to consider the exciting possibility that a proteolytic cleavage of both Na+ channels and KCC2 by calpains could compose an upstream inflammatory mechanism contributing to the development of spasticity after SCI. During my thesis, we showed by Western blots in adult SCI rats a proteolysis of Na+ channel α-subunit and KCC2, while biochemical assays identified calpain as the main proteolytic factor. Calpain-dependent cleavage of Na+ channel α-subunit following SCI was associated with an upregulation of INaP in motoneurons and a depolarizing shift of their reversal potential of inhibitory postsynaptic potentials (EIPSP). Likewise, calpain-dependent cleavage of the main motoneuronal Nav1.6 Na+ channel isoform, expressed in HEK293 cells upregulated INaP. Calpain inhibition by MDL28170 reduced the cleavage of both Na+channels and KCC2 associated with a respective downregulation of INaP, hyperpolarizing shift of the EIPSP, and an alleviation of spasticity. Similarly, blockade of INaP by riluzole alleviated spasticity. By contrast, in isolated spinal cord from uninjured animals, pharmacological upregulation of INaP combined with a genetic or pharmacological reduction of KCC2 triggered spastic-like activity. In sum, my thesis demonstrates that the cleavage of Na+ channels and KCC2 by calpain after SCI, is responsible for the upregulation of INaP and disinhibition of motoneurons, that both act synergistically to generate spasticity. The thesis represents a significant breakthrough by providing essential basic knowledge about the etiology of spasticity but also by opening novel perspectives to develop therapies.

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