Transduction du message nociceptif : rôle des canaux ioniques

Les canaux TRP

Les canaux Transient Receptor Potential (TRP) ont été identifiés chez la Drosophile (Montell and Rubin, 1989). Ils ont été nommés d’après le phénotype d’un mutant drosophile qui présentait une réponse transitoire à la lumière plutôt qu’une réponse soutenue. Les canaux TRP ont été identifiés chez les mammifères, par étude d’homologie de séquence. Ils ont été impliqués dans la vision, l’olfaction, le goût, la sensibilité mécanique et thermique et la régulation osmotique (Clapham, 2003).
Chez les mammifères, on distingue vingt-huit canaux TRP répartis en six sous-familles : TRPC (Canonical), TRPV (Vanilloid), TRPM (Melastin), TRPP (Polycystin), TRPML (Mucolipin) et TRPA (Ankyrin) (Nilius et al., 2007) (Figure 8A). Malgré une faible homologie de séquence entre les différentes sous-familles, les canaux TRP présentent tous une topologie membranaire similaire (Figure 8B). Chaque sous-unité contient six segments transmembranaires (S1 à S6) et une boucle hydrophobe entre S5 et S6 qui constitue le domaine pore. Les régions N- et C-terminales sont intracellulaires et contiennent des sites de régulation par des protéines kinases, des protéines chaperonnes et d’échafaudage. Il faut quatre sous-unités assemblées en homo- ou hétéro-tétramères pour former un canal fonctionnel (Liao et al., 2013; Ramsey et al., 2006; Schaefer, 2005). Tous les TRP sont des canaux cationiques non sélectifs dépolarisants et excitateurs pour la cellule. Ils augmentent les concentrations de calcium et de sodium intracellulaires. Ils sont largement exprimés dans les tissus, on les retrouve dans différents types cellulaires comme les cellules musculaires lisses, épithéliales, les cellules du système immunitaire ainsi que dans les neurones. Six des vingt-huit membres de la famille des TRP sont exprimés dans les neurones sensoriels ou les kératinocytes, des cellules de peau qui sont les cibles des afférences périphériques sensorielles : TRPV1-4, TRPM8 et TRPA1 (Bourinet et al., 2014) et ont été impliqués dans la détection de stimuli nocifs (Figure 10).

TRPV1 (VR1)

Le canal TRP vanilloïde de type 1 (TRPV1, aussi appelé VR1) a été le premier TRP identifié dans les neurones nociceptifs (Caterina et al., 1997) grâce à son activation par la capsaïcine, un composé vanilloïde irritant, substance active du piment. C’est aussi le premier canal TRP dont la structure tridimensionnelle a été élucidée (Liao et al., 2013). Décrit dans les neurones de petit et moyen diamètres des ganglions sensoriels (DRG et trijumeaux), il est exprimé dans les fibres nociceptives de type C et Aδ (Figure 9). Chez le rongeur, il est présent dans 30 à 50% des neurones sensoriels (Kobayashi et al., 2005; Tominaga et al., 1998) et chez l’Homme dans 70% des neurones de DRG cervicaux (Anand et al., 2006). Il est également exprimé dans d’autres neurones du système nerveux périphérique, et il a été identifié dans des afférences vagales et trigéminales qui expriment la SP, le CGRP, et les récepteurs TrkA. Le canal TRPV1 est aussi exprimé dans le système nerveux central, le tractus gastro-intestinal et les épithéliums de la peau et de la vessie (Bourinet et al., 2014).

Transduction du message nociceptif : rôle des canaux ioniques

TRPV1 est un canal activé par le chaud nocif (Q10 > 20)1 dont le seuil de sensibilité avoisine les 43°C (Caterina et al., 1997), une température qui correspond aux seuils de douleur chez l’Homme et l’animal ainsi qu’au seuil d’activation des fibres afférentes nociceptives (Cesare and McNaughton, 1996; LaMotte and Campbell, 1978). Plusieurs observations ont pu montrer une relation directe entre l’expression de TRPV1 et la thermosensibilité des cellules. Une étude électrophysiologique utilisant des cellules HEK293 transfectées pour exprimer TRPV1 montre une forte corrélation entre la sensibilité à la capsaïcine et la sensibilité à la chaleur tant au niveau de l’intensité que de la cinétique de la réponse (Tominaga et al., 1998). Cela a également pu être observé sur des neurones sensoriels de petit diamètre (Kirschstein et al., 1997; Nagy and Rang, 1999a). Il existe une désensibilisation croisée des réponses à ces deux stimuli, et les courants évoqués par la capsaïcine et la température sont diminués par des antagonistes de TRPV1 comme la capsazépine et le rouge de ruthénium (Kirschstein et al., 1999). De plus, ces deux réponses sont caractérisées par des courants à rectification sortante et une perméabilité relativement élevée aux ions calcium. Que ce soit dans des systèmes d’expression hétérologue ou dans des neurones sensoriels, l’augmentation de la température et la capsaïcine provoquent des courants unitaires en patch excisé, preuve que l’activation du canal par ces deux stimuli ne nécessite pas l’intervention d’un partenaire cytosolique (Tominaga et al., 1998). Néanmoins, une étude de neurones de DRG en patch excisé a montré une absence de superposition des réponses à ces deux stimuli ainsi qu’une insensibilité de certains courants activés par le chaud à l’antagoniste de TRPV1, la capsazépine (Nagy and Rang, 1999b). Cela suggère que TRPV1 n’est pas le seul canal impliqué dans la sensation du chaud.
TRPV1 a été originellement décrit comme indépendant du potentiel de membrane (Caterina et al., 1997). Or certaines des propriétés du canal sont voltage-dépendantes (Gunthorpe et al., 2000; Vlachová et al., 2003; Voets et al., 2004). Le seuil d’activation de TRPV1 en réponse à une augmentation de température est nettement abaissé lorsque la membrane est dépolarisée. La sensibilité thermique du canal est donc fortement dépendante du potentiel membranaire (Voets et al., 2004).
TRPV1 est également modulé par le pH. Les protons extracellulaires induisent des réponses excitatrices à la fois transitoire et soutenue de neurones sensoriels en culture, la seconde étant responsable de la douleur persistante associée à une acidose tissulaire sévère (Bevan and Geppetti, 1994). Il a été montré qu’une diminution du pH augmente la réponse évoquée par la capsaïcine et que les protons extracellulaires potentialisent les courants activés par la chaleur. De plus, une réduction du pH diminue le seuil d’activation du canal puisqu’à un pH de 6,3, on peut observer des courants à 35°C, une température où le canal est normalement fermé (Caterina et al., 1997; Jordt et al., 2000; Tominaga et al., 1998). Cette activation par les protons est observable en patch excisé, suggérant que les protons ont une action directe sur le canal (Tominaga et al., 1998). Il a aussi été montré que le canal TRPV1 était activé de façon directe par les lipides, en particulier les métabolites de lipides membranaires comme l’acide arachidonique, et par la pression ce qui lui permet d’être un senseur des changements osmotiques de la cellule (Tominaga et al., 1998). Certains médiateurs pro inflammatoires qui induisent une sensibilisation des nocicepteurs peuvent également moduler l’activité de TRPV1. La bradykinine et l’ATP extracellulaire potentialisent les réponses du canal via les récepteurs P2Y2 et B2, respectivement, dans les systèmes d’expression hétérologue et les neurones de DRG (Sugiura et al., 2002; Tominaga et al., 2001). Ces deux médiateurs abaissent le seuil d’activation de TRPV1 jusqu’à 30°C et cette action PKC-dépendante puisque différents inhibiteurs de PKC bloquent à la fois la potentialisation et la sensibilisation du canal. Les prostaglandines (PGE2), la sérotonine, l’histamine et le NGF, d’autres médiateurs pro inflammatoires sont capables eux aussi de moduler l’activité de TRPV1 ainsi que son trafic à la membrane induisant une sensibilisation du canal et une hyperalgésie thermique (Kanai et al., 2007; Tominaga and Caterina, 2004; Zhang et al., 2005).
Plusieurs études utilisant des souris invalidées pour le gène Trpv1 ont permis de confirmer ces observations in vivo (Caterina et al., 2000; Davis et al., 2000). Les souris TRPV1-/- présentent une réponse diminuée mais non abolie à la douleur thermique aigue, confirmant qu’il n’est pas le seul canal impliqué dans la perception du chaud nocif. Par contre, on observe chez ces souris une perte complète de sensibilité à la capsaïcine. Néanmoins, une autre étude a montré que les souris TRPV1-/- répondaient normalement aux stimuli thermiques et que TRPV1 ne serait pas nécessaire
à la détection du chaud nocif (Woodbury et al., 2004). Cette étude révèle que TRPV1 n’est exprimé que dans une faible partie de neurones IB4-positifs et que les nocicepteurs IB4 positifs qui n’expriment pas le canal ont des réponses normales au chaud. L’ablation sélective des neurones TRPV1-positifs révèle que ces neurones sont des nocicepteurs médiant spécifiquement la douleur thermique et non la douleur mécanique (Mishra and Hoon, 2010). Ces neurones portent toute la sensibilité au chaud et sont responsables de la détection de températures entre 40°C et 50°C (Mishra et al., 2011; Pogorzala et al., 2013). C’est une population spécifique de nocicepteurs qui expriment TRPV1 qui est indispensable à la sensibilité au chaud, alors que le canal lui-même n’en serait que partiellement responsable. L’inflammation n’induit pas d’hyperalgésie thermique chez les souris knockout, ce qui démontre le rôle essentiel de TRPV1 dans la douleur inflammatoire (Caterina et al., 2000; Davis et al., 2000). L’étude des souris TRPV1-/- a également permis de mettre évidence le rôle de TRPV1 dans le fonctionnement de la vessie, la régulation de l’osmolarité, le diabète, la pancréatite, la toux, l’arthrite, l’anxiété et la fièvre (Barton et al., 2006; Birder et al., 2002; Ciura and Bourque, 2006; Iida et al., 2005; Marsch et al., 2007; Patapoutian et al., 2009; Razavi et al., 2006).

TRPV2 (VRL-1)

Le canal TRPV2 présente près de 50% d’homologie avec TRPV1 (Ramsey et al., 2006). Des études fonctionnelles dans des ovocytes de Xénope et des cellules mammifères ont montré qu’il n’est pas sensible à la capsaïcine ni aux protons et qu’il s’active à des températures supérieures à 52°C (Caterina et al., 1999; Patapoutian et al., 2003). Il est exprimé dans une grande variété de tissus dont différentes régions cérébrales, la moelle épinière et les neurones de ganglions sensoriels mais aussi dans le plexus myentérique (Caterina et al., 1999; Lewinter et al., 2004; Nedungadi et al., 2012; Park et al., 2011). TRPV2 est exprimé dans des fibres nociceptive de type Aδ et C (Ma, 2001) mais il est majoritairement exprimé dans les neurones sensoriels de moyen et grand diamètre qui projettent vers les laminae les plus profondes de la corne dorsale (Patapoutian et al., 2003). Il a également été décrit comme un canal mécanosensible, jouant un rôle dans la régulation de la sensibilité à l’hyper osmolarité tissulaire (Muraki et al., 2003). TRPV2 pourrait être responsable de la détection de la chaleur hautement nocive (Caterina et al., 1999; Woodbury et al., 2004). Néanmoins, les souris TRPV2-/- ont une perception mécanique et thermique normale (Park et al., 2011) et les nocicepteurs n’exprimant pas TRPV2 répondent normalement au chaud (Woodbury et al., 2004). TRPV2 pourrait être impliqué dans la sensibilisation des fibres nerveuses puisque son expression dans les neurones de DRG augmente dans des conditions d’inflammation et de lésion nerveuse (Frederick et al., 2007; Shimosato et al., 2005).

TRPV3 (VRL-2)

TRPV3 est activé à des températures modérées, son seuil de sensibilité thermique étant d’environ 33°C, et il est sensible au camphre. Les courants TRPV3 induits par la température présentent une forte rectification sortante, et augmentent avec la température (Peier et al., 2002a; Smith et al., 2002; Xu et al., 2002). Chez la souris, le canal TRPV3 est exprimé dans les kératinocytes de la peau mais pas dans les neurones sensoriels (Peier et al., 2002a). Par contre on le retrouve dans les neurones sensoriels de singe et humains (Smith et al., 2002; Xu et al., 2002). Dans un système d’expression hétérologue, TRPV3 est capable d’interagir avec TRPV1 et ces deux canaux sont coexprimés dans les neurones de DRG humains, néanmoins, on ne sait pas encore quels peuvent être les effets de cette interaction sur la fonction du canal (Smith et al., 2002). Les souris invalidées pour TRPV3 présentent un thermotactisme altéré. La détection de températures modérées, tièdes, n’étant pas totalement abolie chez les souris knockout, TRPV3 n’est pas le seul canal impliqué dans la perception de ces gammes de températures. De plus, les souris TRPV3-/-montrent un comportement nociceptif altéré pour des températures supérieures à 50°C, indiquant que TRPV3 et TRPV1 ont des fonctions chevauchantes dans la perception du chaud nocif. Toutefois, la perception au chaud des souris TRPV1-/–TRPV3-/- est altérée mais pas abolie, indiquant qu’ils ne sont pas les seuls responsables de la perception de températures chaudes. TRPV3 ne semble pas impliqué dans les douleurs inflammatoires ou neuropathiques puisque les souris KO ne présentent pas de déficit dans l’hyperalgésie thermique induite dans ces conditions (Moqrich et al., 2005).

TRPV4 (VROAC)

Le canal TRPV4 a d’abord été identifié comme un canal sensible aux variations de l’osmolarité cellulaire (Liedtke et al., 2000; Strotmann et al., 2000). Mais il est, lui aussi, activé dans des gammes de températures modérées (25°C-34°C) (Güler et al., 2002; Watanabe et al., 2002). Contrairement à TRPV3, TRPV4 se désensibilise après une exposition répétée ou prolongée à une température supérieure à 42°C. (Güler et al., 2002). La température est un modulateur important de l’activité de ce canal car un réchauffement entraîne une activation plus rapide par les autres stimuli auxquels TRPV4 est sensible. Par exemple, il n’est que modérément sensible à un gonflement cellulaire à température ambiante alors que sa réponse est fortement augmentée à 37°C (Güler et al., 2002). TRPV4 est également sensible à l’anandamide, l’acide arachidonique et certains de ses métabolites (Watanabe et al., 2003). Même s’il ne semble pas être un transducteur direct des stimulations mécaniques, TRPV4 pourrait être impliqué dans l’initiation de l’hyperalgésie mécanique. En effet, une stimulation hypo- ou hypertonique induit une hyperalgésie mécanique chez l’animal, qui est réduite après extinction in vivo du gène (Alessandri-Haber et al., 2003).
TRPV4 est exprimé dans différents types cellulaires, dont les cellules endothéliales et épithéliales, les chondrocytes, les adipocytes et les neurones du SNC comme du SNP. Sa présence dans les neurones de DRG et des ganglions trigéminés suggère un rôle dans les réponses nociceptives mécaniques dans les tissus somatiques et les viscères. (Nilius and Voets, 2013).
Des études d’immunohistologie chez le rat et la souris ont montré une forte expression de TRPV4 dans la peau, en particulier dans les kératinocytes (Güler et al., 2002).
Les souris invalidées pour TRPV4 présentent un défaut de perception thermique (Lee et al., 2005; Todaka et al., 2004) et de régulation osmotique (Liedtke and Friedman, 2003; Mizuno et al., 2003) ainsi qu’une diminution de leur sensibilité à l’acide et un thermotactisme altéré (Suzuki et al., 2003). Par contre, les réponses au chaud nocif et à des stimuli mécaniques faibles sont conservées (Suzuki et al., 2003). Étonnamment, l’hyperalgésie thermique induite par une injection de carragénine est diminuée chez les souris TRPV4-/- suggérant un rôle du canal dans l’initiation d’une douleur inflammatoire (Todaka et al., 2004).

TRPM8 (CMR1)

D’abord identifié dans la prostate comme un canal sensible aux androgènes (Tsavaler et al., 2001), TRPM8 a ensuite été décrit comme le principal senseur du froid chez les mammifères (Babes et al., 2011; Bautista et al., 2007; McKemy et al., 2002). Il est fortement activé par des températures inférieures à 26°C (Q10 ~40) et il est sensible à des molécules qui induisent une sensation de froid comme le menthol l’eucalyptol et l’icilin (McKemy et al., 2002; Peier et al., 2002b). Les variations de pH modulent également son activité puisqu’une acidification extracellulaire inhibe l’activation du canal par le menthol et l’icilin (Behrendt et al., 2004). TRPM8 est un canal voltage-dépendant (Voets et al., 2004). La dépolarisation de la membrane plasmique est capable d’activer le canal et elle modifie également sa thermosensibilité en déplaçant son seuil d’activation au froid vers des températures plus hautes (Voets et al., 2004).
TRPM8 est fortement exprimé par environ 15% des neurones somatosensoriels. On le retrouve dans 10% des neurones de DRG et des ganglions trijumeaux, en particulier dans les neurones de petit diamètre qui n’expriment pas les marqueurs classiques de nocicepteurs comme TrkA, le CGRP, la SP et la liaison de l’IB4 (Kobayashi et al., 2005; Peier et al., 2002b) (Figure 9). Ces observations sont cohérentes avec le pourcentage de neurones activés par le froid et le menthol évalué par des mesures de neurones sensoriels en culture (Reid and Flonta, 2001; Viana et al., 2002). Une infime partie des fibres exprimant TRPM8 pourraient coexprimer le canal TRPV1, ce qui expliquerait le phénomène de froid paradoxal (lorsque des températures supérieures à 45°C induisent une sensation de froid) (McKemy et al., 2002; Reid et al., 2002; Viana et al., 2002) mais il existe des divergences quant à cette colocalisation en fonction des études menées (Dhaka et al.,
2006; Knowlton et al., 2013; Story et al., 2003; Takashima et al., 2007, 2010). Les canaux TRPM8 sont aussi retrouvés en dehors du système somatosensoriel : dans la vessie, la prostate et certains types de tumeur (Julius, 2013; Tsavaler et al., 2001).
Les souris invalidées pour TRPM8 présentent une sévère altération de la sensibilité au froid et ne sont plus capables de distinguer le tiède du froid. TRPM8 joue un rôle à la fois dans la perception du froid modéré et du froid nocif (Bautista et al., 2007; Colburn et al., 2007; Dhaka et al., 2007). Par contre, leur sensibilité mécanique et au chaud nocif est préservée, indiquant une ségrégation fonctionnelle de ces modalités. L’hypersensibilité au froid induite par l’inflammation et certains traumatismes est significativement diminuée chez les souris TRPM8-/- ou si on bloque le canal pharmacologiquement (Calvo et al., 2012; Colburn et al., 2007). Paradoxalement, un stimulus froid peut aussi avoir, dans un contexte inflammatoire ou de lésion, un effet analgésique qui serait dépendant de TRPM8 (Dhaka et al., 2007; Proudfoot et al., 2006). L’oxaliplatine, est une molécule de synthèse dérivée de platine utilisé dans les traitements anticancéreux dont l’un des effets secondaires le plus courant et le plus handicapant pour les patients est une forte allodynie au froid (Attal et al., 2009). Il a été montré que l’expression de TRPM8 dans les neurones de DRG de rat est sensiblement augmentée par le traitement à l’oxaliplatine (Anand et al., 2010; Gauchan et al., 2009; Kawashiri et al., 2012). De plus, les souris TRPM8-/- ne développent pas d’hypersensibilité au froid après le traitement (Descoeur et al., 2011), suggérant que TRPM8 joue un rôle majeur dans cet effet secondaire de l’oxaliplatine.