PHYSIOPATHOLOGIEDES NEUROPATHIES

DIABETIQUES

Bernard CALVINOProfesseur de Physiologie

*Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris* UMR ESPCI-CNRS 7637

MECANISMES METABOLIQUES INTRACELLULAIRES ASSOCIES A LA

NEUROPATHIE DIABETIQUE

Les travaux de Green et Sima (New Engl. J. Med.(1987) 316: 599-606) ont mis en évidence l’importance de la voie des polyols : -le glucose en excès est métabolisé en sorbitol puis en fructose -chez le diabétique, le sorbitol en excès s’accumule dans la membrane basale des capillaires endoneuronaux et participe à l’altération des vasa vasorum qui vascularisent les neurones-l’activation en excès de l’aldose-réductase induit un déficit en myo-inositol dans les cellules de Schwann, altérant la conduction nerveuse

Glucose plasmatique en excès

Cellulede Schwann

MECANISMES METABOLIQUES INTRACELLULAIRES ASSOCIES A LA

NEUROPATHIE DIABETIQUE

Ces perturbations métaboliques sont à l’origine d’une altération de la tolérance au glucose (Impaired Glucose Tolerance - IGT), qui peut être associée au développement d’une polyneuropathie sensorielle douloureuse précoce (polyneuropathie distale symétrique - DPN), principalement ciblée sur les fibres fines non myélinisées épidermiques.

Cette DPN est caractérisée par une perte d’amplitude des potentiels d’action de nerfs sensoriels et d’un ralentissement de la vitesse de conduction nerveuse.

Des tentatives pharmacologiques de correction de ces facteurs métaboliques ont été essayées sans grand succès dans le traitement des DPN: inhibiteurs de l’aldose réductase (ARI), anti-oxydants tel que l’acide alpha-lipoïque

MECANISMES METABOLIQUES INTRACELLULAIRES ASSOCIES A LA

NEUROPATHIE DIABETIQUEFlux excessif de polyols, particulièrement de sorbitol, par l’intermédiaire de la voie de l’aldose-réductaseDéplétion en myo-inositol dans les cellules de Schwann et les nerfsMicro-angiopathie et hypoxie mettant en jeu les troncs nerveux périphériques, les ganglions et la moelle épinièreStress oxydatif résultant de la formation de radicaux libresGlycosylation anormale de protéines structurales des neurones

MODELES DE DOULEURS DE NEUROPATHIQUES DIABETIQUES

Forman et al (1986) : mise en évidence d’une diminution des seuils de réponse à la plaque chaude chez des rats diabétiques (STZ) 7 semainesModèle essentiellement étudié par C. Courteix depuis 1993 (Pain, 53 : 81-88)Hyperalgésie et allodynie (mécanique et thermique) entre 14 et 21j marquée à 28j p.i.Etude pharmacologique : effet protecteur de l’insuline, faible efficacité de la morphine, efficacité antalgique des molécules noradrénergiques (desipramine, clonidine), mise en jeu des tachykinines, des MAP-Kinases neuronales et gliales via un mécanisme NMDA-dépendant, …Altération de la vitesse de conduction motrice sans montrer d’atteintes morphologiques des nerfs périphériques

Diabetes MellitusExpérimental chez le rat

induit par injection de STZPre-injection de streptozotocine (STZ, toxine spécifique des cellules béta des ilôts de Langerhans) : déclenche un diabetes mellitusexperimental observé pendant plus d’un mois.Mécano-allodynie, allodynia et hyperalgésie thermique à la chaleur sont observées dès le 21ème jour p.i.

(Courteix and Eschallier - 1993)

Diabetes MellitusExpérimental chez le rat

induit par injection de STZModèle controversé du fait de l’état de santé général détérioré des animaux (réduction de la prise de poids corporel, polyurie, diarrhée, vessie distendue) : peut-on attribuer les signes cliniques de type neuropathique au diabète ou à cet état de santé détérioré ?Un traitement chronique à l’insuline, à une dose ajustée pour rétablir une normo-glycémie, permet d’améliorer le modèle

PHYSIOPATHOLOGIE : *NOUVEAUX MECANISMES

*NOUVELLES CIBLES

Les facteurs neurotrophiques (NGF)L’insulineAdvanced glycation endproducts (AGE) –receptors for AGE (RAGE)Poly (ADP-ribose) polymerase (PARP)Changement phénotypique du canal Na+

MECANISMES MIS EN JEU DANS LES POLYNEUROPATHIES

DIABETIQUES

Schéma simplifié mettant en évidence les évènements neurodégénératifs intervenant dans les neurones sensoriels du GRD au cours du diabète

LE NGF

LE NGF, SON RECEPTEUR et SES VOIES DE

TRANSDUCTIONLe NGF est un facteur de croIssance de la famille des NEUROTROPHINESIl est synthétisé à la périphérie par les kératinocytes et les fibroblastesEn se liant à son récepteur à haute affinité dimérisé, TrkA, le NGF induit l’activation de ses tyrosine-kinases à l’origine d’une auto-phosphorylation des résidus tyrosine, déclenchant une cascade de réactions de phosphorylations par activation des kinases intra-cellulaires (PI(3)K-Akt, Raf, MEK)

LE RÔLE DU NGF DANS LES NEUROPATHIES DIABETIQUES

Anand P et al, Nature Med. 2 (1996) : 703-707

Chez le rat diabétique (modèle STZ):- diminution des concentrations en NGF dans les nerfs sensoriels et sympathiques, ainsi que dans leurs tissus cibles (la peau) - altération du transport axonal rétrograde du NGF.

Chez les patients diabétiques:- déplétion en NGF et en substance P (SP) mais pas en VIP ni en CGRP dans la peau -dysfonction des fibres nerveuses qui expriment le récepteur TrKA du NGF:

*fibres sensorielles de petit diamètre ( de la sensation de chaud et de froid et du seuil de douleur au chaud dans la plante du pied mais pas dans la paume de la main)

*fibres sympathiques (sudation, réflexe de hoquet)

LE RÔLE DU NGF DANS LES NEUROPATHIES DIABETIQUES

Anand P et al, Nature Med. 2 (1996) : 703-707

Chez les patients diabétiques (suite):-corrélation significative entre la déplétion en NGF et une diminution de la vasodilatation du réflexe d’axone déclenchée par la libération de SP par les fibres sensorielles de petit diamètre-déplétion en NGF dans les kératinocytes de la peau

CONCLUSION: -la diminution du NGF endogène de la peau (du fait de la diminution chez les diabétiques du turn over de la division des kératinocytes qui le synthétisent) contribue au développement des polyneuropathies sans négliger le rôle important des désordres métaboliques et vasculaires qui sont principalement à leur origine-hélas, des essais cliniques (traitement chronique précoce au NGF, rhNGF), à des doses qui ne génèrent que des hyperalgésies locales transitoires, se sont révélés décevants dans le traitement des polyneuropathies distales des diabétiques.

DEFICIENCE EN INSULINE OU RESISTANCE A

L’INSULINE DANS LA PATHOGENESE DES DPN

INSULINEL’insuline est un peptide neurotrophique et ses récepteurs sont largement exprimés sur la plupart des neurones périphériques.Injectée par voie intra-thécale à faibles doses chez le rat, elle se lie à ses récepteurs sur les membranes des neurones sensoriels périphériques et génère une cascade de réactions intra-cellulaires qui contribuent à la survie et à la croissance de ces neurones

L’INSULINE, SON RECEPTEUR et SES VOIES

DE TRANSDUCTION

En se liant à son récepteur à haute affinité dimérisé, l’insuline induit l’activation de ses tyrosine-kinases à l’origine d’une auto-phosphorylation des résidus tyrosine, déclenchant une cascade de réactions de phosphorylations par activation des kinases intra-cellulaires (PI3K-Akt, Raf, MEK et ERK) dont certaines sont communes avec celles du NGF

EXPRESSION DU RECEPTEUR DE L’INSULINE PAR LES

NEURONES DES DRG Neurones de DRG en culture (microscopie de fluorescence):- (A), IR-α (sous-unité alpha du récepteur de l’insuline)- (B), IR-NeuN (marqueur neuronal)- (C), co-localisation - (D), images laser en microscopie confocale mettant en évidence la présence de IR-α dans la membrane périnucléaire des neurones du DRG (absence d’ iR-α dans le noyau neuronal) (E), Western-blot caractérisant la présence de la sous-unité β du recepteur del’insuline (IR β-95 kDa) : cerveau (1), muscle squelettique (2), GRD (3), moelle épinière (4), (F), résultats de PCR (neurones du GRD) avec deux paires d’amorces différentes pour IR-β (3–4, 7–8), (marqueurs 1) C. Toth et al, Neuroscience 139 (2006): 429-449

Remote neurotrophic support of epidermal nerve fibres in experimental diabetes

C. Toth et al, Diabetologia. 49 (2006): 1081-1088

Longueur des fibres nerveuses épidermiques chez des rats diabétiques ou contrôle, traités ou non à l’insuline ou à l’IGF1:

Le diabète est associé à un rétrécissement des fibres épidermiques dans les 4 groupes.

L’infusion d’insuline ou d’IGF1 intrathécale est associée à une diminution de la perte substantielle de la longueur des fibres nerveuses épidermiques

Remote neurotrophic support of epidermal nerve

fibres in experimental diabetes

C. Toth et al, Diabetologia. 49 (2006): 1081-1088

Coupes d’épidermes mettant en évidence les fibres nerveuses en microscopie confocale : -fibres nerveuses épidermiques (marquées en vert). -membrane basale et vaisseaux (collagène de type IV, rouge). -Mélanocytes et cellules de Langerhans de l’épiderme et membranes des cellules de Schwann du derme (protéine S100bleue).

a animal contrôle avec infusion intrathécale de sérum physiologique.

b–d Animaux diabétiques avec infusion intra-thécale d’insuline, d’IGF-1, et de sérum physiologique respectivement :-diminution de la longueur et de la densité de fibres nerveuses chez les animaux diabétiques;-diminution de la longueur des fibres nerveuses épidermiques partiellement compensée par l’infusion d’insuline ou d’IGF1, mais pas par le sérum physiologique.

Présence de formations bulbaires, ou de gonflements axonaux dans des coupes de rats diabétiques (flèches).

Activité neurotrophique à distance de l’insuline et de l’IGF1 dans la survie des fibres nerveuses épidermiques au cours du diabète expérimental

Des doses sub-hypoglycémiantes d’insuline délivrée par voie intrathécale protége les axones myélinisés de l’atrophie et de leur dégénérescence dans la peau alors que, délivrée par voie sous-cutanée, elle reste sans effet

L’activité physiologique (conduction sensorielle et motrice des fibres nerveuses) est également préservée

Le même rôle exercé par l’IGF1 laisse supposer une signalisation croisée des deux molécules (occupation réciproque de leurs récepteurs)

CONCLUSION

L’insuline, indépendamment des ses actions hypo-glycémiques, pourrait représenter une source de support neurotrophique importante pour les axones périphériques (rôle possible de l’IGF1 ?)L’hypothèse d’une administration intra-nasale d’insuline (accès rapide de la molécule au liquide céphalo-rachidien) est en cours d’étude clinique

Advanced Glycation Endproducts (AGE) –Receptors for AGE

(RAGE)produits d’une glycoxidation non-enzymatique de protéines (sur les résidus Lys et Arg) et de lipides

AGE-RAGE Initiation et potentialisation des lésions des cellules béta par les ligands RAGE; de l’auto-immunité aux complications du diabète.

*attaque auto-immune des cellules beta et diminution de la sécrétion d’insuline*augmentation de la sécrétion des ligands AGE et recrutement des récepteurs RAGE des cellules betaentraînant une augmentation des AGEsYan S F et al; J.Mol. Med. (2009) 87: 235-247

AGE-RAGE*lésion croissante des îlots de Langerhans et apparition de l’hyperglycémie (véritable stimulus du cycle AGE-RAGE)*genèse de la cascade inflammatoire et de la lésion des micro-vaisseaux et des cellules nerveuses centrales et périphériques qui expriment RAGE.

Bloquer le cycle AGE-RAGE consituerait une nouvelles voie thérapeutique

Yan S F et al; J.Mol. Med. (2009) 87: 235-247

Les inhibiteurs de PARP

PARPLa poly-ADP-ribosylation des histones et d’autres protéines nucléaires est une modification post-traductionnelle liée à de l’ADN endommagé. Des enzymes spécifiques, les poly(ADP-ribose) polymérases (PARP) en sont responsables, en utilisant le NAD comme source d’ADP-ribose. Les chaînes de poly(ADP-ribose) peuvent être longues et dépasser la centaine de résidus. Cette accumulation de résidus chargés modifie le microenvironnement autour des dommages.

Les inhibiteurs de PARP

PARP est une enzyme de réparation de l’ADN activée par les radicaux libresL’activation excessive de PARP est un facteur important contribuant aux microangiopathies, à la dégénérescence des fibres nerveuses intra-épidermiques et aux changements fonctionnels associés aux neuropathies dans le diabète avancé de type 1Le développement d’inhibiteurs de PARP pourrait constituer une piste pharmacologique importante pour prévenir ou traiter les neuropathies périphériques du diabète de type 1

PARP inhibition or gene deficiency counteracts intraepidermal nerve fiber loss and neuropathic pain in advanced diabetic neuropathy.

Obrosova IG et al - Free Radic Biol Med. (2008) 44: 972-981.

A: profils de fibres nerveuses intra-épidermiques (C, contrôle; D, diabétiques; T:traitement PARPI, GPI-15427)C: PARP +/+: souche sauvage;PARP -/- souris ayant le gène PARP invalidéB et D: densité de fibres cutanées

PARP inhibition or gene deficiency counteracts intraepidermal nerve fiber loss and neuropathic pain in advanced diabetic neuropathy.Obrosova IG et al - Free Radic Biol Med. (2008) 44: 972-981.

A: immuno-marquage de PARP dans le nerf sciatique B: immuno-marquage de PARP dans le GRDC: immuno-marquage de PARP dans le nerf sciatique: PARP +/+: souche sauvage; PARP -/- souris ayant le gène PARP invalidé

Les inhibiteurs de PARP dans le traitement des neuropathies du

diabèteGPI-15427 inhibe partiellement l’activité de PARP dans les nerfs périphériques et dans les GRDGPI-15427 inhibe partiellement l’hypoalgésie thermique, l’hyperalgésie mécanique, l’allodynie tactile, les réponses comportementales exagérées à une injection de formol diluéGPI-15427 inhibe partiellement la dégénérescence des fibres nerveuses intra-épidermiquesGPI-15427 ne corrige pas ni n’améliore l’hyperglycémie diabétiqueL’invalidation du gène PARP (souris PARP-/-) empêche la perte des fibres nerveuses intra-épidermiques chez les souris diabétiques (46% de perte chez les souris PARP +/+)

Le développement d’inhibiteurs de PARP pourrait constituer une piste pharmacologique importante pour prévenir ou traiter les neuropathies périphériques du diabète de type 1

Changement phénotypique du

canal sodique Na+v

voltage-dépendant

Le canal sodique Na+v

Schéma structural du canal sodique mettant en évidence les interactions avec les anesthésiques locaux :A: la sous-unité alpha est transmembranaire (4 domaines avec séquences homologues, D1-D4, contenant chacun 6 hélices alpha (S1-S6);B: ouverture du canal par mouvement du segment S4 chargé positivement en réponse à la dépolarisation membranaire;C: inactivation rapide du canal consécutive à la liaison de la petite boucle intracellulaire qui connecte D3 et D4 avec l’extrémité C-terminale de la protéine. Les anesthésiques locaux (LA) se lient dans le pore du canal (X) ou sur le pore P jouant le rôle de filtre sélectif du canal (entre D1 et D2).

CANAUX SODIQUES VOLTAGE-DEPENDANTS ET DOULEURS

NEUROPATHIQUESLa sous-unité alpha (Nav 1) constitue le senseur du voltage membranaire

Chez le rat, 9 isotypes ont été identifiés: Nav 1.1 à Nav 1.9; 7 sont exprimés dans les neurones sensoriels primaires; 5 sont sensibles à la TTX (1, 2, 3, 6, 7) et 2 résistantes (8, 9). Nav 1.3 n’est exprimé qu’au cours du développement embryonnaire.

Altération du pattern d’expression de certaines sous-unités dans des douleurs neuropathiques associées au modèle de diabète expérimental (STZ) :

- dans le GRD, Nav 1.3 et Nav 1.6 sont surexprimés et Nav 1.8 sous-exprimé dans les neurones de petit et de gros diamètre, et Nav 1.9 n’est surexprimé que dans les neurones de gros diamètre, (Craner M.J. et al, Ann Neurol (2002) 52: 786-792).

-dans les neurones de petit et moyen diamètre, Nav 1.3 et Nav 1.7 sont surexprimés, et Nav 1.6 et Nav 1.8 sous- exprimés; ces variations d’expression sont associées à des augmentations de phosphorylations à la fois sur les sites sérine/thréonine et tyrosine (Hong S. et al, J Biol Chem (2004) 279: 29341-29350).

Canaux sodiques et neuropathies diabétiques

Double marquage (jaune) par immuno-fluorescence de neurones du GRD de petit diamètre associés aux fibres C (marqueur : périphérine, vert) et de canaux sodiques (rouge) :

A: diminution de l’expression de Nav 1.6 chez les animaux diabétiques (63,6% - 59,7%)

B: augmentation de l’expression de Nav 1.7 chez les animaux diabétiques (55,6% - 65,6%)

C: diminution de l’expression de Nav 1.8 chez les animaux diabétiques (77,6% - 62,6%)

(Hong S. et al, J Biol Chem (2004) 279: 29341-29350).

TRAITEMENTS POSSIBLES DES DOULEURS

NEUROPATHIQUES DU DIABETE

Oxycodone and morphine have distinctly different pharmacological profiles: radioligand binding and behavioural studies in two rat models of neuropathic pain.Nielsen CK et al - Pain. (2007)132: 289-300.

Mean (±SEM) dose–response curves based on the percent maximum area under the ∆PWT versus time curve (% MAX ∆PWT AUC) values for s.c. bolus doses of oxycodone (upper) and morphine (lower) administered to DA rats with streptozotocin (STZ)-induced diabetes at 3, 9, 12 and 24 weeks post-STZ administration, and after administration of oxycodone and morphine to control non-diabetic DA rats.

Structure du canal calcique

Weiss N., De Waard M. - Les canaux calciques dépendants du voltage au cœur de la douleur. Médecine/Sciences 2006 ; 22 : 396-404.

α

β

ss α

δ

Ext.

Int.

2

1γ

DIVERSITÉ STRUCTURALE DES CANAUX CALCIQUES

Ca++ *La Gabapentine et la Prégabaline se fixent sur la sous-unité régulatrice α2-δ du canal calcique et en bloque le fonctionnement.*L’ω-conotoxine bloque le pore du canal calcique et le rend imperméable au calcium

α2

β

δγ α1

prégabaline

-

Arikkath and Campbell 2003

LA PRÉGABALINE SE FIXE À LA SOUS-UNITÉ α2-δ

CONCLUSION : LA PRÉGABALINE, EN SE LIANT À LA SOUS-UNITÉ α2-δ, RÉDUIRAIT L’EXCITABILITÉ

prégabaline

α2-δCa2+

Ca2+

CANAUX CALCIQUES VOLTAGE-DEPENDANTS ET DOULEURS

NEUROPATHIQUES

Le NEURONTIN (GABAPENTINE) et le LYRICA (PREGABALINE) sont des antiépileptiques qui ont une activité pharmacologique dans le traitement des douleurs neuropathiques parce que ce sont des bloqueurs du canal calcique dont l’activité est voltage-dépendante (Cav).