Etude des relations entre réactivité corticale, métabolisme sérotoninergique et système trigéminovasculaire dans des modèles expérimentaux de migraine chez le rongeur

RésuméLes migraines sont des maladies neurologiques particulièrement fréquentes et handicapantes dont l’étiopathogénie est imparfaitement comprise. La migraine avec aura qui affecte 20-30% des patients se manifeste au début des crises par des symptômes visuels, sensitifs ou même aphasiques. Cette aura migraineuse est due au phénomène de dépression corticale envahissante (DCE) qui se caractérise par une brève dépolarisation neuronale suivie d’une phase durable d’inactivation neurono-gliale se propageant sur le cortex cérébral. La céphalée migraineuse est la conséquence d’une activation du système trigéminovasculaire (STV), mais les mécanismes neurobiologiques qui mènent à cette activation sont mal connus. Les migraines sont sexuellement dimorphiques, touchant trois femmes adultes pour un homme. Chez la femme, les crises migraineuses sont en plus influencées par les hormones ovariennes et leurs variations pendant la période périmenstruelle, la grossesse ou les oestrogènothérapies.Les métabolites du tryptophane, en particulier la sérotonine, sont impliqués dans la physiopathologie des migraines. En effet, la migraine est considérée comme une affection à sérotonine basse et la réduction de la transmission sérotoninergique centrale pourrait être responsable à la fois du dysfonctionnement des mécanismes de contrôle endogènes de la douleur et de la dysrythmie thalamo-corticale à la base de l’hyperréactivité des aires corticales sensorielles. La seconde voie de métabolisation du tryptophane conduit à la kynurénine qui peut être transformé en acide kynurénique. L’acide kynurénique est un antagoniste endogène bien connu des récepteurs glutamatergiques de type N-methyl-D-aspartate (NMDA) qui jouent un rôle fondamental dans l’initiation et la propagation des DCE.Dans ce travail, nous avons voulu vérifier dans des modèles expérimentaux de migraine chez le rongeur que réactivité du STV et susceptibilité aux DCE sont modulées par une interrelation réciproque entre transmission sérotoninergique et hormones gonadiques.Nous montrons que la modulation de la transmission sérotoninergique influence la susceptibilité aux DCE, surtout chez les femelles. Le renforcement du système sérotoninergique par l’administration systémique de 5-hydroxytryptophane, son précurseur, diminue la susceptibilité aux DCE chez les femelles et cet effet dépend d’effets à long et à court terme des oestrogènes sur la transmission sérotoninergique et sur l’excitabilité corticale. Nous avons trouvé en plus que des souris invalidées pour le gène du transporteur de la sérotonine, chez qui la disponibilité accrue en sérotonine dans la fente synaptique désensibilise des récepteurs 5-HT1, présentent une double anomalie. D’une part, leur susceptibilité aux DCE est augmentée, ce qui est plus marquée chez les femelles que chez les mâles. D’autre part, les mâles ont une activation moins marquée du STV par la nitroglycérine, un donneur de NO.Notre travail démontre que les oestrogènes mais aussi, de façon inattendue, la progestérone accroissent la susceptibilité aux DCE. En effet, chez des rattes ovariectomisées, la fréquence des DCE induites par le KCl augmente significativement après traitement prolongé par oestradiol ou progestérone, alors qu’elle diminue dès l’arrêt du traitement. En revanche, les oestrogènes tendent à réduire la sensibilité du STV à la nitroglycérine.Finalement, nous avons découvert que l’administration systémique de L-kynurénine augmente le taux cérébral d’acide kynurénique et réduit la susceptibilité à la DCE. Cet effet est plus important chez les femelles, ce qui est probablement dû à l’action des hormones gonadiques sur les enzymes du métabolisme de la L-kynurénine et sur l’excitabilité des neurones corticaux.Ces résultats confirment que les variations du système sérotoninergique jouent un rôle dans la susceptibilité aux DCE ainsi que dans le contrôle de la nociception trigéminale. Ils illustrent aussi la complexité des interactions entre le système sérotoninergique, l’excitabilité corticale et les hormones ovariennes.Transposés à la clinique, ils permettent de mieux comprendre comment les hormones ovariennes influent sur le décours des différents types de migraine. L’augmentation de la susceptibilité aux DCE par l’oestradiol et la progestérone explique pourquoi la migraine avec aura peut apparaître ou s’aggraver durant la grossesse ou dans le décours d’un traitement oestrogénique ou oestro-progestatif. Les crises migraineuses périmenstruelles sont déclenchées par la chute du taux sérique des oestrogènes. Dans nos expériences, le sevrage en oestradiol réduit la fréquence des DCE et le climat oestrogénique tend à atténuer l’activation des nocicepteurs trigéminovasculaires. Il n’est dès lors pas surprenant que la grande majorité des crises périmenstruelles ne s’accompagne pas d’aura et que la migraine sans aura s’améliore 8 fois sur 10 pendant la grossesse.Chez le rat, on a montré que la kynurénine est capable d’inhiber l’activation trigéminovasculaire, censée être responsable de la céphalée migraineuse. Nous montrons ici qu’elle a en plus un puissant effet inhibiteur sur les DCE, surtout chez les animaux femelles. La kynurénine ou des analogues de l’acide kynurénqiue ouvrent dès lors des pistes thérapeutiques intéressantes qui méritent d’être explorées aussi bien dans la migraine avec que sans aura.En conclusion, notre travail permet de mieux comprendre le rôle du système sérotoninergique, des hormones ovariennes et de leurs interrelations complexes dans la pathogénie des migraines avec et sans aura. Il met en évidence leur influence sur le développement de dépressions corticales propagées, et donc de l’aura migraineuse, mais aussi sur l’activation du système trigéminovasculaire, et donc l’apparition de la céphalée migraineuse. De plus, il montre pour la première fois qu’une des voies du métabolisme du tryptophane, celle qui mène à l’acide kynurénique, inhibe les dépressions corticales envahissantes et pourrait constituer une cible thérapeutique novatrice dans la migraine avec aura, surtout chez les femmes./SummaryMigraines are highly prevalent and disabling neurological disorders of which etiopathogenesis is not completely understood. Migraine with aura attacks that affect 20-30% of patients start with visual, sensory and sometimes dysphasic symptoms. The migrainous aura is most likely caused by cortical spreading depression (CSD), i.e. a wave of brief neuronal depolarisation followed by long-lasting neuronal inhibition spreading over the cerebral cortex. The migraine headache is deemed to be the consequence of an activation of the trigeminovascular system (TVS), but the neurobiological mechanisms leading to such activation are not well understood. Migraine is a sexually dimorphic disorder with a sex ratio of 3 women for 1 man. In female migraineurs, attacks are strongly influenced by the ovarian hormones and their variations during the menstrual cycle, pregnancy or estrogen treatment.Tryptophan metabolites, in particular serotonin, are implicated in migraine pathophysiology. Migraine is considered a « low serotonin » disorder and hypofunction of central serotonergic neurotransmission could be responsible both for dysfunctioning endogenous pain control systems and thalamo-cortical dysrhythmia leading to hyperresponsivity of sensory cortices. An alternative pathway in tryptophan metabolism leads to kynurenine and kynurenic acid. Kynurenic acid is a well-known endogenous antagonist of glutamatergic NMDA receptors that play a pivotal role in occurrence and propagation of CSD.The objective of this PhD thesis was to prove in established experimental migraine models in rodents that reactivity of the TVS and susceptibility for CSD are modulated by the reciprocal interaction between serotonergic neurotransmission and gonadal hormones.We show that modulating the serotonin transmitter system influences CSD susceptibility, particularly in females. Increasing serotonin activity by systemic administration of its precursor 5-hydroxytryptophan inhibits CSD occurrence in female animals and this effect depends on short- and long-term effects of estrogens on serotonergic transmission and cortical excitability. We also found that knock-out mice for the gene of the serotonin transporter in which the increased synaptic availability of serotonin downregulates 5-HT1 receptors, have two abnormalities. On the one hand, their susceptibility for CSD is enhanced, more so in females than in males. On the other hand, in male KO mice the TVS is less activated by nitroglycerin, the NO donor.As shown in our studies, estradiol, but also unexpectedly so, progesterone increase CSD susceptibility. In ovariectomised rats, indeed, frequency of KCl-induced CSD increases significantly after prolonged treatment with estradiol or progesterone, while it decreases immediately after hormone withdrawal. By contrast, estrogens tend to inhibit the activation of the TVS by systemic nitroglycerin.Finally, we have demonstrated for the first time that systemic administration of L-kynurenine increases the cerebral content of kynurenic acid and reduces CSD susceptibility. This effect is more pronounced in females, likely because of the effect of the gonadal hormones on kynurenine metabolism and excitability of cortical neurons.These results confirm that variations in serotonin metabolism modulate the susceptibility to develop cortical spreading depressions and trigeminovascular nociception. They also illustrate the complex interaction between serotonergic neurotransmission, cortical excitability and ovarian hormones. Translated to the clinical situation, they allow a better understanding of how the gonadal hormones modulate the course of the various migraine types. The estradiol- and progesterone-induced increase of CSD susceptibility explains why migraine with aura can start or worsen during pregnancy or treatment with estrogens or an estrogen-progesterone combination. Menstrual migraine attacks are triggered by the premenstrual lowering of estrogen plasma levels. In our studies estradiol withdrawal rapidly reduces DCE occurrence and elevated estrogen levels tend to attenuate experimental activation of trigeminovascular nociceptors. These findings probably explain why the vast majority of menstrual migraine attacks are not accompanied by an aura and why migraine without aura improves during pregnancy in 80% of women.In rodents kynurenine was shown to attenuate the activation of the TVS thought to be responsible for the migraine headache. We show here that kynurenine also has a potent inhibitory effect on CSD, particularly in female animals. Taken together, these results suggest that kynurenine or kynurenic analogues merit to be studied as interesting options for the treatment of both migraine with and without aura.To sum up, our work sheds new light on the role of serotonergic neurotransmission, ovarian hormones and their complex in the pathogenesis of migraine with and without aura. It underscores their influence on susceptibility to develop cortical spreading depression, and thus an aura, but also on activation of the trigeminovascular system, and thus occurrence of a migraine headache. It shows in addition for the first time that the pathway of tryptophan metabolism leading to kynurenic acid is able to inhibit cortical spreading depression and may thus be a novel interesting therapeutic target for migraine with aura, especially in female migraineurs.