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

Abstract

La espasticidad y el dolor neuropático son síntomas que aparecen frecuentemente tras una lesión de la médula espinal. La espasticidad se define como un aumento del tono muscular que provoca contracturas, mientras que el dolor neuropático se caracteriza por sensaciones dolorosas causadas por una lesión del sistema nervioso. Ambos síntomas reducen la calidad de vida, y los fármacos disponibles no son uniformemente eficaces contra ellos. Por este motivo, la necesidad de aumentar el abanico de tratamientos disponibles contra estos síntomas es una realidad clínica.

Ambos síntomas surgen debido a una desinhibición de las redes neuronales de la médula espinal. Para ser eficaz, la inhibición necesita una baja concentración de cloruro intracelular en las neuronas, que se mantiene gracias al cotransportador potasio-cloruro de tipo 2 (KCC2), que extrae iones cloruro de las neuronas. La expresión de KCC2 se reduce en las motoneuronas tras una lesión de la médula espinal, lo que genera una pérdida de la inhibición y contribuye a la aparición de la espasticidad. De la misma manera, una reducción de KCC2 en el asta dorsal de la médula espinal contribuye a la aparición de dolor neuropático. KCC2 parece ser una diana terapéutica interesante para tratar la espasticidad y el dolor neuropático. Sin embargo, no existen aún fármacos comercializados capaces de aumentar la expresión y la actividad de los cotransportadores KCC2.

El objetivo de la presente tesis es identificar fármacos capaces de activar KCC2 para restaurar la inhibición, con el fin de tratar la espasticidad y el dolor neuropático.

La activación de receptores serotoninérgicos 5-HT2A con TCB-2 [(4-bromo-3,6-dimethoxybenzocyclobuten-1-yl)methylamine hydrobromide] reestablece la expresión de KCC2 y reduce la espasticidad en ratas con una lesión de la médula espinal. Esto nos llevó a estudiar el efecto del TCB-2 sobre la expresión de KCC2 en el asta dorsal y a verificar su acción sobre el dolor neuropático. Descubrimos que TCB-2 aumenta KCC2 en el asta dorsal de las ratas tras una lesión de la médula espinal o de nervio periférico. TCB-2 reduce también el dolor neuropático, pero sólo tras una lesión medular; el efecto analgésico parece depender de KCC2.

En la siguiente etapa del trabajo, hicimos un screening de una librería de fármacos aprobados para uso humano, para encontrar un nuevo fármaco capaz de aumentar la expresión y/o la función de KCC2, en una formulación biodisponible y segura. Identificamos la proclorperazina como una molécula susceptible de aumentar la actividad de KCC2. La proclorperazina reduce la espasticidad con una eficacia similar al baclofeno, el medicamento que se prescribe más habitualmente a los pacientes paraplégicos para tratar la espasticidad, y disminuye la pérdida de KCC2 provocada por la lesión. Sin embargo, la proclorperazina tiene un efecto más modesto en los animales que desarrollan alodinia mecánica como consecuencia de una lesión de la médula espinal. Estos datos preclínicos ratifican el potencial de la proclorperazina como posible indicación terapéutica en el tratamiento de la espasticidad tras una lesión de la médula espinal, con un efecto débil sobre el dolor neuropático.

Por último, investigamos los mecanismos moleculares responsables de la reducción de KCC2 como consecuencia de una lesión medular. Nuestros datos muestran que la activación de la calpaína es el mecanismo que provoca la pérdida de KCC2 y la hiperexcitabilidad de las motoneuronas tras una lesión de la médula espinal.

Esta tesis valida KCC2 como una diana terapéutica en el tratamiento de la espasticidad y el dolor neuropático tras una lesión de la médula espinal.

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.