Canales de calcio y dolor: Investigación del mecanismo de acción de la pregabalina sobre la neurotransmisión

Los gabapentinoides son una familia de fármacos que se unen con gran afinidad a la subunidad α2δ-1 de los canales de calcio voltaje-dependientes (VGCCs). Fármacos de esta familia como la pregabalina o la gabapentina se utilizan como tratamientos de primera línea para aliviar el dolor neuropático en enfermedades como la fibromialgia, la neuropatía diabética o la neuralgia del trigémino. Sin embargo, su uso extensivo contrasta con el limitado conocimiento sobre las implicaciones funcionales que produce la interacción de los gabapentinoides con la subunidad α2δ-1 y cuáles son sus efectos sobre la neurotransmisión. Los resultados generados a lo largo de esta tesis ayudan a obtener una imagen más nítida sobre la capacidad de la pregabalina para modificar la neurotransmisión de forma aguda. Estudiando la población homogénea de sinapsis presentes en los cultivos autápticos de neuronas colinérgicas del ganglio cervical superior de rata (SCMs), demostramos que la interacción de la pregabalina y del ectodominio de la neurexina-1α con la subunidad α2δ-1 inhibe la liberación sincrónica de vesículas sinápticas controlada por los canales de calcio dependientes de voltaje de tipo N, de forma aguda. Visualizando de manera simultánea la entrada de calcio presináptico mientras registramos las respuestas postsinápticas, comprobamos que el efecto de la pregabalina no está relacionado con una reducción significativa en la entrada de calcio presináptico. Por el contrario, el efecto reside en una alteración de la organización física establecida entre los canales de calcio y las vesículas sinápticas de la zona activa, reduciéndose de manera notable el tamaño efectivo del depósito de vesículas de liberación rápida. Asimismo, comprobamos que la sobreexpresión de la subunidad α2δ-1 potencia los efectos observados con la pregabalina y la neurexina-1α en la neurotransmisión; efectos que son mutuamente excluyentes. En esta tesis desvelamos la implicación de la región extracelular de la neurexina-1α en la regulación de la liberación de neurotransmisores. Debido a su privilegiada localización extracelular en las zonas activas, las subunidades α2δ sinápticas emergen como una diana sináptica común desde donde fármacos como los gabapentinoides o moléculas endógenas como el ectodominio de la neurexina-1 pueden controlar de forma aguda el acoplamiento entre los canales de calcio voltaje-dependientes con la liberación de las vesículas sinápticas del RRP. La variabilidad en la composición molecular de las sinapsis, como por ejemplo los niveles de α2δ presentes en los pacientes que padecen dolor neuropático, así como un posible incremento de los niveles de la región extracelular de la neurexina-1α durante las condiciones inflamatorias relacionadas con el dolor neuropático, podrían ser factores claves para explicar la efectividad del tratamiento con los gabapentinoides.Gabapentinoids are drugs that bind with high affinity voltage-gated calcium channel alpha2delta subunits. For example, α2δ-1 binds with high-affinity gabapentinoid drugs such as gabapentin (2-(1-(aminomethyl)-cyclohexyl) acetic acid) or pregabalin (3-(aminomethyl)-5-methyl-hexanoic acid), which are widely used for treating neuropathic pain. The present study sheds new light on how the interaction of gabapentinoids with alpha2delta subunits affects neurotransmission. Here we show that α2δ-1 operates as a molecular platform binding exogenous and endogenous ligands to acutely regulate the size of the readily releasable pool (RRP). The RRP of synaptic vesicles is a key determinant of phasic neurotransmission. Although the size of the RRP is tightly regulated by intracellular factors, there is little evidence for its modification by extracellular signals. By studying the homogeneous population of synapses present in autaptic microcultures, we show that pregabalin decreases the effective RRP size. Simultaneous imaging of presynaptic calcium influx and recording of postsynaptic responses shows that the effect is not related to a reduction of calcium entry. The main cause is the impairment of the functional coupling among N-type calcium channels and the RRP, resembling an increase of intracellular mobile calcium buffers such as BAPTA and/or EGTA. The ectodomain of neurexin-1α shows a similar action to pregabalin, acting as an endogenous ligand of α2δ-1 that reduces the RRP size without affecting presynaptic calcium influx. The regulatory actions described for pregabalin and the ectodomain of neurexin-1α are mutually exclusive. The overexpression of α2δ-1 enhances the effect of pregabalin and the ectodomain of neurexin-1α on neurotransmission by decreasing their effective concentration. In contrast, knockdown of α2δ-1 causes a profound inhibition of synaptic transmission. These observations prompt to consider α2δ-1 as an outside-in signaling platform that binds exogenous and endogenous cues for regulating the coupling of voltage-gated calcium channels to synaptic vesicles