Assessment and analysis of mechanical allodynia-like behavior induced by spared nerve injury (SNI) in the mouse

Rrésumé: La première description dans une publication médicale des douleurs neuropathiques remonte à 1872, le Dr S.W. Mitchell les résumant ainsi [...]" la causalgie est la plus terrible des tortures qu'une lésion nerveuse puisse entraîner "[...]. Par définition, la douleur neuropathique est une douleur chronique faisant suite à une lésion ou dysfonction du système nerveux. Malgré les progrès faits dans la compréhension de ce syndrome, le détail des mécanismes impliqués nous échappe encore et son traitement reste insuffisant car moins de 50% des patients sont soulagés par les thérapies actuelles. Différents modèles expérimentaux ont été élaborés chez l'animal de laboratoire, en particulier des modèles de lésion de nerfs périphériques chez le rat, permettant des investigations tant moléculaires que fonctionnelles des mécanismes impliqués dans le développement de ces douleurs. En revanche, peu de modèles existent chez la souris, alors que cet animal, grâce à la transgénèse, est très fréquemment utilisé pour l'approche fonctionnelle ciblée sur un gène. Dans l'étude présentée ici, nous avons évalué chez la souris C57BL/6 l'adaptation d'un modèle neuropathique, proposé une nouvelle modalité de mesure de la sensibilité douloureuse adaptée à la souris et défini une méthode d'analyse performante des résultats. Ce modèle, dit de lésion avec épargne nerveuse (spared Werve injury, SNI), consiste en la lésion de deux des trois branches du nerf sciatique, soit les nerfs peronier commun et tibial. La troisième branche, le nerf sural est laissé intact et c'est dans le territoire cutané de ce dernier que la sensibilité douloureuse à des stimulations mécaniques est enregistrée. Des filaments calibrés de force croissante sont appliqués sur la surface de la patte impliquée et la fréquence relative de retrait de la patte a été modélisée mathématiquement et analysée par un modèle statistique intégrant tous les paramètres de l'expérience (mixed-effects model). Des variantes chirurgicales lésant séquentiellement les trois branches du nerf sciatique ainsi que la réponse en fonction du sexe de l'animal ont également été évaluées. La lésion SNI entraîne une hypersensibilité mécanique marquée comparativement aux souris avec chirurgie contrôle; cet effet est constant entre les animaux et persiste durant les quatre semaines de l'étude. De subtiles différences entre les variables, y compris une divergence de sensibilité mécanique entre les sexes, ont été démontrées. La nécessité de léser le nerf tibial pour le développement des symptômes a également été documentée par notre méthode d'évaluation et d'analyse. En conclusion, nous avons validé le modèle SNI chez la souris par l'apparition d'un symptôme reproductible et apparenté à l'allodynie mécanique décrite par les patients souffrant de douleurs neuropathiques. Nous avons développé des méthodes d'enregistrement et d'analyse de la sensibilité douloureuse sensibles qui permettent la mise en évidence de facteurs intrinsèques et extrinsèques de variation de la réponse. Le modèle SNI utilisé chez des souris génétiquement modifiées, de par sa précision et reproductibilité, pourra permettre la discrimination de facteurs génétiques et épigénétiques contribuant au développement et à la persistance de douleurs neuropathiques.

The c-Jun N-terminal kinase 1 (JNK1) in spinal astrocytes is required for the maintenance of bilateral mechanical allodynia under a persistent inflammatory pain condition.

Peripheral inflammation induces persistent central sensitization characterized by mechanical allodynia and heat hyperalgesia that are mediated by distinct mechanisms. Compared to well-demonstrated mechanisms of heat hyperalgesia, mechanisms underlying the development of mechanical allodynia and contralateral pain are incompletely known. In this study, we investigated the distinct role of spinal JNK in heat hyperalgesia, mechanical allodynia, and contralateral pain in an inflammatory pain model. Intraplantar injection of complete Freund's adjuvant (CFA) induced bilateral mechanical allodynia but unilateral heat hyperalgesia. CFA also induced a bilateral activation (phosphorylation) of JNK in the spinal cord, and the phospho JNK1 (pJNK1) levels were much higher than that of pJNK2. Notably, both pJNK and JNK1 were expressed in GFAP-positive astrocytes. Intrathecal infusion of a selective peptide inhibitor of JNK, D-JNKI-1, starting before inflammation via an osmotic pump, reduced CFA-induced mechanical allodynia in the maintenance phase but had no effect on CFA-induced heat hyperalgesia. A bolus intrathecal injection of D-JNKI-1 or SP600126, a small molecule inhibitor of JNK also reversed mechanical allodynia bilaterally. In contrast, peripheral (intraplantar) administration of D-JNKI-1 reduced the induction of CFA-induced heat hyperalgesia but did not change mechanical allodynia. Finally, CFA-induced bilateral mechanical allodynia was attenuated in mice lacking JNK1 but not JNK2. Taken together, our data suggest that spinal JNK, in particular JNK1 plays an important role in the maintenance of persistent inflammatory pain. Our findings also reveal a unique role of JNK1 and astrocyte network in regulating tactile allodynia and contralateral pain.

Rufinamide Attenuates Mechanical Allodynia in a Model of Neuropathic Pain in the Mouse and Stabilizes Voltage-gated Sodium Channel Inactivated State.

BACKGROUND:: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. METHODS:: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. RESULTS:: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6-1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2-2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4-15.5) to 30.0 s (21.8-31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. CONCLUSIONS:: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

Presurgical ketoprofen, but not morphine, dipyrone, diclofenac or tenoxicam, preempts post-incisional mechanical allodynia in rats

The treatment of pain before it initiates may prevent the persistent pain-induced changes in the central nervous system that amplify pain long after the initial stimulus. The effects of pre- or postoperative intraperitoneal administration of morphine (2 to 8 mg/kg), dipyrone (40 and 80 mg/kg), diclofenac (2 to 8 mg/kg), ketoprofen (10 and 20 mg/kg), and tenoxicam (10 and 20 mg/kg) were studied in a rat model of post-incisional pain. Groups of 5 to 8 male Wistar rats (140-160 g) were used to test each drug dose. An incision was made on the plantar surface of a hind paw and the changes in the withdrawal threshold to mechanical stimulation were evaluated with Von Frey filaments at 1, 2, 6 and 24 h after the surgery. Tenoxicam was given 12 or 6 h preoperatively, whereas the remaining drugs were given 2 h or 30 min preoperatively. Postoperative drugs were all given 5 min after surgery. No drug abolished allodynia when injected before or after surgery, but thresholds were significantly higher than in control during up to 2 h following ketoprofen, 6 h following diclofenac, and 24 h following morphine, dipyrone or tenoxicam when drugs were injected postoperatively. Significant differences between pre- and postoperative treatments were obtained only with ketoprofen administered 30 min before surgery. Preoperative (2 h) intraplantar, but not intrathecal, ketoprofen reduced the post-incisional pain for up to 24 h after surgery. It is concluded that stimuli generated in the inflamed tissue, rather than changes in the central nervous system are relevant for the persistence of pain in the model of post-incisional pain.

Rufinamide attenuates mechanical allodynia in a model of neuropathic pain in the mouse and stabilizes voltage-gated sodium channel inactivated state

Background: Voltage-gated sodium channels dysregulation is important for hyperexcitability leading to pain persistence. Sodium channel blockers currently used to treat neuropathic pain are poorly tolerated. Getting new molecules to clinical use is laborious. We here propose a drug already marketed as anticonvulsant, rufinamide. Methods: We compared the behavioral effect of rufinamide to amitriptyline using the Spared Nerve Injury neuropathic pain model in mice. We compared the effect of rufinamide on sodium currents using in vitro patch clamp in cells expressing the voltage-gated sodium channel Nav1.7 isoform and on dissociated dorsal root ganglion neurons to amitriptyline and mexiletine. Results: In naive mice, amitriptyline (20 mg/kg) increased withdrawal threshold to mechanical stimulation from 1.3 (0.6–1.9) (median [95% CI]) to 2.3 g (2.2–2.5) and latency of withdrawal to heat stimulation from 13.1 (10.4–15.5) to 30.0 s (21.8–31.9), whereas rufinamide had no effect. Rufinamide and amitriptyline alleviated injury-induced mechanical allodynia for 4 h (maximal effect: 0.10 ± 0.03 g (mean ± SD) to 1.99 ± 0.26 g for rufinamide and 0.25 ± 0.22 g to 1.92 ± 0.85 g for amitriptyline). All drugs reduced peak current and stabilized the inactivated state of voltage-gated sodium channel Nav1.7, with similar effects in dorsal root ganglion neurons. Conclusions: At doses alleviating neuropathic pain, amitriptyline showed alteration of behavioral response possibly related to either alteration of basal pain sensitivity or sedative effect or both. Side-effects and drug tolerance/compliance are major problems with drugs such as amitriptyline. Rufinamide seems to have a better tolerability profile and could be a new alternative to explore for the treatment of neuropathic pain.

Administration d'Eugénol intrathécal pour le traitement de la douleur neuropathique

Le projet porte sur l’étude de l’effet de l’eugénol, composant principal du clou de girofle, sur la douleur neuropathique. L’objectif principal du projet était de déterminer la contribution du système nerveux central dans l’effet analgésique de l’eugénol. Lors d’une étude préliminaire, la pénétrabilité de l’eugénol a été évaluée dans le système nerveux central du rat. Des échantillons de sang, de cerveau et de moelle épinière ont été prélevés et les concentrations d’eugénol dans ces différents tissus ont été analysées à l’aide d’un spectromètre de masse. Les résultats ont montré que l’eugénol pénètre bien le système nerveux central avec une distribution plus importante dans la moelle épinière. Après l’induction de la douleur neuropathique à des rats Sprague-Dawley par le modèle de ligatures du nerf sciatique, des injections intrathécales d’eugénol furent réalisées afin d’évaluer l’effet central de l’eugénol. La plus forte dose d’eugénol a atténué l’allodynie secondaire après 15min, 2h et 4h et a aussi amélioré l’hyperalgésie thermique après 2h et 4h. Ces résultats confirment l’hypothèse que l’eugénol atténue les deux aspects de la douleur neuropathique que sont l’allodynie et l’hyperalgésie. Les injections au niveau lombaire permettent de penser que l’eugénol, un agoniste/antagoniste des récepteurs vanilloïdes pourrait diminuer la douleur neuropathique en agissant notamment au niveau des récepteurs vanilloïdes situés dans la corne dorsale de la moelle épinière.

Caractérisation d'un modèle animal de douleur articulaire associée à l'arthrose du genou chez le rat Sprague-Dawley

La douleur articulaire associée à l’arthrose est un problème clinique majeur, spécialement chez les personnes âgées. L’intensité de la douleur est souvent amplifiée lors de mouvement de l’articulation et principalement lors du soutien de la charge corporelle sur le membre lésé. Malheureusement, les traitements pharmacologiques proposés sont trop souvent associés à des effets secondaires néfastes et à une inefficacité pour le soulagement de la douleur à long terme. Divers modèles murins sont utilisés en laboratoire de recherche pour des études précliniques de molécules aux propriétés analgésiques. Une évaluation comparative de la réponse comportementale douloureuse des animaux d’un modèle d’instabilité articulaire induit par le sectionnement du ligament croisé antérieur accompagné d’une méniscectomie partielle (le modèle ACLT+pMMx) et d’un modèle de dégénérescence articulaire induite par le monoiodoacetate (le modèle MIA) a permis de sélectionner un modèle approprié pour la continuité du projet. Les deux modèles ont démontré des lésions tissulaires, mais le modèle MIA a démontré une réponse douloureuse plus prononcée que le modèle ACLT+pMMx. Par l’analyse de la démarche, le modèle MIA a démontré une boiterie claire dans le patron de la démarche des animaux qui est associée à une lésion unilatérale. Le modèle MIA a donc été choisi pour la suite du projet. La problématique principale dans la recherche sur la douleur associée à l’arthrose est une compréhension incomplète des mécanismes de douleur responsables de l’induction et du maintien de l’état de douleur. Il devient donc nécessaire d’améliorer nos connaissances de ces mécanismes en effectuant une caractérisation plus approfondie des modèles animaux employés pour l’évaluation de stratégies pharmacologiques analgésiantes. Afin de bien comprendre le modèle MIA, une caractérisation des événements moléculaires centraux lors de la progression du processus dégénératif des structures articulaires de ce modèle s’est effectuée aux jours 3, 7, 14, 21 et 28 post injection. Des mécanismes hétérogènes qui modulent l’information nociceptive en fonction de la progression temporelle de la pathologie ont été observés. Les changements du contenu i spinal des neuropeptides sélectionnés (substance P, CGRP, dynorphine A et Big dynorphine) ont débuté sept jours suivant l’injection de MIA. L’observation histologique a démontré que les dommages structuraux les plus importants surviennent entre les jours 14 et 21. C’est entre les jours 7 et 21 que les lésions démontrent le plus de similarités à la pathologie humaine. Cela suggère que lors d’une évaluation préclinique d’un traitement pharmacologique pour pallier la douleur articulaire utilisant le modèle MIA, l’étude doit tenir compte de ces événements afin de maximiser l’évaluation de son efficacité. Puisque les traitements pharmacologiques conventionnels proposés pour le soulagement de la douleur ne font pas l’unanimité en terme d’efficacité, d’effets non désirés et de coûts monétaires parfois onéreux, les molécules de dérivés de plante deviennent une alternative intéressante. L’eugénol, le principal constituant de l’huile de clou de girofle, a été administré oralement pour une période de 28 jours chez des rats ayant reçu l’injection intra-articulaire de MIA afin d’évaluer son efficacité pour le traitement de la douleur articulaire. L’eugénol à une dose de 40 mg/kg s’est révélé efficace pour l’amélioration du patron de la démarche des animaux ainsi que pour la diminution de l’allodynie mécanique secondaire. De plus, les concentrations spinales de neuropeptides pronocicepteurs ont diminué chez les animaux traités. Par une évaluation histopathologique, l’eugénol n’a démontré aucune évidence d’effets toxiques suite à une administration per os quotidienne pour une période prolongée. Ces résultats suggèrent le potentiel thérapeutique complémentaire de la molécule d’eugénol pour le traitement de la douleur articulaire.

Administration de [6]-gingérol intrathécal pour le traitement de la douleur neuropathique chez le rat mâle Sprague-Dawley

Le [6]-gingérol est un analogue structurel de la capsaïcine, une molécule agoniste au récepteurs TRPV1 et ayant des propriétés thérapeutiques connues dans le traitement de la douleur. Deux objectifs principaux ont été poursuivis lors de la réalisation de ce projet de recherche. D’abord, établir une meilleure caractérisation du métabolisme du [6]-gingérol chez le rat. Pour ce faire, une méthode sensible et spécifique pour la quantification du [6]-gingérol et ses métabolites par HPLC-ESI/MS/MS a été développée. Une étude de stabilité métabolique in vitro utilisant des microsomes hépatiques de rats a ensuite été réalisée. Les résultats démontrent une dégradation lente avec un temps de demi-vie de 163 minutes et une clairance intrinsèque relativement basse de 0.0043 mL/min. D’autres analyses ont ensuite été performées pour caractériser les métabolites in vitro et in vivo. Trois principaux métabolites de phase I et quatre métabolites de phase II ont été identifiés par HPLC-MS/MS et HPLC-MSD TOF. Les résultats suggèrent que le principal métabolite excrété dans l’urine est un glucuronide du [6]-gingérol hydroxylé. Le second objectif de ce projet était de déterminer l’effet central du [6]-gingérol sur la douleur neuropathique lorsqu’injecté par voie intrathécale. La distribution de la molécule a d’abord été évaluée suite à une administration intra-péritonéale de 40 mg/kg de [6]-gingérol et les ratios des concentrations cerveau-plasma et moelle épinière-plasma (0.73 et 1.7, respectivement) suggèrent que le [6]-gingérol se distribue efficacement au niveau du système nerveux central. Une injection intrathécale de 10 μg de [6]-gingérol à été performée chez les rats suite à l’induction de douleur par la pose de ligatures au niveau du nerf sciatique. Les résultats suggèrent une réduction significative de l’allodynie mécanique et de l’hyperalgésie thermique à 30 min, 2 h et 4 h suivant l’injection (p < 0.05, p < 0.01 et p < 0.001). Le [6]-gingérol se distribue donc adéquatement au niveau du système nerveux central des rats, permettant une action au niveau des récepteurs TRPV1. Ainsi, le [6]-gingérol pourrait soulager la douleur neuropathique en agissant centralement au niveau de la moelle épinière.

Protease-activated receptor 2 sensitizes the transient receptor potential vanilloid 4 ion channel to cause mechanical hyperalgesia in mice

Exacerbated sensitivity to mechanical stimuli that are normally innocuous or mildly painful (mechanical allodynia and hyperalgesia) occurs during inflammation and underlies painful diseases. Proteases that are generated during inflammation and disease cleave protease-activated receptor 2 (PAR2) on afferent nerves to cause mechanical hyperalgesia in the skin and intestine by unknown mechanisms. We hypothesized that PAR2-mediated mechanical hyperalgesia requires sensitization of the ion channel transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4). Immunoreactive TRPV4 was coexpressed by rat dorsal root ganglia (DRG) neurons with PAR2, substance P (SP) and calcitonin gene-related peptide (CGRP), mediators of pain transmission. In PAR2-expressing cell lines that either naturally expressed TRPV4 (bronchial epithelial cells) or that were transfected to express TRPV4 (HEK cells), pretreatment with a PAR2 agonist enhanced Ca2+ and current responses to the TRPV4 agonists phorbol ester 4alpha-phorbol 12,13-didecanoate (4alphaPDD) and hypotonic solutions. PAR2-agonist similarly sensitized TRPV4 Ca2+ signals and currents in DRG neurons. Antagonists of phospholipase Cbeta and protein kinases A, C and D inhibited PAR2-induced sensitization of TRPV4 Ca2+ signals and currents. 4alphaPDD and hypotonic solutions stimulated SP and CGRP release from dorsal horn of rat spinal cord, and pretreatment with PAR2 agonist sensitized TRPV4-dependent peptide release. Intraplantar injection of PAR2 agonist caused mechanical hyperalgesia in mice and sensitized pain responses to the TRPV4 agonists 4alphaPDD and hypotonic solutions. Deletion of TRPV4 prevented PAR2 agonist-induced mechanical hyperalgesia and sensitization. This novel mechanism, by which PAR2 activates a second messenger to sensitize TRPV4-dependent release of nociceptive peptides and induce mechanical hyperalgesia, may underlie inflammatory hyperalgesia in diseases where proteases are activated and released.

PAR(2) and Temporomandibular Joint Inflammation in the Rat

The proteinase-activated receptor 2 (PAR(2)) is a putative therapeutic target for arthritis. We hypothesized that the early pro-inflammatory effects secondary to its activation in the temporomandibular joint (TMJ) are mediated by neurogenic mechanisms. Immunofluorescence analysis revealed a high degree of neurons expressing PAR(2) in retrogradely labeled trigeminal ganglion neurons. Furthermore, PAR(2) immunoreactivity was observed in the lining layer of the TMJ, co-localizing with the neuronal marker PGP9.5 and substance-P-containing peripheral sensory nerve fibers. The intra-articular injection of PAR(2) agonists into the TMJ triggered a dose-dependent increase in plasma extravasation, neutrophil influx, and induction of mechanical allodynia. The pharmacological blockade of natural killer 1 (NK(1)) receptors abolished PAR(2)-induced plasma extravasation and inhibited neutrophil influx and mechanical allodynia. We conclude that PAR(2) activation is proinflammatory in the TMJ, through a neurogenic mechanism involving NK(1) receptors. This suggests that PAR(2) is an important component of innate neuro-immune response in the rat TMJ.

PAR(2) and Temporomandibular Joint Inflammation in the Rat

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A selective nociceptive block is not sufficient to prevent central changes after peripheral nerve injury

Background: Providing analgesia without suppressing motor or sensory function is a challenge for regional anesthesia and postoperative pain management. Resiniferatoxin (RTX), an ultrapotent agonist for transient receptor potential subtype-1 (TRPV1) can produce this selective blockade, as TRPV1 is selectively expressed on nociceptors. Futhermore, after peripheral nerve injury, spontaneous ectopic activity arises from all types of nerve fibers that can affect spinal neurons and glial cells. The goal of the present experiment is to determine whether spontaneous activity generated in C-fibers or in both A&C-fibers is required for microglia activation. Method: We applied RTX (0.01%) or bupivacaine microspheres to the sciatic nerve of rats to block the conduction of C-fibers or A&C-fibers, respectively, before spared nerve injury (SNI). Behavior was tested and all the rats were sacrificed 2 days later; immunohistochemistry was performed on their spinal cord for mitogen-activated protein kinase (MAPK) p38, bromodeoxyuridine (BrdU, marker of proliferation) and Iba1 (microglial marker). Result: At day 2 after SNI robust mechanical allodynia and p38 activation in spinal microglia were documented. There was also a substantial cell proliferation in the spinal cord, all proliferating cells (BrdU+) being microglia (Iba1+). RTX blocked heat sensitivity and produced heat hypoalgesia without affecting mechanical allodynia and motor function. Microglial proliferation and p38 activation in the spinal cord were not affected by RTX (p >0.05). In contrast, a complete sensory and motor blockade was seen with bupivacaine which also significantly inhibited p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord (p <0.05). Conclusion: We conclude that (1) RTX can provide a selective nociceptive blockade but that (2) blocking only nociceptive fibers does not impair the development of mechanical allodynia and microglia activation. Therefore (3) if microglia activation is important for chronic pain development then specific nociceptive blockade won't be sufficient to prevent it.

Large A-fiber activity is required for microglial proliferation and p38 MAPK activation in the spinal cord: different effects of resiniferatoxin and bupivacaine on spinal microglial changes after spared nerve injury.

BACKGROUND: After peripheral nerve injury, spontaneous ectopic activity arising from the peripheral axons plays an important role in inducing central sensitization and neuropathic pain. Recent evidence indicates that activation of spinal cord microglia also contributes to the development of neuropathic pain. In particular, activation of p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in spinal microglia is required for the development of mechanical allodynia. However, activity-dependent activation of microglia after nerve injury has not been fully addressed. To determine whether spontaneous activity from C- or A-fibers is required for microglial activation, we used resiniferatoxin (RTX) to block the conduction of transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1) positive fibers (mostly C- and Adelta-fibers) and bupivacaine microspheres to block all fibers of the sciatic nerve in rats before spared nerve injury (SNI), and observed spinal microglial changes 2 days later. RESULTS: SNI induced robust mechanical allodynia and p38 activation in spinal microglia. SNI also induced marked cell proliferation in the spinal cord, and all the proliferating cells (BrdU+) were microglia (Iba1+). Bupivacaine induced a complete sensory and motor blockade and also significantly inhibited p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord. In contrast, and although it produced an efficient nociceptive block, RTX failed to inhibit p38 activation and microglial proliferation in the spinal cord. CONCLUSION: (1) Blocking peripheral input in TRPV1-positive fibers (presumably C-fibers) is not enough to prevent nerve injury-induced spinal microglial activation. (2) Peripheral input from large myelinated fibers is important for microglial activation. (3) Microglial activation is associated with mechanical allodynia.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.