No description available.

Injury-induced sensitization of nociceptors contributes to pain states and the development of chronic pain. Inhibiting activity-dependent mRNA translation through mechanistic target of rapamycin and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways blocks the development of nociceptor sensitization. These pathways convergently signal to the eukaryotic translation initiation factor (eIF) 4F complex to regulate the sensitization of nociceptors, but the details of this process are ill defined. Here we investigated the hypothesis that phosphorylation of the 5' cap-binding protein eIF4E by its specific kinase MAPK interacting kinases (MNKs) 1/2 is a key factor in nociceptor sensitization and the development of chronic pain. Phosphorylation of ser209 on eIF4E regulates the translation of a subset of mRNAs. We show that pronociceptive and inflammatory factors, such as nerve growth factor (NGF), interleukin-6 (IL-6), and carrageenan, produce decreased mechanical and thermal hypersensitivity, decreased affective pain behaviors, and strongly reduced hyperalgesic priming in mice lacking eIF4E phosphorylation (eIF4E(S209A)). Tests were done in both sexes, and no sex differences were found. Moreover, in patch-clamp electrophysiology and Ca2+ imaging experiments on dorsal root ganglion neurons, NGF-and IL-6-induced increases in excitability were attenuated in neurons from eIF4ES209A mice. These effects were recapitulated in Mnk1/2(-/-) mice and with the MNK1/2 inhibitor cercosporamide. We also find that cold hypersensitivity induced by peripheral nerve injury is reduced in eIF4ES209A and Mnk1/2 (-/-) mice and following cercosporamide treatment. Our findings demonstrate that the MNK1/2-eIF4E signaling axis is an important contributing factor to mechanisms of nociceptor plasticity and the development of chronic pain.

Le système somato-sensoriel permet à l'organisme de percevoir une large palette de stimuli externes/internes, qui peuvent être soit agréables, soit nocifs. Le corps cellulaire des neurones somato-sensoriels, responsables de ces processus et qui innervent tous les organes du corps, est situé dans les ganglions de la racine dorsale. La douleur est perçue par les nocicepteurs qui constituent un ensemble hétérogène de neurones, aussi bien d'un point de vue fonctionnel, électrophysiologique que moléculaire. Afin de mieux comprendre la spécialisation fonctionnelle des nocicepteurs, une des stratégies de l'équipe a été d'identifier de nouveaux marqueurs moléculaires exprimés par des sous-populations des neurones du DRG et de mettre en place des outils génétiques pour étudier leur fonction spécifique. Nous avons mis en évidence un nouveau gène, qui définit une sous-population de nocicepteurs. Suite à mes travaux de thèse, qui ont révélés la fonction moléculaire de la protéine associée à ce gène, nous l'avons nommé GINIP pour Galpha INhibitory Interacting Protein. Au cours de ma thèse, j'ai montré que : - GINIP interagit physiquement avec les protéines G-alpha inhibitrices- la perte de fonction de GINIP (souris GINIP KO) amplifie les douleurs de type neuropathique- le mécanisme sous-jacent fait intervenir la signalisation GABAergique Les douleurs pathologiques sont, entre autres, dues à un disfonctionnement des nocicepteurs, et leurs mécanismes restent mal connus. Dans ce contexte, l'ensemble de mes résultats met en évidence une nouvelle voie impliquée dans la régulation négative des nocicepteurs, qui pourra à l'avenir être la cible de stratégies thérapeutiques. / The somato-sensory system allows our organism to detect a myriad of external and internal stimuli that can range from innocuous stimuli (pleasant touch,etc) to noxious ones (burns, tissue injury, etc). The somato-sensory neurons involved in these processes innervate the entire organism and have their cell bodies clustered within the dorsal root ganglion. Pain is a modality of the somatosensory system, sensed through nociceptors. Nociceptors represent a heterogeneous class of somato-sensory neurons with respect to functional, electrophysiological and molecular criteria. In order to expand the knowledge of the functional specialization of nociceptors, our team's strategy aimed at identifying new molecular markers of nociceptors subsets. Subsequent design of the corresponding genetic tools allowed us investigating their specific function. Therefore, we found a gene that was never described before and that marks a specific subset of nociceptors. We named it GINIP (Gaplha Inhibitory Interacting Protein) as during my thesis I showed that:- GINIP physically interacts with inhibitory G-proteins- GINIP loss of function (GINIP knock out mouse) leads to the amplification of neuropathic pain- the associated mechanism involves GABAergic signalingPathological pain (chronic inflammatory pain and neuropathic pain) is, among others, a consequence of nociceptor dysfunction. Importantly, the mechanisms leading to this aberrant function are still not totally understood. Altogether, my results underscore a new pathway involved in the negative control of nociceptors under neuropathic pain conditions, and this opens a path for new therapeutic strategies.

Chronic abdominal pain is a major cause of patient morbidity in inflammatory bowel diseases (IBD). A balance of pro- and anti-nociceptive factors regulating colonic dorsal root ganglion (DRG) neurons, which synapse onto second order dorsal horn neurons, are known to regulate chronic pain but the mechanisms are poorly understood. This thesis examined whether neuroanatomical remodeling of DRG central nerve terminals underlies pro-nociceptive signaling and whether subsets of immune cells source the anti-nociceptive factor, β-endorphin. To examine pro-nociceptive mechanisms, acute and chronic dextran sulfate sodium (DSS) mouse models of colitis were established and substance P (SP; marker of nociceptor terminals) immunohistochemistry used to investigate changes in immunoreactivity of DRG terminals in the thoracic dorsal horn (segments T9-T13). SP immunoreactivity was increased in the dorsal horn (4 fold; P < 0.001) and central canal (P < 0.001) following chronic colitis. In contrast, SP immunoreactivity was unchanged in acute colitis. However, five weeks later SP immunoreactivity was increased both in the dorsal horn (4 fold; P < 0.01) and central canal (P < 0.001). In the cervical spinal cord, SP immunoreactivity was not increased following colitis, suggesting that changes seen in the thoracic level were specific to signaling from colonic DRG neurons. Immunoreactivity for the SP NK1 receptor on second order neurons was also examined and a significant increase in immunoreactivity was observed on post-synaptic second order cell bodies following chronic DSS. This could provide an additional mechanism for enhanced SP neurotransmission centrally. ii The source of the anti-nociceptive mediator, β-endorphin, during chronic DSS colitis was investigated using magnetic cell sorting and flow cytometry. The number of β- endorphin expressing CD4+ (2.4 fold; P < 0.05) and CD11b+ (2.6 fold; P < 0.05) cells in mice increased following chronic colitis. These findings suggest that during colitis there is a time-dependent increase of SP immunoreactivity in thoracic DRG central terminals, which could play a role in pro- nociceptive signaling in chronic inflammation. These actions may be balanced by anti- nociceptive factors such as β-endorphin which are found in subsets of immune cells. / Thesis (Master, Physiology) -- Queen's University, 2012-08-29 16:28:41.166

Les interactions neuro-immunitaires entre les systèmes sensoriels et immunitaires ont été abondamment étudiées; cependant, leur rôle dans la régulation des cancers est encore mal connu. Les interactions croisées entre les cytokines, les facteurs de croissance et les neuropeptides peuvent promouvoir la progression des tumeurs. Les neuropeptides libérés par les nocicepteurs peuvent affecter la polarisation, la chimiotaxie et l'activité du système immunitaire acquis. Étant donné que les neurones sensoriels libèrent localement des neuropeptides qui modulent l'activité des lymphocytes, nous faisons l'hypothèse que les nocicepteurs sécrètent des neuropeptides qui induisent l'épuisement des cellules T CD8 et la croissance tumorale. L’épuisement des lymphocytes T CD8 est un phénomène observé dans le cadre d’infections chroniques et de cancers. Elle est définie comme une perte de la fonction effectrice des lymphocytes T CD8 (diminution de la production d'IFN-γ, de TNF-α et d'IL-2) ainsi qu'une expression élevée de récepteurs inhibiteurs tels que PD-1 (protéine 1 de mort cellulaire programmée), LAG-3 (gène 3 d'activation des lymphocytes) et TIM-3 (protéine 3 d'immunoglobuline des lymphocytes T et de contenant du domaine mucine). Nous avons utilisé le modèle murin de mélanome pour tester cette hypothèse et avons observé que les cellules malignes de cancer de la peau B16F10 interagissent avec les nocicepteurs pour promouvoir la croissance des neurites, la sensibilité aux ligands activateurs et la libération de neuropeptides. En conséquence, le peptide lié au gène de la calcitonine (CGRP), qui est libéré par les nocicepteurs, augmente directement l'épuisement des cellules T CD8 et réduit leur capacité à éliminer les cellules du mélanome. L'ablation génétique des neurones sensoriels, leur inhibition pharmacologique ou le blocage du récepteur au CGRP (RAMP1) suffisent à limiter l'épuisement des lymphocytes infiltrés dans la tumeur et la croissance tumorale. De plus, l'injection de CGRP recombinant dans des souris dépourvues de neurones sensoriels réduit l'épuisement des cellules T CD8. Les cellules T CD8 RAMP1-/- montrent aussi moins d'épuisement que leurs homologues sauvages lorsqu'elles sont co-transplantées dans des souris immunodéficientes Rag1-/- portant une tumeur. En résumé, réduire la libération de CGRP en bloquant localement les nocicepteurs associés à la tumeur limite les effets immunomodulateurs de CGRP sur les cellules T cytotoxiques CD8 et représente une stratégie d'intérêt pour protéger l'immunité antitumorale. / Neuroimmune crosstalk between the nervous and the immune systems has been widely studied; however, their modulating roles are largely unknown in cancer. Bilateral interactions of cytokines, growth factors and neuropeptides may support tumor progression. Nociceptor-released neuropeptides can affect polarization, chemotaxis and adaptive immune system activity. Since sensory neurons locally release neuropeptides that modulate the activities of lymphocytes, we hypothesized that nociceptors might secrete neuropeptides leading to CD8+ T-cell exhaustion and tumor growth. CD8 T cell exhaustion is a phenomenon observed in the context of chronic infections and cancer. It is defined as loss of effector function of CD8 T cells (decreasing the production of IFN-γ, TNF-α, and IL-2) as well as high expression of inhibitory receptors such as PD-1 (programmed cell death protein 1), LAG-3 (lymphocyte-activation gene 3), and TIM-3 (T-cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3). We used the mouse model of melanoma cancer to test this hypothesis and found that malignant B16F10 skin cancer cells interacted with nociceptors to expand neurite outgrowth, responsiveness to noxious ligands, and neuropeptide release. Consecutively, neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP), which is released by nociceptors, directly increased the exhaustion of cytotoxic CD8+ T cells and reduced their ability to eliminate melanoma cells. Genetic ablation of sensory neurons, local pharmacological silencing, and antagonism of the CGRP receptor (RAMP1) were all able to limit the exhaustion of tumor-infiltrating lymphocytes (TIL) and tumor growth. Moreover, treatment with recombinant CGRP in sensory neuron- depleted mice reduced the exhaustion of CD8+ T cells. Compared with wild-type cells, RAMP1-/- CD8+ T cells were rescued to go under exhaustion when co-transplanted into tumor-bearing Rag1-/- deficient mice. In summary, reducing CGRP release by local silencing of tumor-associated nociceptors, limits the immunomodulatory effects of CGRP on cytotoxic CD8+ T cells and represents an ideal strategy to protect anti-tumor immunity.

Les canaux sodiques dépendants du voltage, ou canaux Nav, jouent un rôle capital dans l'excitabilité neuronale, dans la genèse et dans la propagation des potentiels d'action. Le canal Nav1.9 se distingue par une expression restreinte aux nocicepteurs et par des propriétés électrophysiologiques uniques qui, si elles excluent sa contribution à la phase dépolarisante du potentiel d'action, lui confèreraient un rôle dans la modulation de l'excitabilité des nocicepteurs. Ce travail de thèse vise à caractériser son implication dans la physiopathologie de la douleur par une approche comportementale, moléculaire et fonctionnelle. La première partie de ce travail consiste à étudier la contribution du canal Nav1.9 à la douleur inflammatoire. Nous avons donc réalisé différents tests comportementaux chez des souris knock-out (KO) et des rats traités par antisens (knock-down) modèles de douleur inflammatoire (aigu, subaigu, chronique). L'expression du canal ainsi que ses propriétés électrophysiologiques sont ensuite analysées chez ces mêmes modèles animaux. Notre premier constat est que le canal Nav1.9 n'est pas impliqué dans la réponse à une stimulation mécanique ou thermique chaude nociceptive chez des animaux sains. En revanche, l'hypersensibilité douloureuse thermique et mécanique induite par une inflammation subaiguë (carragénine intraplantaire) ou chronique (monoarthrite) est significativement réduite chez la souris KO Nav1.9. Un résultat similaire est obtenu par traitement antisens chez le rat, sur le modèle d'inflammation subaiguë. Chez la souris, suite à l'induction d'une inflammation subaiguë, une légère diminution suivie d'une forte augmentation de l'expression protéique du canal Nav1.9 est observée dans les ganglions rachidiens innervant la patte enflammée. Une augmentation de la quantité de canaux est également observée au niveau des troncs nerveux cutanés innervant cette même zone. Les canaux néosynthétisés ne contribuent pas au courant sodique enregistré en patch clamp dans les corps cellulaires des neurones des ganglions rachidiens, mais nos données suggèrent qu'ils sont exportés en direction des terminaisons nerveuses, où ils pourraient devenir fonctionnels et augmenter l'excitabilité cellulaire. La deuxième partie de ce travail de thèse consiste à caractériser l'implication de canal Nav1.9 dans la perception du froid et dans l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Nous avons en effet observé de manière inattendue que les souris KO Nav1.9 présentent des seuils de douleur au froid (<10°C) plus élevés que les souris sauvages. Ce phénomène est confirmé par plusieurs tests comportementaux chez les souris KO et chez des rats traités par antisens anti-Nav1.9. L'oxaliplatine, prescrit dans le traitement des cancers colorectaux, est connu pour induire une hypersensibilité au froid invalidante chez la majorité des patients. Nous avons donc décidé d'étudier la contribution du canal Nav1.9 à ce symptôme. Suite à une injection unique d'oxaliplatine, une forte hypersensibilité au froid apparait chez les souris dès 20°C. Nous montrons que le KO Nav1.9 permet de supprimer l'hypersensibilité au froid aux températures normalement non douloureuses (20 et 15°C, allodynie), et de réduire l'hypersensibilité aux températures douloureuses (10 et 5°C, hyperalgie). Le même effet est observé chez le rat après traitement antisens. En conclusion, ce travail permet de mettre en évidence l'intérêt du canal Nav1.9 en tant que cible pharmacologique potentielle pour le traitement de douleurs inflammatoires et de l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine. Il est de plus intéressant de constater que les seuils de réponse à des stimuli nociceptifs ne sont pas perturbés chez les souris KO Nav1.9 saines, à l'exception de la douleur provoquée par des températures froides extrêmes. Le blocage du canal Nav1.9 aurait donc des propriétés anti-hyperalgiques plutôt qu'antalgique, ce qui est conceptuellement intéressant. / Voltage-gated sodium channels, or Nav channels, play a key role in neuronal excitability and in the emission and propagation of action potentials. Among the different Nav isoforms, Nav1.9 is only expressed in nociceptors and shows atypical electrophysiological properties which, if they exclude a possible contribution to the depolarizing phase of the action potential, could be important for the modulation of nociceptors' excitability. This study aims to characterize the Nav1.9 implication in the pathophysiology of pain using behavioral, molecular and functional approaches. The first part of this work is to assess the Nav1.9 contribution to inflammatory pain. Therefore we have performed several behavioral tests in different inflammatory pain models (acute, subacute, chronic), using knock-out (KO) mice and rats treated with antisense oligodeoxynucleotides. Nav1.9 expression and electrophysiological properties are then analyzed within the same animal models. First, we observe that Nav1.9 channels do not contribute to pain perception in response to noxious heat or pressure in healthy animals. However, thermal and mechanical pain hypersensitivity induced by subacute (intraplantar carrageenan) or chronic (monoarthritis) inflammation is significantly lowered in Nav1.9 knock-out mice. Similar results are obtained on the subacute inflammation model using a knock-down strategy in rats. A weak reduction followed by a strong increase in Nav1.9 protein expression is observed in mice dorsal root ganglions innervating the inflamed paw during subacute inflammation. We also observe an increase in Nav1.9 immunolabeling in cutaneous nerve trunks innervating this zone. Whereas the newly produced channels do not contribute to the sodium current recorded in dorsal root ganglion cell bodies, as assessed by patch clamp, our data suggest that they are transported to nerve terminals where they could become functional and increase neuronal excitability. In the second part of this study, we aim to characterize the implication of Nav1.9 channels in cold perception and in oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Indeed, we surprisingly observed that Nav1.9 KO mice showed higher pain thresholds to intense cold (<10°C) than wild-type mice. This observation is confirmed by several behavioral tests in KO mice and in antisense-treated rats. As oxaliplatine (a platinum salt used to treat colorectal cancer) is known to induce cold pain hypersensitivity in most of the patients, we decided to study the Nav1.9 contribution to this symptom. Following acute oxaliplatin injection, a strong cold hypersensitivity is observed in wild-type mice at 20°C and below. We show that Nav1.9 KO results in a suppression of cold hypersensitivity to non-noxious temperatures (20 and 15°C, allodynia), and a reduction of hypersensitivity to noxious cold (10 and 5°C, hyperalgesia). A similar observation is made using Nav1.9 knock-down in rats. To conclude, our data shows that Nav1.9 could be potentially a good target to treat acute to chronic inflammatory pain, as well as oxaliplatin-induced cold hypersensitivity. Furthermore, as Nav1.9 is not involved in defining pain thresholds of healthy animals (except for noxious cold), its blockade would have anti-hyperalgesic rather than analgesic effects, which is conceptually interesting.

Les neurones nocicepteurs jouent un rôle clé dans la défense de l’organisme. Dans le cas des réactions inflammatoires, ils initient des réflexes protecteurs tels que la toux, les vomissements, où les démangeaisons, et participent à la régulation de plusieurs mécanismes physiologiques, notamment la réponse immunitaire. Ils jouent ainsi un rôle prépondérant dans l’inflammation de type 2, souvent associée aux allergies. Mais les mécanismes qui permettent l’activation de ces neurones dans ce contexte sont encore mal connus. Au cours de ce projet de recherche, nous avons exploré la capacité des neurones nocicepteurs à détecter les signaux immunitaires spécifiquement associés à l’asthme. Nous avons ainsi identifié les caractéristiques des nocicepteurs des voies aériennes. Nous avons également démontré leur sensibilité aux allergènes grâce à l’expression du récepteur aux immunoglobulines de type E, FcεR1, ainsi que leur capacité à modifier leur transcriptome en réponse aux cytokines IL-4 et IL-13. Ces travaux soutiennent l’importance de la communication entre systèmes nerveux et immunitaires, et mettent en évidence de nouvelles cibles pour limiter la contribution neuronale aux réactions allergiques. / Nociceptor neurons play a major role in organism defense. In the context of inflammation, they initiate protective reflexes such as cough, vomiting, or itch, and participate in the regulation of various physiological mechanisms, including the immune response. They notably participate in type 2 inflammation, often associated with allergies. But the mechanisms driving the activation of nociceptor neurons in this context are still elusive. During this research project, we investigated the ability of nociceptor neurons to sense immune signals specifically associated with asthma. We identified the characteristics of airway innervating nociceptors. We also demonstrated their sensitivity to allergens through the expression of the Immunoglobulin E receptor FcεR1, as well as their ability to change their transcriptome in response to IL-4 and IL-13. This work supports the importance of bidirectional communication between the nervous and immune systems and unravels new targets to regulate neuronal contribution to inflammation.

The trigeminal ganglion (TG) is a complex sensory structure and multiple lines of evidence suggest that significant differences exist in anatomical, neurochemical and physiological properties between it and its equivalent structure in the somatosensory system, the dorsal root ganglion (DRG). This is likely to be a reflection, first on the unique areas of tissue innervation of the TG and second, on the unusual responses to injury which give rise to distinct pain symptoms such as toothache, migraine and temporomandibular joint disorders. In an attempt to address this disparity in knowledge, we have carried out an in-depth in vivo study investigating neurochemical populations and cell size distributions of sensory neurons within the rat TG. We have performed a detailed analysis of expression patterns for receptor components of important inflammatory mediators, NGF (TrkA), TNFα (p55) and IL-6 (gp130), along with the thermo-transducers TRPV1 and TRPM8. For each analysis we have compared our findings with those of the rat DRG. We have shown a significantly larger population of NF200+ neurons within the TG (51%) compared to the DRG (40%), and most interestingly, the majority of NF200+ neurons in the TG were within the small to medium cell size range, conferring a nociceptive phenotype. We have for the first time, determined expression of p55 and gp130 protein levels within neurochemically defined subpopulations of the TG. We show that a large proportion (33%) of TG neurons, in particular 27% of NF200+ neurons co-express p55, and thereby have the potential to respond directly to TNFα. Furthermore, we have observed gp130 protein expression to be ubiquitous within the TG, suggesting all neurons, including non-nociceptors, could respond to IL-6. In addition, we have utilised biochemical and electrophysiological techniques in vitro to measure the functional outcome of exposure of TG neurons to IL-6. We have demonstrated that IL-6 activates the JAK/STAT signalling pathway, preferentially within NF200+ neurons. Furthermore, we have shown that IL-6 sensitises the response of TG neurons to the TRPV1 agonist capsaicin, altering the gating properties and prolonging the opening time of the channel. Taken together, our findings support the emerging picture of a complex combinatorial pattern of co-expression of sensory neurochemicals, transducers and receptor components that help to define TG neuronal modality and function. We would advocate caution in making generalisations across sensory ganglia in particular in extrapolating data from the DRG to the trigeminal ganglion.