Chronic pain is a common problem in clinical practice, not well understood clinically, and frequently tough to satisfactorily diagnose. Because the pathophysiology is so complex, finding effective treatments for people with chronic pain has been overall less than successful and typically reduced to an unsatisfactory trial-and-error process, all of which translates into a significant burden to society. Knowledge of the mechanisms underlying the development of chronic pain, and moreover why some patients experience pain and others not, may aid in developing specific treatment regimens. Although nerve injuries are major contributors to pain chronification, they cannot explain the entire phenomenon. Considerable research has underscored the importance of the immune system for the development and maintenance of chronic pain, albeit the exact factors regulating inflammatory reactions remain unclear. Understanding the putative molecular and cellular regulator switches of inflammatory reactions will open novel opportunities for immune modulatory analgesics with putatively higher specificity and less adverse effects. It has become clear that small, non- coding RNA molecules known as microRNAs are in fact potent regulators of many thousands of genes and possibly cross-communicate between cellular pathways in multiple systems acting as so-called “master-switches”. Aberrant expression of miRNAs is now implicated in numerous disorders, including nerve injuries as well as in inflammatory processes. Moreover, compelling evidence supports the idea that miRNAs also regulate pain, and in analogy to the oncology field aid in the differential diagnosis of disease subtypes. In fact, first reports describing characteristic miRNA expression profiles in blood or cerebrospinal fluid of patients with distinct pain conditions are starting to emerge, however evidence linking specific miRNA expression profiles to specific pain disorders is still insufficient. The present thesis aimed at first, identifying specific miRNA signatures in two distinct chronic pain conditions, namely peripheral neuropathies of different etiologies and fibromyalgia syndrome. Second, it aimed at identifying miRNA profiles to better understand potential factors that differentiate painful from painless neuropathies and third, study the mechanistic role of miRNAs in the pathophysiology of pain, to pave the way for new druggable targets.
Three studies were conducted in order to identify miRNA expression signatures that are characteristic for the given chronic pain disorder. The first study measured expression of miR-21, miR-146a and miR-155 in white blood cells, skin and nerve biopsies of patients with peripheral neuropathies. It shows that peripheral neuropathies of different etiologies are associated with increased peripheral miR-21 and miR-146a, but decreased miR-155 expression. More importantly, it was shown that painful neuropathies have increased sural nerve miR-21 and miR-155 expression, but reduced miR-146a and miR-155 expression in distal skin of painful neuropathies. These results point towards the potential use of miRNAs profiles to stratify painful neuropathies. The seconds study extends these findings and first analyzed the role of miR-132-3p in patients and subsequently in an animal model of neuropathic pain. Interestingly, miR-132-3p was upregulated in white blood cells and sural nerve biopsies of patients with painful neuropathies and in animals after spared nerve injury. Pharmacologically modulating the expression of miR-132-3p dose-dependently reversed pain behavior and pain aversion, indicating the pro-nociceptive effect of miR-132-3p in chronic pain. This study thus demonstrates the potential analgesic impact by modulating miRNA expression. Fibromyalgia is associated with chronic widespread pain and, at least in a subgroup, impairment in small nerve fiber morphology and function. Interestingly, the disease probably comprises subgroups with different underlying pathomechanisms. In accordance with this notion, the third study shows that fibromyalgia is associated with both aberrant white blood cell and cutaneous miRNA expression. Being the first of its kind, this study identified miR-let-7d and its downstream target IGF-1R as potential culprit for impaired small nerve fiber homeostasis in a subset of patients with decreased intra-epidermal nerve fiber density. The work presented in this thesis is a substantial contribution towards the goal of better characterizing chronic pain based on miRNA expression signatures and thus pave the way for new druggable targets. / Chronische Schmerzen sind in der klinischen Praxis ein häufiges Problem, die
Ätiologie und Pathogenese jedoch oftmals unklar. Aufgrund der Komplexität des pathophysiologischen
Ursprunges chronischer Schmerzen, ist bei einem Teil der Patienten Schmerzfreiheit oder
Schmerzreduktion mit gängigen Analgetika nur insuffizient zu erreichen. Dies führt zu einer enormen
sozio-ökonomischen Belastung für die Gesellschaft. Daher können Kenntnisse über die Mechanismen,
die der Entwicklung von chronischen Schmerzen zugrunde liegen, und darüber hinaus, warum einige
Patienten Schmerzen entwickeln und andere nicht, bei der Entwicklung spezifischer und individueller
Behandlungsschemata helfen. Eine Vielzahl an Studien belegen die Bedeutung des Immunsystems für die
Entwicklung und Aufrechterhaltung chronischer Schmerzen, wenngleich die genauen Faktoren, die
entzündliche Reaktionen regulieren, noch unklar bleiben. Rezente Entdeckungen der
hochkonservierten, nicht-kodierenden RNA-Moleküle, sogenannten microRNAs, lassen in der Tat darauf
schließen, dass diese eine wichtige Rolle im Netzwerk der Genregulation spielen. microRNAs
regulieren die hochspezifische „cross-communication“ mehrerer simultaner
Signaltransduktionsvorgänge zellulärer Prozesse, und werden daher auch "master-switches" genannt.
Interessanterweise, wurden aberrante Expressionen spezifischer miRNAs in zahlreichen Krankheiten,
einschließlich Nervenverletzungen, sowie in entzündlichen Prozessen nachgewiesen. Darüber hinaus
belegen stichhaltige Beweise nicht nur die Idee, dass miRNAs auch bei der Regulierung von Schmerzen
eine wichtige Rolle spielen, sondern auch hilfreich bei der Differentialdiagnose von Krankheits-
Subtypen sein können. Dies wurde bei rezenten onkologischen Studien deutlich. Tatsächlich weisen
erste Berichte auf ein charakteristisches miRNA- Expressionsprofil in Blut oder
Zerebrospinalflüssigkeit von Patienten mit verschiedenen Schmerztypen hin. Jedoch ist die Assoziation spezifischer
miRNA-Expressionsprofile mit spezifischen Schmerzstörungen noch unzureichend. Die Zielvorgabe der
vorliegenden Arbeit war daher zunächst, spezifische miRNA-Signaturen in zwei verschiedenen
chronischen Schmerzzuständen zu identifizieren, nämlich peripheren Neuropathien verschiedener
Ätiologien und dem Fibromyalgie-Syndrom. Zweitens wurden die erarbeiteten Ergebnisse dazu
verwendet, bestimmte miRNA-Profile zu identifizieren, die schmerzhafte von schmerzlosen
Neuropathien unterscheiden lassen und einen Hinweis auf die Pathologie der kleinkalibrigen Fasern
bei der Fibromyalgie geben. Darüber hinaus wurde die mechanistische Rolle von miRNAs in der
Pathophysiologie von Schmerzen Tierexperimentell untersucht, um künftig neuartige Therapien
entwickeln zu können.
Die erste Studie untersuchte die Expression von miR-21, miR-146a und miR-155 in weißen
Blutkörperchen, Haut- und Nervenbiopsien bei Patienten mit peripheren Neuropathien. Sie zeigt, dass
periphere Neuropathien verschiedener Ätiologien mit erhöhten peripheren miR-21 und miR-146a und
verminderter miR-
155 Expression assoziiert sind. Wichtiger jedoch, dass Patienten mit schmerzhaften Neuropathien
erhöhte miR-21 und miR-155-Expression im Suralis und verminderte miR-146a- und miR-155-Expression
in distalen im Vergleich zu proximalen Hautbiopsien aufweisen. Diese Ergebnisse weisen auf die
potenzielle Verwendung von miRNA-Profilen zur Stratifizierung schmerzhafter Neuropathien hin. Die
zweite Studie baut dieses Ergebnis aus und untersuchte zunächst die Rolle von miR-132-3p im humanen
und anschließend bei tierexperimentellen neuropathischen Schmerzen. Interessanterweise war
miR-132-3p sowohl in weißen Blutkörperchen und Suralis-Nervenbiopsien von Patienten mit
schmerzhaften Neuropathien als auch bei Tieren nach Läsion eines peripheren Nervens hochreguliert.
Nach pharmakologischer Intervention gab es eine dosisabhängige Schmerzreduktion und
Schmerzaversion, was somit auf den pro- nozizeptiven Effekt von miR-132-3p hinweist. Diese Studie
zeigt somit die potenzielle analgetische Wirksamkeit microRNA-gerichteter pharmakologischer
Interventionen. Das Fibromyalgie Syndrome ist eine chronische Erkrankung, die von einem multilokulären Schmerzbild und Beeinträchtigungen in kleinen
Nervenfasern dominiert wird. Es wird angenommen, dass die Erkrankung wahrscheinlich aus Subgruppen
mit unterschiedlichen zugrunde liegenden Pathomechanismen besteht. Die hierzu durchgeführte Studie
zeigt, dass Fibromyalgie-Patienten veränderte microRNA Expression sowohl in weißen Blutkörperchen
als auch in der Haut aufweisen. Erstmals identifiziert diese Studie miR-let-7d und ihr
„downstream-target“ IGF-1R als potentiellen Schädigungsmechanismus kleiner Nervenfaserfunktionen,
in einer Subgruppe von Patienten mit verminderter intra-epidermalen Nervenfaserdichte. Die
Ergebnisse, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, liefern einen wesentlichen Beitrag, die
Pathophysiologie chronischer Schmerzen, aufgrund von miRNA-Expressions-Signaturen zu charakterisieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:14439 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Leinders, Mathias |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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