Inhibition of somatosensory mechanotransduction by annexin A6

Mechanically activated, slowly adapting currents in sensory neurons have been linked to noxious mechanosensation. The conotoxin NMB-1 (noxious mechanosensation blocker-1) blocks such currents and inhibits mechanical pain. Using a biotinylated form of NMB-1 in mass spectrometry analysis, we identified 67 binding proteins in sensory neurons and a sensory neuron-derived cell line, of which the top candidate was annexin A6, a membrane-associated calcium-binding protein. Annexin A6-deficient mice showed increased sensitivity to mechanical stimuli. Sensory neurons from these mice showed increased activity of the cation channel Piezo2, which mediates a rapidly adapting mechano-gated current linked to proprioception and touch, and a decrease in mechanically activated, slowly adapting currents. Conversely, overexpression of annexin A6 in sensory neurons inhibited rapidly adapting currents that were partially mediated by Piezo2. Furthermore, overexpression of annexin A6 in sensory neurons attenuated mechanical pain in a mouse model of osteoarthritis, a disease in which mechanically evoked pain is particularly problematic. These data suggest that annexin A6 can be exploited to inhibit chronic mechanical pain

Glial cell type-specific changes in spinal dipeptidyl peptidase 4 expression and effects of its inhibitors in inflammatory and neuropatic pain

Altered pain sensations such as hyperalgesia and allodynia are characteristic features of various pain states, and remain difficult to treat. We have shown previously that spinal application of dipeptidyl peptidase 4 (DPP4) inhibitors induces strong antihyperalgesic effect during inflammatory pain. In this study we observed low level of DPP4 mRNA in the rat spinal dorsal horn in physiological conditions, which did not change significantly either in carrageenan-induced inflammatory or partial nerve ligation-generated neuropathic states. In naive animals, microglia and astrocytes expressed DPP4 protein with one and two orders of magnitude higher than neurons, respectively. DPP4 significantly increased in astrocytes during inflammation and in microglia in neuropathy. Intrathecal application of two DPP4 inhibitors tripeptide isoleucin-prolin-isoleucin (IPI) and the antidiabetic drug vildagliptin resulted in robust opioid-dependent antihyperalgesic effect during inflammation, and milder but significant opioid-independent antihyperalgesic action in the neuropathic model. The opioid-mediated antihyperalgesic effect of IPI was exclusively related to mu-opioid receptors, while vildagliptin affected mainly delta-receptor activity, although mu- and kappa-receptors were also involved. None of the inhibitors influenced allodynia. Our results suggest pathology and glia-type specific changes of DPP4 activity in the spinal cord, which contribute to the development and maintenance of hyperalgesia and interact with endogenous opioid systems

Post-translational modifications of voltage-gated sodium channels in chronic pain syndromes.

In the peripheral sensory nervous system the neuronal expression of voltage-gated sodium channels (Navs) is very important for the transmission of nociceptive information since they give rise to the upstroke of the action potential (AP). Navs are composed of nine different isoforms with distinct biophysical properties. Studying the mutations associated with the increase or absence of pain sensitivity in humans, as well as other expression studies, have highlighted Nav1.7, Nav1.8, and Nav1.9 as being the most important contributors to the control of nociceptive neuronal electrogenesis. Modulating their expression and/or function can impact the shape of the AP and consequently modify nociceptive transmission, a process that is observed in persistent pain conditions. Post-translational modification (PTM) of Navs is a well-known process that modifies their expression and function. In chronic pain syndromes, the release of inflammatory molecules into the direct environment of dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons leads to an abnormal activation of enzymes that induce Navs PTM. The addition of small molecules, i.e., peptides, phosphoryl groups, ubiquitin moieties and/or carbohydrates, can modify the function of Navs in two different ways: via direct physical interference with Nav gating, or via the control of Nav trafficking. Both mechanisms have a profound impact on neuronal excitability. In this review we will discuss the role of Protein Kinase A, B, and C, Mitogen Activated Protein Kinases and Ca++/Calmodulin-dependent Kinase II in peripheral chronic pain syndromes. We will also discuss more recent findings that the ubiquitination of Nav1.7 by Nedd4-2 and the effect of methylglyoxal on Nav1.8 are also implicated in the development of experimental neuropathic pain. We will address the potential roles of other PTMs in chronic pain and highlight the need for further investigation of PTMs of Navs in order to develop new pharmacological tools to alleviate pain

Rôle du canal sodique Nav1.9 dans la douleur inflammatoire, dans la perception du froid et dans l'hypersensibilité au froid induite par l'oxaliplatine

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 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

Role of Nav1.9 sodium channel in inflammatory pain, perception of cold, and oxaliplatin-induced hypersensitivity to cold.

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

Mechanical allodynia

International audienceMechanical allodynia (other pain) is a painful sensation caused by innocuous stimuli like light touch. Unlike inflammatory hyperalgesia that has a protective role, allodynia has no obvious biological utility. Allodynia is associated with nerve damage in conditions such as diabetes, and is likely to become an increasing clinical problem. Unfortunately, the mechanistic basis of this enhanced sensitivity is incompletely understood. In this review, we describe evidence for the involvement of candidate mechanosensitive channels such as Piezo2 and their role in allodynia, as well as the peripheral and central nervous system mechanisms that have also been implicated in this form of pain. Specific treatments that block allodynia could be very useful if the cell and molecular basis of the condition could be determined. There are many potential mechanisms underlying this condition ranging from alterations in mechanotransduction and sensory neuron excitability to the actions of inflammatory mediators and wiring changes in the CNS. As with other pain conditions, it is likely that the range of redundant mechanisms that cause allodynia will make therapeutic intervention problematic