Behavioral and Electrophysiological Study of Thermal and Mechanical Pain Modulation by TRP Channel Agonists

Transient receptor potential channels (TRP) have been extensively investigated over the past few years. Recent findings in the field of pain have established a family of six thermoTRP channels (TRPA1, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, and TRPV4) that exhibits sensitivity to increases or decreases in temperature, as well as to chemical substances eliciting the respective hot or cold sensations. Such irritants include menthol, cinnamaldehyde, gingerol, mustard oil, capsaicin, camphor, eugenol, and others. In this study, we used behavioral and electrophysiological methods to investigate if mustard oil (allyl isothiocyanate, AITC) and capsaicin affect the sensitivity to thermal, innocuous cold, and mechanical stimuli in male rats. Unilateral intraplantar injection of AITC and capsaicin induced significant decreases in the latency for ipsilateral paw withdrawal from a noxious heat stimulus, i.e., heat hyperalgesia. These agents also significantly reduced the mechanical withdrawal thresholds of the injected paw, i.e., mechanical allodynia. Bilateral intraplantar injections of AITC resulted in a two-phase effect on cold avoidance (thermal preference test). A low concentration of AITC (5%) did not change cold avoidance similarly to the vehicle control, while higher AITC concentrations (10 and 15%) significantly reduced cold avoidance, i.e., induced cold hypoalgesia. Capsaicin acted in almost the same manner. These results indicate that TRPA1 channels are clearly involved in pain reactions, and the TRPA1 agonist AITC enhances the heat pain sensitivity, possibly by indirectly modulating TRPV1 channels, which are co-expressed in nociceptors with TRPA1s. In electrophysiological experiments, neuronal responses to electrical and graded mechanical and noxious thermal stimulations were tested before and after cutaneous application of AITC. Repetitive application of AITC initially increased the firing rate of spinal wide-dynamic range neurons; this was followed by rapid desensitization that persisted when AITC application was reapplied 30 min later. The responses to noxious thermal (but not to mechanical) stimuli were significantly enhanced irrespective of whether the neuron was directly activated by AITC. These findings indicate that AITC produced peripheral sensitization of heat nociceptors. Overall, our data support the role of hermosensitive TRPA1 and TRPV1 channels in pain modulation and show that these thermoTRP channels are promising targets for the development of a new group of analgesic drugs.Канали транзієнтного рецепторного потенціалу (transient receptor potential channels, TRP) були відносно докладно вивчені протягом останніх п’яти років. Згідно з результатами сучасних досліджень у галузі болю існує сім’я канальних структур, що складається з шести видів термо-TRP-каналів (TRPA1, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3 та TRPV4). Такі канали виявляють чутливість до збільшення або зменшення температури, а також до хімічних речовин, котрі викликають відповідне відчуття гарячого або холодного. До подібних агентів належать ментол, коричний альдегід, гінгерол, гірчична олія, капсаїцин, камфора, евгенол та ін. У нашому дослідженні ми використовували поведінкові та електрофізіологічні методи, щоб з’ясувати, чи впливають гірчична олія (аліл ізотіоціанат, АІТЦ) та капсаїцин на чутливість самців щурів до термальних, нешкідливих холодових або механічних стимулів. Унілатеральні внутрішньопідошовні ін’єкції АІТЦ та капсаїцину зумовлювали істотні скорочення латентного періоду відсмикування іпсілатеральної кінцівки від шкідливого гарячого стимулу, тобто теплову гіпералгезію. Ці агенти також істотно зменшували пороги відсмикування кінцівки при дії механічного стимулу на ін’єковану кінцівку, тобто викликали механічну алодінію. Білатеральні внутрішньопідошовні ін’iєкції АІТЦ приводили до двофазного впливу на реакцію уникання від холоду (тест термальної преференції). АІТЦ у низькій концентрації (5%) не змінював холодового уникання порівняно з контролем, тоді як у вищих концентраціях (10 та 15 %) істотно пригнічував реакцію уникання на холод, тобто індукував холодову гіпоалгезію. Капсаїцин діяв майже таким самим чином. Ці результати вказують на те, що TRPA1-канали безперечно залучені у больові реакції і що АІТЦ (агоніст TRPA1) посилює чутливість до теплового болю (можливо, через непряме модулювання TRPV1-каналів, котрі коекспресуються у ноцицепторах з TRPA1s). У електрофізіологічних експериментах нейронні відповіді на електричні та ступінчасті механічні та шкідливі термальні стимули тестувалися перед шкірною аплікацією АІТЦ та після такої дії. Повторна аплікація АІТЦ спочатку збільшувала частоту розрядів спінальних нейронів з широким динамічним діапазоном; це спричиняло швидку десенситизацію, котра утримувалася після аплікації АІТЦ, застосованої за 30 хв. Відповіді на шкідливу термальну (але не на механічну) стимуляцію істотно збільшувалися незалежно від того, чи активувався нейрон АІТЦ безпосередньо. Ці результати вказують на те, що АІТЦ спричинює периферичну сенситизацію теплових рецепторів. У цілому наші результати говорять на користь ролі термосенситивних TRPA1- та TRPV1-каналів у больовій модуляції та свідчать про те, що дані термо-ТRP-канали є перспективними мішенями для розвитку нової групи аналгетиків

Scratching inhibits serotonin-evoked responses of rat dorsal horn neurons in a site- and state-dependent manner

Scratching inhibits pruritogen-evoked responses of neurons in the superficial dorsal horn, implicating a spinal site for scratch inhibition of itch. We investigated if scratching differentially affects neurons depending on whether they are activated by itchy vs. painful stimuli, and if the degree of inhibition depends on the relative location of scratching. We recorded from rat lumbar dorsal horn neurons responsive to intradermal (id) microinjection of serotonin (5-HT). During the response to 5-HT, scratch stimuli (3 mm, 300 mN, 2 Hz, 20 s) were delivered at the injection site within the mechanosensitive receptive field (on-site), and 4–30 mm away, outside of the receptive field (off-site). During off-site scratching, 5-HT-evoked firing was significantly attenuated followed by recovery. On-site scratching excited neurons, followed by a significant post-scratch decrease in 5-HT-evoked firing. Most neurons additionally responded to mustard oil (AITC). Off-site scratching had no effect, while on-site scratching excited the neurons. These results indicate that scratching exerts a state-dependent inhibitory effect on responses of spinal neurons to pruritic but not algesic stimuli. Moreover, on-site scratching first excited neurons followed by inhibition, while off-site scratching immediately evoked inhibition of pruritogen-evoked activity. This accounts for the suppression of itch by scratching at a distance from the site of the itchy stimulus

Behavioral model of itch, alloknesis, pain and allodynia in the lower hindlimb and correlative responses of lumbar dorsal horn neurons in the mouse

We have further developed a behavioral model of itch and pain in the lower hindlimb (calf) originally reported by LaMotte et al. (2011) that allows comparisons with responses of lumbar dorsal horn neurons to pruritic and noxious stimuli. Intradermal (id) microinjection of the pruritogens histamine, SLIGRL-NH2 (agonist of PAR-2 and MrgprC11) and choloroquine (agonist of MrgprA3) into the calf of the lower limb elicited significant biting and a small amount of licking directed to the injection site, over a 30-min time course. Following id injection of histamine, low-threshold mechanical stimuli reliably elicited discrete episodes of biting (alloknesis) over a longer time course; significantly less alloknesis was observed following id injection of SLIGRL-NH2. Capsaicin injections elicited licking but little biting. Following id injection of capsaicin, low-threshold mechanical stimuli elicited discrete hindlimb flinches (allodynia) over a prolonged (>2 hr) time course. In single-unit recordings from superficial lumbar dorsal horn neurons, low-threshold mechanically-evoked responses were significantly enhanced, accompanied by receptive field expansion, following id injection of histamine in histamine-responsive neurons. This was not observed in histamine-insensitive neurons, or following id injection of saline or SLIGRL-NH2, regardless of whether the latter activated the neuron or not. These results suggest that itch-responsive neurons are selectively sensitized by histamine but not SLIGRL-NH2 to account for alloknesis. The presently-described “calf” model appears to distinguish between itch- and pain-related behavioral responses, and provides a basis to investigate lumbar spinal neural mechanisms underlying itch, alloknesis, pain and allodynia