Neuroimmune mechanisms of opioid antinociception in early inflammation - involvement of adhesion molecules

Abstract

Pain can be effectively controlled by endogenous mechanisms based on neuroimmune interactions. In inflamed tissue immune cell-derived opioid peptides activate opioid receptors on peripheral sensory nerves leading to potent antinociception. This is brought about by a release of opioids from inflammatory cells after stimulation by stress (e.g. experimental CWS or surgery) or corticotropin-releasing factor (CRF). Immunocytes migrate from the circulation to inflamed tissue in multiple steps, including their rolling, adhesion, and transmigration through the vessel wall. This is orchestrated by adhesion molecules on leukocytes and vascular endothelium. Here I (1) evaluated mechanisms of intrinsic pain inhibition at different stages of Freund�s adjuvant-induced inflammation of the rat's paw, and (2) examined the relative contribution of selectins, integrins α4 and β2, and IgSF members ICAM-1 and PECAM-1 to the opioid-mediated inhibition of inflammatory pain. I used paw pressure testing to asses nociceptive thresholds. I found that : (1) In early (6 h) inflammation leukocyte-derived β-END, Met-ENK, and DYN activate peripheral µ-, δ-, and κ-receptors to inhibit nociception. In addition, central opioid mechanisms seem to contribute significantly to this effect. At later stages (4 days), antinociception is exclusively produced by leukocyte- derived β-END acting at peripheral µ- and δ-receptors. CRF is an endogenous trigger of these effects at both stages. (2) Peripheral opioid antinociception elicited either by CWS or intraplantar administration of CRF was dramatically reduced by blockade of L- and P-selectins by fucoidin, and monoclonal antibody against ICAM-1. Although separate blockade of α4 and β2 integrins was not sufficient (present study), their simultaneous blockade extinguished CWS- induced antinociception. CWS-induced antinociception was unaffected by blockade of PECAM-1. Together, these findings indicate that peripheral opioid mechanisms of pain inhibition gain functional relevance with the chronicity of inflammation. They establish selectins, integrins, and ICAM-1, but not PECAM-1 as major regulators, in the local opioid mediated control of inflammatory pain. Thus, pain is exacerbated by measures inhibiting the immigration of opioid-producing cells or, conversely, antinociception might be conveyed by adhesive interactions that recruit those cells to injured tissue.

Schmerz kann effektiv durch neuroimmune Interaktionen im Bereich des zentralen Nervensystems kontrolliert werden. In entzündetem Gewebe können von Immunzellenen stammende Opioidpeptide ihre entsprechenden Opioidrezeptoren auf peripheren sensorischen Nervenendigungen aktivieren was zur Schmerzhemmung führt. Diese Mechanismen werden durch Stress (bsp. experimenteller Schwimmstress oder postoperativer Stress) oder Corticotropin releasing factor (CRF) ausgelöst. Die Auswanderung von Immunzellen aus der Zirkulation in entzündetes Gewebe ist ein komplexer Prozess, der aus dem Rollen, der Adhäsion und Transmigration der Zellen durch des Gefässendothel besteht. Dieser Prozess wird durch Interaktionen zwischen Adhäsionsmolekülen auf der Immunzell- und Endotheloberfläche vermittelt. In der vorliegenden Arbeit habe ich (1) die Mechanismen der endogenen Schmerzhemmung in einer durch Freund's Adjuvant ausgelösten Entzündung der Rattenhinterpfote in verschiedenen Entzünungsstadien untersucht und (2) den relativen Beitrag der Adhäsionsmoleküle L- und P-Selektin, a 4 und b 2 Integrine und Immunglobulinsuperfamilien Mitglieder ICAM-1 und PECAM-1 in der opioidvermittelten peripheren Schmerzhemmung evaluiert. Zur Schmerzmessung habe ich den Pfotendruckschwellentest verwendet. Ich fand heraus, dass (1) in der frühen Entzündungsphase (6 h) alle drei Opioidpeptide b -Endorphin, Met- Enkephalin und Dynorphin-A und ihre Rezeptoren m , d und k die periphere endogene Schmerzhemmung vermitteln. Zusätzlich tragen auch zentrale Opioidmechanismen einen signifikanten Anteil dazu bei. Das steht im Gegensatz zu den Ergebnissen in der späten Entzündungsphase (4 Tage) in der die endogene Schmerzhemmung ausschließlich peripher und durch b -Endorphin, welches an m und d Rezeptoren wirkt, vermittelt wird. CRF ist zu beiden Entzündingszeitpunkten der endogene Trigger, der diese Mechanismen auslöst. (2) Sowohl die durch Schwimmstress als auch die durch lokal appliziertes CRF ausgelöste periphere opioidvermittelte Schmerzhemmung konnte durch Blockade von L- und P-Selektinen aufgehoben und durch Antikörper gegen ICAM-1 stark reduziert werden. Obwohl die einzelne Blockade der Integrine a 4 und b 2 in dieser Studie keinen ausgeprägten Effekt zeigte, konnte eine sich anschließende Studie zeigen, dass die simultane Blockade zu einer ausgeprägten Reduktion der Schmerzhemmung führt. Antikörper gegen PECAM-1 zeigten keine Wirkung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass periphere Mechanismen der endogenen Schmerzhemmung eine zunehmende Bedeutung mit der Chronizität der Entzündung gewinnen. Selektine, Integrine und ICAM-1 jedoch nicht PECAM-1 erscheinen als Hauptregulatoren in der lokalen, opioidvermittelten Kontrolle von Entzündungsschmerz. Somit kann Schmerz durch Blockade dieser adhäsiven Mechanismen und verminderter Einwanderung opioidpeptidenthaltender Immunzellen verstärkt und im umgekehrten Fall durch Förderung dieser Mechanismen vermindert werden.