Peripheral opioid receptors and inhibition of sensory neuron excitability following nerve injury

Abstract

Neuropathic pain arises as a direct consequence of a lesion or disease affecting the somatosensory system. Such pain can be spontaneous, occurring without external stimulation or stimulus-evoked. The latter can be manifested in a behavioural hypersensitivity to mechanical stimulation, which is frequently observed in patients or in animal models of neuropathic pain. Currently used centrally acting opioids are often associated with CNS-mediated side effects, which can be avoided by selective activation of opioid receptors on peripheral nerves. Therefore, the major goal of the present study was to investigate the expression pattern of peripheral opioid receptors and the effects of their activation on the thresholds, discharge rates and latencies to mechanical stimulation of primary sensory neurons following nerve injury. In a chronic constriction injury (CCI) of the sciatic nerve the expression of mu- and delta-receptors in the dorsal root ganglia (DRG), in the sciatic nerves and in the hind paws was examined with immunofluorescence. Additionally, the co-expression of opioid receptors with different sensory neuronal markers was evaluated by double immunofluorescence. To investigate the functional relevance of peripheral opioid receptor activation in neuropathic pain an in vitro skin-nerve preparation for single sensory fiber recording was used. Effects of mu-receptor agonist DAMGO on von Frey-induced mechanical thresholds and on nanomotor-induced mechanical stimulation to increasing forces were tested. Whereas the number of DRG cells expressing mu- and delta-receptors did not change following CCI, the intensity of mu- and delta-receptor staining was greatly enhanced in the sciatic nerves proximal to the ligatures. Both opioid receptors were found in peptidergic Aδ and C fibers that mainly comprise nociceptors. Between 30- 45% of nociceptive Aδ and C fibers, but no Aβ fibers from injured nerves were responsive to DAMGO application onto their receptive field, demonstrating increased mechanical thresholds and a decreased number of action potentials in C fibers. The nerve injury itself did not change the thresholds and latencies of peripheral sensory fibers to mechanical stimulation, while their discharge rate was diminished. The results of the present study suggest that behaviorally manifested mechanical hypersensitivity does not require a sensitized state of cutaneous nociceptors following nerve injury. Yet, enhanced thresholds and lowered discharge rates of nociceptors might constitute a cellular mechanism underlying peripheral opioid-mediated blockade of mechanical hypersensitivity in neuropathic pain.

Neuropathischer Schmerz resultiert aus einer Läsion oder einer Krankheit, die im somatosensorischen Nervensystem auftritt. Die Schmerzen können spontan, ohne externe Stimulation, oder durch eine erhöhte Reaktion auf bestimmte Stimulationsarten entstehen. Eine Sensibilisierung auf mechanische Stimulation wird sehr häufig in Patienten oder in Tiermodellen des neuropathischen Schmerzes beobachtet. Die Behandlung mit systemisch verabreichten Opioiden ruft häufig schwere Nebenwirkungen hervor, welche durch selektive Aktivierung von Opioidrezeptoren im peripheren Nervensystem verhindert werden können. Das Ziel dieser Studie war es daher, die Expression peripherer Opioidrezeptoren, sowie die Effekte ihrer Aktivierung auf die durch mechanische Stimulation hervorgerufenen Schwellenwerte, Anzahl der Aktionspotentiale und Latenzzeiten von primären afferenten Neuronen nach einer Nervenverletzung zu untersuchen. Nach Induzierung einer losen, chronischen Ligation (CCI) des Ischiasnervens wurde die Expression der Opioidrezeptoren mu und delta im dorsalen Wurzelganglion (DRG), im Ischiasnerv und in der Haut der Hinterpfoten mittels Immunfluoreszenz untersucht. Des Weiteren wurde die Co-Expression der Opioidrezeptoren und verschiedener neuronaler Marker in Doppel- Immunfluoreszenz-Experimenten ermittelt. Um die funktionelle Relevanz der Aktivierung peripherer Opioidrezeptoren zu untersuchen, wurde eine in vitro Haut-Nerv Präparation zur Messung einzelner sensorischer Neuronen genutzt. Getestet wurde die Wirkung des mu-Rezeptor Agonisten DAMGO auf die von Frey- Haar-induzierten mechanischen Schwellenwerte und auf eine Nanomotor-induzierte ansteigende mechanische Stimulation. Die Anzahl der mu-und delta-Rezeptor exprimierenden DRG Neurone blieb nach der CCI Ligation konstant, wohingegen die Intensität beider Rezeptoren proximal zur Ligationsstelle stark anstieg. Beide Opioidrezeptor-Typen wurden in peptidergen Aδ und C Nervenfasern gefunden. Zwischen 30- 45% der hauptsächlich schmerzleitenden Aδ und C Fasern, aber keine Aβ Fasern der verletzten Nerven reagierten auf die Verabreichung von DAMGO mit erhöhten mechanischen Schwellenwerten und einer Abnahme der Anzahl der Aktionspotentiale im Falle der C Fasern. Die Nervenverletzung selbst führte zu keiner Veränderung der mechanisch-induzierten Schwellenwerte und Latenzzeiten der Nervenfasern, während die Rate ihrer Aktionspotenziale abnahm. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie weisen darauf hin, dass eine im Verhalten sichtbare mechanische Hypersensitivität keines sensibilisierten Zustandes kutaner Nozizeptoren bedarf. Erhöhte mechanische Schwellenwerte und eine Erniedrigung der Aktionspotenzialrate von Nozizeptoren könnten jedoch ein zellulärer Mechanismus sein, der der peripheren Opioid-vermittelten Hemmung mechanischer Hypersensitivität bei neuropathischen Schmerzen zugrunde liegt.