The use of opioids for pain management is complicated by associated adverse side effects. Nevertheless, opioids are the gold standard for the treatment of pain. A better understanding of the mechanisms underlying opioid analgesia, particularly in the peripheral nervous system (PNS), would help to develop opioids acting specifically at sites of peripheral tissue injury to inhibit pain without centrally mediated unwanted effects. Activation of opioid receptors typically inhibits neuronal voltage-gated calcium (Ca2+)-channels and activates G protein-coupled inwardly rectifying potassium (GIRK) channels through the binding of G-protein Gβγ subunits in the central nervous system (CNS). Both events reduce membrane excitability. However, studies on GIRK channel expression and function in the PNS are scarce and have produced conflicting results. Here we report for the first time that GIRK channels in peripheral sensory (dorsal root ganglion; DRG) neurons are crucially involved in the generation of opioid antinociception. We found strong mRNA expression of different GIRK subunits in the cerebellum of mice and rats, whereas GIRK mRNA was expressed only at very low levels in DRG of naïve mice. However, expression of GIRK1 and -2 mRNA was prominent in DRG neurons of naïve rats. We detected GIRK1 and -2 protein in mouse cerebellum but not in DRG, whereas both proteins were present in rat DRG. By using the whole cell patch-clamp technique we recorded GIRK currents after mu-opioid receptor activation in rat but not in mouse DRG neurons. We generated transgenic mice expressing a Flag- GIRK2 construct selectively in DRG neurons. The mu-opioid agonist DAMGO evoked GIRK currents in DRG neurons isolated from these Nav1.8-GIRK2 mice but not from wildtype littermates. This indicates a functional coupling of mu-opioid receptors and GIRK channels in Nav1.8-GIRK2 mice. We assessed how expression of GIRK2 affects nociceptive behavior by measuring hindpaw withdrawal in response to noxious heat or mechanical stimuli using a model of inflammatory pain. Nav1.8-GIRK2 mice exhibited normal baseline sensitivities as well as normal thermal and mechanical hyperalgesia after induction of paw inflammation. Local injection of DAMGO abolished the thermal and mechanical hypersensitivity in Nav1.8-GIRK2 mice but not in wildtype littermates with inflamed paws. In summary, these data show that expression of GIRK channels in peripheral sensory neurons is crucial for the generation of peripheral opioid antinociception and that there are important species-specific differences in rodents. Potent DAMGO-induced antinociception was redeemed in transgenic mice expressing sensory neuron-specific GIRK2. Our findings provide new insights into molecular mechanisms underlying pain inhibition in different species and they provoke interesting questions for future basic and clinical research.
Opioide werden sehr häufig in der Schmerztherapie verwendet obwohl sie starke Nebenwirkungen hervorrufen. Trotzdem sind Opioide bis heute die wirksamsten Analgetika um starke Schmerzen zu lindern. Ein besseres Verständnis der Mechanismen welche der Opioid-Analgesie insbesondere im peripheren Nervensystem (PNS) zugrunde liegen, würde helfen um neue Opioide zu entwickeln, die direkt in verletztem Gewebe wirken und somit den Schmerz dort inhibieren wo er entsteht, ohne zentrale Nebenwirkungen hervorzurufen. Aktivierung der G-Protein gekoppelten Opioidrezeptoren führt zur Inhibition von spannungs-kontrollierten Kalziumkanälen und, im zentralen Nervensystem (ZNS), zur Aktivierung von bestimmten Kaliumkanälen, den „G protein-coupled indwardly rectifying potassium“ (GIRK) Kanälen. Beides geschieht durch Bindung der Gβγ Untereinheit des Opioidrezeptors an die Ionenkanäle und führt zur geringeren Erregbarkeit der Nervenzelle. Studien über die Expression der GIRK Ionenkanäle im PNS zeigen widersprüchliche Ergebnisse. In dieser Dissertation konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass GIRK Ionenkanäle eine entscheidende Rolle in der peripheren Opioidanalgesie spielen. Starke mRNA Expression verschiedener GIRK Untereinheiten konnte im Kleinhirn, nicht aber in den Hinterwurzelganglien (DRGs) der peripheren sensorischen Neurone von Mäusen nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu wurde eine deutliche mRNA Expression der Untereinheiten GIRK1 und -2 in den Hinterwurzelganglien der Ratte gezeigt. Mit Hilfe von Patch clamp Experimenten konnten GIRK Ströme nach Aktivierung des mu-Opioidrezeptors in DRG Neuronen der Ratte nicht aber der Maus gemessen werden. Es wurde eine transgene Mauslinie generiert, welche ein Flag-GIRK2 Konstrukt selektiv in peripheren sensorischen Neuronen exprimiert. Wir konnten DAMGO-induzierte GIRK Ströme in peripheren sensorischen Neuronen der transgenen Mäuse, nicht aber der wildtyp Geschwister messen. Dies deutet auf eine funktionelle Kopplung von mu-Opioidrezeptoren und Flag-GIRK2 Ionenkanälen in den transgenen Mäusen hin. Wir untersuchten, wie die Expression von Flag- GIRK2 das Schmerzverhalten und die Opioidanalgesie in Verhaltensexperimenten beeinflusst. Die basale Sensitivität für schmerzhafte Hitzestimuli und Mechanische Reize war bei transgenen Mäusen unverändert gegenüber wildtyp Geschwistern. Zwei Tage nach Induktion einer Pfotenentzündung entwickelten auch beide eine thermale und mechanische Hyperalgesie. Injektion des mu- Opioidagonisten DAMGO in die entzündete Pfote reduzierte jedoch Hitzeschmerz sowie mechanische Hyperalgesie nur in den transgenen Mäusen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass GIRK Ionenkanäle in peripheren sensorischen Neuronen äußerst wichtig sind für die Manifestation von peripherer Opioidanalgesie in Nagern. Wir konnten DAMGO-induzierte Analgesie in transgenen Mäusen messen, welche den GIRK2 Ionenkanal in peripheren sensorischen Neuronen exprimieren, nicht aber in wildtyp Mäusen die keine GIRK Ionenkänale im PNS aufweisen. Übereinstimmend mit unseren Ergebnissen, haben viele andere Studien periphere Opioidanalgesie in Ratten nachgewiesen, welche GIRK Ionenkanäle normalerweise in ihren peripheren sensorischen Neuronen exprimieren.
