Molecular mechanisms of muscle pain associated with myotonic dystrophy type II

Abstract

Muscle pain is a frequent clinical symptom that impairs the quality of life but the molecular mechanisms behind the onset of pain remain unknown. Patients with myotonic dystrophy type 2 (DM2) often develop muscle pain of moderate severity which is resistant to conventional analgesics. DM2 is a promising model for studying muscle pain since it is a monogenetic disorder caused by CCTG repeats expansion in intron 1 of transcription factor encoding CNBP which alters gene expression and splicing of downstream genes. We assumed that the expansion of repeats in CNBP could alter the gene expression and splicing of pain regulating genes in DM2. Additionally, certain myokines secreted from DM2 affected muscles during contraction could contribute to the onset of muscle pain. Considering that hyperlipidemia is frequent in DM2 and lipids are known mediators of peripheral nociception, altered levels of lipids might also modulate the nociception in DM2. In our study, we examined a cohort of 42 DM2 patients and 20 healthy controls. Patients were characterized for somatosensory profiles with a standardized QST protocol. We obtained biopsy specimens from 12 DM2 patients (6 with and 6 without muscle pain) in order to analyze their transcriptome profiles and performed microdialysis with 14 patients (7 with and 7 without muscle pain) for proteomic and lipidomic profiling of muscle pain in DM2. QST revealed significantly decreased pressure pain thresholds over proximal and distal muscles only in DM2 patients with pain indicating that the cause of the muscle pain is within the muscle. DM2 patients had distinct transcriptome profiles based on the presence of muscle pain and RNA sequencing identified 14 differentially expressed genes between patients with and without pain. Shotgun proteomic analysis of DM2 interstitial fluid revealed 22 differentially secreted proteins based on the presence of muscle pain. There was no association between muscle pain in DM2 and the known pro-inflammatory cytokines IL-1, IL-6 and NGF. LC-MS/MS analysis of DM2 lipidome profiles identified the presence of anti-inflammatory eicosanoids 11,12-DHET only in patients without pain. These results are the first evidence that the muscle pain in DM2 is caused by peripheral nociception. Furthermore, this study shows that by using OMICS techniques in homogenous groups of patients with chronic pain, it is possible to identify novel genes and molecules that might contribute to the onset of pain. Our study might also explain the pathogenic mechanisms of more common disorders with chronic muscle pain such as fibromyalgia.

Muskelschmerzen sind ein häufiges klinisches Symptom, das die Lebensqualität beeinträchtigt. Trotzdem bleiben die Molekularmechanismen, die dahinterstehen, unbekannt. Bei den Patienten mit der Myotonen Dystrophie Typ 2 (DM2) treten oft Muskelschmerzen mittleren Schweregrades auf, die gegen konventionelles Analgetikum resistent sind. DM2 ist ein viel versprechendes Modell für die Studie über Muskelschmerzen, weil es eine monogenetische Krankheit ist, die durch die Zunahme der CCTG Wiederholungen, die im Intron 1 von CNBP, das die Genexpression und das Spleißen der Downstream-Gene ändert, stattfindet. Wir haben angenommen, dass die Zunahme der Wiederholungen in CNBP bei DM2 die Genexpression sowie das Spleißen der Gene, die die Schmerzen regulieren, ändern könnte. Darüber hinaus könnten gewisse Myokine, die aus den von DM2 betroffenen Muskeln während Kontraktion abgesondert wurden, zu dem Auftreten der Schmerzen beitragen. Da bei DM2 die Hyperlipidämie oft vorkommt und die Lipide bekannte Mediatoren der peripheren Nozizeption sind, könnten die geänderten Lipidspiegel auch die Nozizeption bei DM2 regeln. In unserer Studie haben wir eine Kohorte von 42 DM2 Patienten und 20 gesunden Kontrollprobanden untersucht. Die Patienten wurden für somatosensorische Profile mit standarisiertem QST Protokoll charakterisiert. Wir haben von 12 DM2 Patienten (6 mit und 6 ohne Muskelschmerzen) Biopsieproben entnommen, um ihre Transkriptomprofile zu analysieren und haben bei 14 Patienten (7 mit und 7 ohne Muskelschmerzen) die Mikrodialyse für die proteomische und lipämische Profilierung von Muskelschmerzen bei DM2 durchgeführt. QST zeigte deutlich reduzierte Grenzwerte von Druckschmerzen in proximalen und distalen Muskeln nur bei den DM2 Patienten mit Schmerzen, was darauf hinweist, dass die Ursache für die Muskelschmerzen innen im Muskel liegt. Die DM2 Patienten hatten verschiedene Transkriptomprofile, die auf der Präsenz der Muskelschmerzen basierten und die RNA-Sequenzierung identifizierte 14 differentiell bei den Patienten mit und ohne Muskelschmerzen exprimierte Gene. Die proteomische Shotgun-Analyse von der DM2 interstitiellen Flüssigkeit offenbarte 22 differentiell abgesonderte, auf der Präsenz der Muskelschmerzen basierende Proteine. Es ergab sich keine Verbindung zwischen Muskelschmerzen in DM2 und bekannten pro-inflammatorischen Zytokinen IL-1, IL-6 und NGF. LC-MS-Analyse von DM2 lipämische Profile identifizierten die Präsenz von entzündungshemmenden Eicosanoiden 11,12DHET nur bei Patienten ohne Muskelschmerzen. Dieses Ergebnis ist der erste Beweis dafür, dass die Muskelschmerzen bei DM2 ein Resultat der peripheren Nozizeption sind. Außerdem zeigt die Studie, dass durch die Nutzung von OMICS-Techniken bei homogenen Gruppen von Patienten mit chronischen Schmerzen es einfacher ist, neuartige Gene und Moleküle zu identifizieren, die zu dem Auftreten von Schmerzen beitragen können. Unsere Studie könnte auch die pathogenen Mechanismen von gewöhnlicheren Krankheiten mit chronischen Muskelschmerzen wie Fibromyalgie erklären.