Opioid receptor efficacy during normal and pathological conditions

Abstract

Along the pain pathway, i.e. from the peripheral sensory neuron via the spinal cord to the thalamus and sensory cortex, mu-opioid receptors (MOR) are accessible for the modulation of incoming painful stimuli. In this thesis the relative contributions of MOR to the systemic antinociceptive effects of MOR agonists at the level of the peripheral sensory neuron, spinal cord, and brain was examined. Moreover, since previous work has suggested that sensory neuron opioid receptors may vary in their number, G protein coupling and efficacy depending on the presence of a normal or pathological condition (e.g. cancer, inflammation), this thesis examined the underlying mechanisms of a reduced opioid responsiveness and explored possible therapeutic approaches in the animal model of streptozotocin-induced diabetic neuropathic pain. Chapter I – In rats with unilateral complete Freund’s adjuvant hindpaw inflammation antinociceptive effects of the systemically active MOR agonists fentanyl and morphine versus the peripherally restricted MOR agonist loperamide were compared following their systemic and peripheral administration. In addition, antinociceptive effects of systemically applied MOR agonists were antagonized by site-directed application of naloxone-methiodide at the level of the brain, spinal cord and peripheral sensory neuron. Antinociceptive effects of systemically applied MOR agonists were two- to threefold greater and longer lasting compared to their peripheral application. Antagonism of systemic opioid antinociception by site-directed naloxone-methiodide showed superior involvement of cerebral and spinal compared to peripheral MOR. Chapter II – In previous studies using the animal model of streptozotocin (STZ)-induced diabetes, antinociceptive effects of opioids were significantly impaired, however, their explanations of the underlying mechanisms focussing on the brain and spinal cord were somewhat inconsistent. Since painful diabetic neuropathy is primarily a disease of the peripheral nervous system, the focus of this work was to examine putative changes of the opioid receptor system in the peripheral sensory neuron. Impaired peripheral antinociceptive effects of opioids are associated with a loss in the number, coupling and efficacy of sensory neuron MOR in rats with STZ-induced diabetic neuropathic pain. This loss is due in part to the enhanced Rab7 dependent lysosomal targeting and degradation of MOR. Importantly, down-regulation of the enhanced Rab7 expression by siRNA-mediated gene silencing or by normalization of the reduced nerve growth factor concentration in diabetic rats prevented MOR targeting to lysosomes, restored MOR density on the cell membrane of sensory neurons, and rescued opioid responsiveness towards better pain relief. Chapter III – Interestingly in parallel to the changes at the peripheral nerve terminal, similar changes occured at the central presynaptic nerve terminal of sensory neurons within the spinal cord of diabetic rats. In STZ treated animals with diabetic neuropathic pain antinociceptive effects of i.t. MOR agonists were significantly impaired. This was due to a loss in the number and G protein coupling of spinal MOR. Pretreatment with NGF reversed these changes and recovered the antinociceptive efficacy of intrathecal opioids.

Entlang der Schmerzbahnen, d.h. vom peripheren sensorischen Neuron via Rückenmark hin zum Thalamus und sensorischen Kortex, sind Mu-Opioidrezeptoren für die Modulation hereinkommender schmerzhafter Reize zugänglich. In dieser Arbeit wurde die relative Beteiligung zerebraler, spinaler und peripherer MOR an den analgetischen Wirkungen systemischer Opioide untersucht. Unter Berücksichtigung früherer Arbeiten, die angeregt hatten, dass Opioidrezeptoren sensorischer Neurone in Abhängigkeit eines vorhandenen normalen oder pathologischen Zustandes (z.B. Tumor, Entzündung) in ihrer Anzahl, G Protein Kopplung und Wirksamkeit variieren, untersucht diese Arbeit die zugrunde liegenden Mechanismen einer reduzierten Ansprechbarkeit auf Opioide und deren mögliche therapeutischen Konsequenzen in einem Tiermodel der Strepozotocin- induzierten schmerzhaften diabetischen Neuropathie. Kapitel I – In Ratten mit einer unilateralen, durch komplettes Freund’s Adjuvans ausgelösten Entzündung einer Hinterpfote wurden die antinozizeptiven Wirkungen der systemisch aktiven MOR Agonisten Fentanyl und Morphin mit dem peripher selektiven MOR Agonisten Loperamid nach ihrer systemischen bzw. peripheren Applikation miteinander verglichen. Zusätzlich wurden die antinozizeptiven Wirkungen systemisch applizierter MOR Agonisten mittels ortsspezifischer Applikation von Naloxone- methiodid im Gehirn, Rückenmark und Peripherie antagonisiert. Die antinozizeptiven Wirkungen der systemisch applizierten MOR Agonisten waren zwei-bis dreifach größer und länger andauernd als die Wirkungen nach ihrer peripheren Applikation. Der lokale Antagonismus der antinozizeptiven Wirkungen systemisch applizierter MOR Agonisten mittels ortsspezifischer Applikation von Naloxone-methiodid im Gehirn, Rückenmark und Peripherie involvierte in erster Linie zerebrale und spinale gegenüber peripheren MOR. Kapitel II – In früheren Studien des STZ-induzierten Diabetes waren antinozizeptive Wirkungen von Opioiden signifikant reduziert; jedoch ihre Fokussierung auf das Gehirn und Rückenmark als mögliche Orte der zugrunde liegenden Mechanismen war in ihren Ergebnissen inkonsistent. Unter Berücksichtigung, dass die diabetische Neuropathie pimär eine Erkrankung des peripheren Nervensystems ist, lag der Fokus dieser Arbeit hauptsächlich auf den mutmaßlichen Veränderungen des Opioidsystems im peripheren sensorischen Neuron diabetischer Tiere. Verminderte periphere antinozizeptive Wirkungen von Opioiden waren mit einem Verlust der Anzahl, G Protein Kopplung und antinozizeptiven Wirksamkeit von MOR sensorischer Neurone in Ratten mit STZ-induzierter diabetischer Neuropathie assoziiert. Dieser Verlust beruhte zum Teil auf einem vermehrten, Rab7 abhängigen, lysosomalen Transfer und Abbau von MOR. Zudem kann die Herunterregulation der erhöhten Rab7 Expression durch siRNA- vermitteltes „Gene-Silencing“ oder durch die Normalisierung der reduzierten Konzentration an Nervenwachstumsfaktor (NGF) in diabetischen Tieren den lysosomalen Transfer verhindern, die Dichte membranständiger MOR wiederherstellen und die Ansprechbarkeit auf Opioide hin zu einer verbesserten Schmerzlinderung retten. Kapitel III – Interessanterweise geschehen parallel zu den Veränderungen am peripheren Nervenende ähnliche Veränderungen am zentralen präsynaptischen Nervenende sensorischer Neurone im Rückenmark diabetischer Tiere. In STZ behandelten Tieren mit einer schmerzhaften, diabetischen Neuropathie war die antinozizeptive Wirksamkeit i.t. MOR Agonisten signifikant reduziert. Dies beruhte auf einem Verlust in der Anzahl und funktionellen Kopplung spinaler MOR diabetischer Tiere. Eine Vorbehandlung mit dem Nervenwachstumsfaktor (NGF) hob diese Veränderungen auf und stellte die ursprüngliche antinozizeptive Wirksamkeit intrathekaler Opioide wieder her.