Charakterisierung der Expression und Funktion von zyklisch Nukleotid-gesteuerten Ionenkanälen im nozizeptiven System

Characterization of the expression and function of cyclic nucleotide-gated ion channels in nociceptive processing

  • Bei anhaltenden Schmerzen wird im Rückenmark zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) gebildet, welches zur zentralen Sensibilisierung des nozizeptiven Systems beiträgt. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob zyklisch Nukleotid-gesteuerte Kanäle (CNG-Kanäle) im nozizeptiven System exprimiert werden und Effektoren der cGMP-vermittelten Schmerz-verarbeitung darstellen könnten. Im Rahmen der Untersuchungen wurden insbesondere die CNG-Kanal-Untereinheiten CNGA3 und CNGB1 als potentielle cGMP-‚Targets‘ in der Schmerzverarbeitung identifiziert. Die Expression von CNGA3 wird infolge einer nozizeptiven Stimulation der Hinterpfote der Maus im Rückenmark und in den Spinalganglien hochreguliert. Mittels In situ-Hybridisierung konnte eine neuronale Lokalisation von CNGA3 in inhibitorischen Interneuronen im Hinterhorn des Rückenmarks detektiert werden, wohingegen CNGA3 in den Spinalganglien nicht-neuronal exprimiert wird. Überraschenderweise wiesen Mäuse mit einem CNGA3-Knockout (CNGA3-/--Mäuse) ein gesteigertes nozizeptives Verhalten in Modellen für inflammatorische Schmerzen auf, während ihr Verhalten in Modellen für akute und neuropathische Schmerzen normal ausfiel. Zudem entwickelten CNGA3-/--Mäuse nach intrathekaler Applikation von cGMP-Analoga oder NO-Donoren eine verstärkte Allodynie. Die CNG-Kanal-Untereinheit CNGB1 wird ebenfalls in Rückenmark und Spinalganglien exprimiert. Im Rückenmark wird die CNGB1-Expression infolge eines nozizeptiven Stimulus der Hinterpfote nicht reguliert, während in den Spinalganglien eine Hochregulation stattfindet. Mit immunhistochemischen Färbungen konnte CNGB1 in Neuronen im Hinterhorn des Rückenmarks, aber auch diffus verteilt in Laminae I bis III des Hinterhorns lokalisiert werden. Auch Mäuse mit einem CNGB1-Knockout (CNGB1-/--Mäuse) zeigten ein gesteigertes nozizeptives Verhalten in einem Modell für inflammatorische Schmerzen und entwickelten außerdem eine verstärkte Allodynie nach i.t. Injektion eines cGMP-Analogons. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass CNGA3 und CNGB1 als ‚Targets‘ des cGMP-vermittelten Signalweges im Rückenmark in inhibitorischer Weise zur zentralen Sensibilisierung während inflammatorischer Schmerzen beitragen. Eine spezifische pharmakologische Aktivierung von CNG-Kanälen im Rückenmark könnte potentiell eine neue Möglichkeit sein, inflammatorische Schmerzen zu hemmen.
  • During persistent pain cyclic guanosine monophosphate (cGMP) is produced in the spinal cord which contributes to central sensitization of the nociceptive system. The present work analyzed whether cyclic nucleotide-gated channels (CNG channels) are expressed in “pain-relevant” tissues and whether they could serve as effectors of cGMP dependent nociceptive processing. In particular, the CNG channel subunits CNGA3 and CNGB1 were identified as putative cGMP targets in nociceptive processing. CNGA3 mRNA levels were significantly increased in the mouse spinal cord and dorsal root ganglia after noxious stimulation of a hindpaw. In situ hybridization revealed that CNGA3 is localized to inhibitory neurons of the superficial dorsal horn of the spinal cord, whereas its distribution in dorsal root ganglia is restricted to non-neuronal cells. Mice lacking CNGA3 (CNGA3-/- mice) surprisingly exhibited an increased nociceptive behavior in models of inflammatory pain, whereas their behavior in models of acute or neuropathic pain was normal. Moreover, CNGA3-/- mice developed an exaggerated pain hypersensitivity induced by intrathecal administration of cGMP analogs or NO donors. The CNG channel subunit CNGB1 was also found to be expressed in the spinal cord and dorsal root ganglia. After noxious stimulation of a hindpaw, CNGB1 mRNA expression was upregulated in dorsal root ganglia but not in the spinal cord. Immunohistochemical experiments revealed that CNGB1 is localized to neurons of the superficial dorsal horn of the spinal cord. Mice lacking CNGB1 (CNGB1-/- mice) exhibited an increased nociceptive behavior in a model of inflammatory pain. Moreover, they developed an exaggerated pain hypersensitivity after intrathecal administration of a cGMP analog. These results provide evidence that CNGA3 and CNGB1 contribute in an inhibitory manner to the central sensitization of pain pathways during inflammatory pain as targets of cGMP signaling. Therefore, targeting CNG channels at spinal sites might be a novel analgesic strategy for the treatment of inflammatory pain.

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Metadaten
Author:Sandra Heine
URN:urn:nbn:de:hebis:30-108737
Referee:Holger StarkORCiDGND, Gerd GeisslingerORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/06/24
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2011/05/25
Release Date:2011/06/24
Tag:CNGA3; CNGB1; zyklisch Nukleotid-gesteuerter Ionenkanal
CNGA3; CNGB1; cyclic nucleotide-gated ion channel
GND Keyword:Schmerz; Schmerzforschung; Cyclo-GMP; Knockout <Molekulargenetik>; Inhibition
HeBIS-PPN:267468873
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht