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Cyclic GMP (cGMP) is a second messenger that regulates numerous physiological and pathophysiological processes. In recent years, more and more studies have uncovered multiple roles of cGMP signalling pathways in the somatosensory system. Accumulating evidence suggests that cGMP regulates different cellular processes from embryonic development through to adulthood. During embryonic development, a cGMP-dependent signalling cascade in the trunk sensory system is essential for axon bifurcation, a specific form of branching of somatosensory axons. In adulthood, various cGMP signalling pathways in distinct cell populations of sensory neurons and dorsal horn neurons in the spinal cord play an important role in the processing of pain and itch. Some of the involved enzymes might serve as a target for future therapies. In this review, we summarise the knowledge regarding cGMP-dependent signalling pathways in dorsal root ganglia and the spinal cord during embryonic development and adulthood, and the potential of targeting these pathways.
LINKED ARTICLES
This article is part of a themed issue on cGMP Signalling in Cell Growth and Survival. To view the other articles in this section visit http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/bph.v179.11/issuetoc
Tissue injury and inflammation may result in chronic pain, a severe debilitating disease that is associated with great impairment of quality of life. An increasing body of evidence indicates that members of the Rab family of small GTPases contribute to pain processing; however, their specific functions remain poorly understood. Here, we found using immunofluorescence staining and in situ hybridization that the small GTPase Rab27a is highly expressed in sensory neurons and in the superficial dorsal horn of the spinal cord of mice. Rab27a mutant mice, which carry a single-nucleotide missense mutation of Rab27a leading to the expression of a nonfunctional protein, show reduced mechanical hyperalgesia and spontaneous pain behavior in inflammatory pain models, while their responses to acute noxious mechanical and thermal stimuli is not affected. Our study uncovers a previously unrecognized function of Rab27a in the processing of persistent inflammatory pain in mice.
FTY720 is a novel immunosuppressive drug that inhibits the egress of lymphocytes from secondary lymphoid tissues and thymus. In its phosphorylated form FTY720 is a potent S1P receptor agonist. Recently it was also shown that FTY720 can reduce prostaglandin synthesis through the direct inhibition of the cytosolic phospholipase A2 (cPLA2). Since prostaglandins are important mediators of nociception, we studied the effects of FTY720 in different models of nociception. We found that intraperitoneal administration of FTY720 reduced dose-dependently the nociceptive behaviour of rats in the formalin assay. Although the antinociceptive doses of FTY720 were too low to alter the lymphocyte count, prostanoid concentrations in the plasma were dramatically reduced. Surprisingly, intrathecally administered FTY720 reduced the nociceptive behaviour in the formalin assay without altering spinal prostaglandin synthesis, indicating that additional antinociceptive mechanisms beside the inhibition of prostaglandin synthesis are involved. Accordingly, FTY720 reduced also the nociceptive behaviour in the spared nerve injury model for neuropathic pain which does not depend on prostaglandin synthesis. In this model the antinociceptive effect of FTY720 was similar to gabapentin, a commonly used drug to treat neuropathic pain. Taken together we show for the first time that FTY720 possesses antinociceptive properties and that FTY720 reduces nociceptive behaviour during neuropathic pain.
Consequences of altered eicosanoid patterns for nociceptive processing in mPGES-1-deficient mice
(2007)
Cyclooxygenase-2 (COX-2)-dependent prostaglandin (PG) E2 synthesis in the spinal cord plays a major role in the development of inflammatory hyperalgesia and allodynia. Microsomal PGE2 synthase-1 (mPGES-1) isomerizes COX-2-derived PGH2 to PGE2. Here, we evaluated the effect of mPGES-1-deficiency on the noci-ceptive behavior in various models of nociception that depend on PGE2 synthesis. Surprisingly, in the COX-2-dependent zymosan-evoked hyperalgesia model, the nociceptive behavior was not reduced in mPGES-1-deficient mice despite a marked decrease of the spinal PGE2 synthesis. Similarly, the nociceptive behavior was unaltered in mPGES-1-deficient mice in the formalin test. Importantly, spinal cords and primary spinal cord cells derived from mPGES-1-deficient mice showed a redirection of the PGE2 synthesis to PGD2, PGF2α and 6-keto-PGF1α (stable metabolite of PGI2). Since the latter prostaglandins serve also as mediators of noci-ception they may compensate the loss of PGE2 synthesis in mPGES-1-deficient mice.
Progranulin haploinsufficiency is associated with frontotemporal dementia in humans. Deficiency of progranulin led to exaggerated inflammation and premature aging in mice. The role of progranulin in adaptations to nerve injury and neuropathic pain are still unknown. Here we found that progranulin is up-regulated after injury of the sciatic nerve in the mouse ipsilateral dorsal root ganglia and spinal cord, most prominently in the microglia surrounding injured motor neurons. Progranulin knockdown by continuous intrathecal spinal delivery of small interfering RNA after sciatic nerve injury intensified neuropathic pain-like behaviour and delayed the recovery of motor functions. Compared to wild-type mice, progranulin-deficient mice developed more intense nociceptive hypersensitivity after nerve injury. The differences escalated with aging. Knockdown of progranulin reduced the survival of dissociated primary neurons and neurite outgrowth, whereas addition of recombinant progranulin rescued primary dorsal root ganglia neurons from cell death induced by nerve growth factor withdrawal. Thus, up-regulation of progranulin after neuronal injury may reduce neuropathic pain and help motor function recovery, at least in part, by promoting survival of injured neurons and supporting regrowth. A deficiency in this mechanism may increase the risk for injury-associated chronic pain.
Bei inflammatorischen Schmerzen kann durch Hemmung der COX-2 im Rückenmark die zentrale Sensibilisierung reduziert werden. Da die Hemmung der gesamten COX-2 vermittelten Prostaglandinsynthese jedoch zahlreiche unerwünschte Nebenwirkungen verursacht, wird in jüngster Zeit diskutiert, ob eine selektive Hemmung der PGE2 Synthese auf Ebene der mPGES-1 für die Therapie passagerer Schmerzen sinnvoller ist. Um die funktionellen Rollen von COX-2 und mPGES-1 im Rückenmark zu charakterisieren, wurden in der vorliegenden Arbeit die Folgen einer COX-Inhibierung und mPGES-1-Deletion auf den spinalen Eicosanoidmetabolismus, die neuronale Erregbarkeit, die Synthese proinflammatorischer Zytokine und das nozizeptive Verhalten untersucht. Das proinflammatorische Zytokin TNFa induzierte in primären Rückenmarksneuronen eine COX-2- und mPGES-1-Expression und eine erhöhte PGE2 Synthese. Diese Induktion der PGE2 Synthese konnte durch den selektiven COX-2 Inhibitor Rofecoxib und den „selektiven COX-1 Inhibitor“ SC-560 gleichermaßen potent gehemmt werden. Da der Effekt von SC-560 unerwartet war, wurde sein Wirkmechanismus genauer untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen weder die COX-2 und mPGES-1 Expression, die PLA2 Aktivität, die mPGES-1 Aktivität noch den PGE2 Transport hemmte. Durch Experimente mit Zellen aus COX-1-/- Mäusen konnte gezeigt werden, dass SC-560 in Rückenmarkskulturen die COX-2 unabhängig von COX-1 in nanomolaren Konzentrationen inhibiert. Da dieses Ergebnis den postulierten COX-1-selektiven Eigenschaften von SC-560 widersprach, wurde nach der Ursache für den Verlust der COX-1-Selektivität gesucht. Es zeigte sich, dass SC-560 in einer zellfreien in vitro Synthese und im Vollbluttest mit klarer Selektivität COX-1 hemmt. In kultivierten Rückenmarkszellen, RAW-Makrophagen und Blutzellen (Monozyten und Thrombozyten) inhibiert SC-560 allerdings d beide COX-Isoformen potent. Es wurde dadurch deutlich, dass die zelluläre Einbindung von COX-2 sowie ein niedriger Proteingehalt im extrazellulären Medium die halbmaximalen Konzentrationen (IC50) für die COX-2-Hemmung durch SC-560 stark reduzieren kann und hierdurch die COX-1-Selektivität der Substanz verloren geht. Neben einer COX-2 Hemmung verursachte auch eine mPGES-1-Deletion in Rückenmarkskulturen sowie im adulten Rückenmark eine Reduktion der PGE2 Synthese. Überrachenderweise bewirkte jedoch die mPGES-1-Defizienz im Gegensatz zur COX-2 Hemmung durch Etoricoxib im Zymosanmodell keine Reduktion der mechanischen Hyperalgesie. Um die Ursache für die unterschiedliche antihyperalgetische Wirkung der COX-2-Hemmung und mPGES-1-Deletion zu finden, wurden zunächst die Konsequenzen für die gesamte Prostaglandinsynthese untersucht. Die Analyse mittels LC-MS/MS zeigte, dass im Rückenmark mPGES-1-defizienter Mäuse verstärkt PGI2, PGF2a und PGD2 synthetisiert wird. Da für alle drei Prostaglandine bereits pronozizeptive Effekte beschrieben wurden, wurde die Expression von den entsprechenden Rezeptoren im Rückenmark und die Konsequenzen der Rezeptoraktivierung auf die neuronale Erregbarkeit untersucht. Mittels „calcium imaging“ wurde demonstriert, dass selektive IP Rezeptoragonisten in Rückenmarksneuronen eine PKA und PKC vermittelte Phosphorylierung der NMDA Rezeptoren verursachen und die Aktivierbarkeit der NMDA Rezeptoren sensibilisieren. Eine Verstärkung des NMDA induzierten Calciumeinstromes konnte nach Applikation der anderen Prostaglandine nicht beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen daher, dass in mPGES-1-defizienten Mäusen durch die Umleitung der Prostaglandinsynthese zu Prostacyclin die exzitatorischen NMDA Rezeptoren sensibilisiert und hierdurch die antihyperalgitische Wirkung von PGE2-Synthesehemmung kompensiert werden kann. Zusammenfassend lässt sich aus den Ergebnissen schlussfolgern, dass mPGES-1 als Zielmolekül für die Schmerztherapie eher nicht eignet ist. mPGES-1-defiziente Tiere zeigten in inflammatorischen Schmerzmodellen ein normales nozizeptives Verhalten. Dies kann dadurch erklärt werden, dass es nach einer mPGES-1 Deletion im Rückenmark zwar zur Reduktion der PGE2 Synthese aber auch gleichzeitig zur verstärkten Synthese anderer pronozizeptiv wirkender Prostaglandine kommt.