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The role of miR-21 in the pathophysiology of neuropathic pain using the model of B7-H1 knockout mice
(2017)
The impact of microRNA (miRNA) as key players in the regulation of immune and neuronal gene expression and their role as master switches in the pathophysiology of neuropathic pain is increasingly recognized. miR-21 is a promising candidate that could be linked to the immune and the nociceptive system. To further investigate the pathophysiological role of miR-21 in neuropathic pain, we assesed mice deficient of B7 homolog 1 (B7-H1 ko), a protein with suppressive effect on inflammatory responses.
B7-H1 ko mice and wildtype littermates (WT) of three different age-groups, young (8 weeks), middle-aged (6 months), and old (12 months) received a spared nerve injury (SNI). Thermal withdrawal latencies and mechanical withdrawal thresholds were determined. Further, we investigated anxiety-, depression-like and cognitive behavior. Quantitative real time PCR was used to determine miR-21 relative expression in peripheral nerves, dorsal root ganglia and white blood cells (WBC) at distinct time points after SNI.
Naïve B7-H1 ko mice showed mechanical hyposensitivity with increasing age. Young and middle-aged B7-H1 ko mice displayed lower mechanical withdrawal thresholds compared to WT mice. From day three after SNI both genotypes developed mechanical and heat hypersensitivity, without intergroup differences. As supported by the results of three behavioral tests, no relevant differences were found for anxiety-like behavior after SNI in B7-H1 ko and WT mice. Also, there was no indication of depression-like behavior after SNI or any effect of SNI on cognition in both genotypes. The injured nerves of B7-H1 ko and WT mice showed higher miR-21 expression and invasion of macrophages and T cells 7 days after SNI without intergroup differences. Perineurial miR-21 inhibitor injection reversed SNI-induced mechanical and heat hypersensitivity in old B7-H1 ko and WT mice.
This study reveals that reduced mechanical thresholds and heat withdrawal latencies are associated with miR-21 induction in the tibial and common peroneal nerve after SNI, which can be reversed by perineurial injection of a miR-21 inhibitor. Contrary to expectations, miR-21 expression levels were not higher in B7-H1 ko compared to WT mice. Thus, the B7-H1 ko mouse may be of minor importance for the study of miR-21 related pain. However, these results spot the contribution of miR-21 in the pathophysiology of neuropathic pain and emphasize the crucial role of miRNA in the regulation of neuronal and immune circuits that contribute to neuropathic pain.
Bislang ist ungeklärt, warum PNPs teils schmerzhaft und teils schmerzlos verlaufen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchte Hypothese lautete, dass ein Ungleichgewicht zwischen pro- und anti-inflammatorischen Zytokinen der unterschiedlichen Schmerzausprägung zugrunde liegt.Es wurden 32 Patienten mit schmerzhafter PNP, 20 Patienten mit schmerzloser PNP und 44 Kontrollpersonen auf die Expression und Produktion ausgewählter pro- und anti-inflammatorischer Zytokine untersucht. Zur Messung der Schmerzhaftigkeit wurden etablierte Schmerzfragebögen verwendet. Zusätzlich wurden nahezu alle Patienten mit der Allgemeinen Depressionsskala befragt. Die Diagnose, Ätiologie, Dauer, klinische Manifestation der PNP sowie die Medikation der Patienten wurde auf standardisierten Erhebungsbögen dokumentiert. Zur Messung der Zytokine wurde morgens Blut in EDTA- und Serummonovetten asserviert und entsprechend der Messmethodik weiterverarbeitet. Die relative Genexpression wurde aus Gesamt-RNA mittels reverser Transkription und quantitativer real-time PCR, die Serumproteine mittels enzyme-linked immunosorbant assay gemessen. Die Patienten mit schmerzhafter PNP hatten in der Mehrzahl Neuropathie-typische Plussymptome und mittelstarke Schmerzen, die eine starke bis sehr starke Behinderung darstellten. Die hier untersuchten Zytokinmuster bei Patienten mit schmerzhafter und schmerzloser PNP zeigten eine Verschiebung zu pro-inflammatorischen Zytokinen bei Patienten mit schmerzhafter PNP. Die Zytokinexpression der Patienten mit schmerzhafter PNP war im Vergleich zu Patienten mit schmerzloser PNP und Kontrollen bezüglich der IL-2 und TNF Expression und Produktion signifikant erhöht. Umgekehrt lagen bei Patienten mit schmerzloser PNP die Produktion und die Expression des IL-4 im Vergleich zu Patienten mit schmerzhafter PNP und Kontrollen höher. Die Expression des IL-10 lag bei Patienten mit schmerzloser PNP ebenfalls höher als bei Patienten mit schmerzloser PNP und Kontrollen, unterschied sich aber auf Proteinebene nicht in den drei Gruppen. Die einleitend gestellte Hypothese, dass der schmerzhafte oder schmerzlose Verlauf einer PNP durch unterschiedliche Zytokinprofile bedingt ist, kann durch die vorliegenden Ergebnisse gestützt werden. In Zusammenschau mit den Daten aus der Grundlagenforschung scheint einem pro-inflammatorischen Zytokinmuster eine entscheidende Rolle an der Entstehung und Aufrechterhaltung neuropathischer Schmerzen zuzukommen. Für TNF sind entsprechende pathophysiologische Wirkungen bekannt. Anti-inflammatorische Zytokine, wie IL-4 und IL-10 zeigten analgetische Wirkungen im Tierversuch. Die Mitwirkung des IL-2 an peripheren Opioid-Rezeptoren lässt eine endogene periphere Analgesie vermuten. Hieraus lassen sich Folgerungen für zukünftige Diagnostik und Therapie neuropathischer Schmerzen ziehen. Durch Erkennung von Zytokin-Imbalancen wären schmerzhafte PNPs früher einer adäquaten Therapie zuzuführen. Durch die Modulation von Zytokinprofilen im Rahmen schmerzhafter PNPs könnten sich zusätzlich therapeutische Möglichkeiten eröffnen.
Die Pathophysiologie der PNP wie auch die Entstehung der oft assoziierten neuropathischen Schmerzen ist unklar. Gleichzeitig gibt es bislang keine geeigneten Biomarker, die die oft komplizierte Differentialdiagnose vereinfachen können. Einige Tiermodelle und klinische Studien lieferten bereits Hinweise auf die entscheidende Rolle pro- und anti-inflammatorischer Zytokine in diesen Prozessen. Ziel unserer Studie war es, die systemische Genexpression pro- und anti-inflammatorischer Zytokine in einer großen Kohorte von Patienten mit PNP verschiedener Ätiologie zu charakterisieren. Insgesamt konnten 111 PNP-Patienten und 38 gesunde Kontrollpersonen prospektiv rekrutiert werden. Nach Isolation von PBMC aus Blutproben von 97 Patienten wurde die Genexpression der pro-inflammatorischen Zytokine TNF, IL1, IL2, IL6, IL8 und der anti-inflammatorischen Zytokine IL4 und IL10 mittels qRT-PCR bestimmt. Bei 47 Patienten und 12 Kontrollen wurde zudem die IL6-, IL-8- und TNF-Zytokinproduktion von PBMC in vitro nach Stimulation durch LPS mittels ELISA untersucht. Hauptbefund war ein pro-inflammatorisches Zytokinprofil der PNP-Patienten mit höherer Genexpression von IL1, IL2, IL8 und TNF im Vergleich zu den gesunden Kontrollen. Im Falle der entzündlichen Neuropathien konnte zudem eine niedrigere Genexpression von IL10 im Vergleich zu Gesunden nachgewiesen werden. Sowohl schmerzhafte als auch schmerzlose Verlaufsformen wiesen ein pro-inflammatorisches Zytokingenexpressionsprofil im Vergleich zu Gesunden auf, das bei schmerzhaften PNP deutlich mehr beteiligte pro-inflammatorische Zytokine umfasste; relevante Unterschiede zwischen den PNP-Patienten mit und ohne Schmerz sowie der diagnostischen Subgruppen fanden sich nicht. Eine niedrigere Stimulationsschwelle der PBMC lag bei PNP-Patienten im Vergleich zu Gesunden nicht vor. Insgesamt erscheint die Rolle einzelner Zytokine als systemische Biomarker für die Differenzierung verschiedener PNP-Formen bzw. bezüglich neuropathischen Schmerzes aufgrund einer niedrigen Spezifität deutlich eingeschränkt. Dennoch sprechen unsere Ergebnisse für eine mögliche Rolle eines pro-inflammatorischen Milieus bei der Entstehung bzw. des Verlaufes verschiedener entzündlicher und nicht-entzündlicher Neuropathien und neuropathischen Schmerzes.
Introduction/Aims
Schwann cell clusters have been described at the murine dermis-epidermis border. We quantified dermal Schwann cells in the skin of patients with small-fiber neuropathy (SFN) compared with healthy controls to correlate with the clinical phenotype.
Methods
Skin punch biopsies from the lower legs of 28 patients with SFN (11 men, 17 women; median age, 54 [range, 19-73] years) and 9 healthy controls (five men, four women, median age, 34 [range, 25-69] years) were immunoreacted for S100 calcium-binding protein B as a Schwann cell marker, protein-gene product 9.5 as a pan-neuronal marker, and CD207 as a Langerhans cell marker. Intraepidermal nerve fiber density (IENFD) and subepidermal Schwann cell counts were determined.
Results
Skin samples of patients with SFN showed lower IENFD (P < .05), fewer Schwann cells per millimeter (P < .01), and fewer Schwann cell clusters per millimeter (P < .05) than controls. When comparing SFN patients with reduced (n = 13; median age, 53 [range, 19-73] years) and normal distal (n = 15, median age, 54 [range, 43-68] years) IENFD, the number of solitary Schwann cells per millimeter (p < .01) and subepidermal nerve fibers associated with Schwann cell branches (P < .05) were lower in patients with reduced IENFD. All three parameters correlated positively with distal IENFD (P < .05 to P < .01), whereas no correlation was found between Schwann cell counts and clinical pain characteristics.
Discussion
Our data raise questions about the mechanisms underlying the interdependence of dermal Schwann cells and skin innervation in SFN. The temporal course and functional impact of Schwann cell presence and kinetics need further investigation.
Aim of Investigation: The neurological manifestations of Fabry’s disease, a rare, X-linked, multisystem disorder caused by alpha-galactosidase A deficiency and globotriosylceramide (Gb3) accumulation, include both peripheral and central nervous system symptoms. Here we evaluated a prospectively recruited cohort of patients with Fabry’s disease for pain, small nerve fiber function, and skin innervation. Methods: 66 patients (31 male and 35 female) were enrolled,31 patients were on ERT. All patients underwent quantitative sensory testing (QST), electrophysiological examination, and extra- and transcranial Doppler sonography. For pain and mood assessment standardized questionnaires were used. Skin biopsies were performed at the left distal leg in 38 patients for intraepidermal nerve fiber density (IENFD) assessment. Results: Age at examination did not differ significantly between women (40.2+/-16.2 years) and men (38.9+/-13.8; n.s.). 29/31 male and 19/35 female patients complained of acroparesthesias or neuropathic pain. QST abnormalities indicative of small fiber impairment were found in 26/31 male and 28/35 female patients. Electrophysiological examination of large fibers and autonomic fibers revealed pathological findings in 11/31 male and 3/35 female patients. All patients had normal Doppler sonography results. Indicators for depression were present in 14/31 male and 10/35 female patients. 20/31 male and 18/35 female patients had a skin biopsy, the IENFD was significantly reduced in male (2.0+/-2.8 fibers/mm) compared with female patients (6.7 +/- 4.4 fibers/mm). In 10 patients free from neurological symptoms, QST and IENFD abnormalities were still detected. Follow up examination after one year in 12 patients under ERT (2.1+/-1.7 years) showed improvement in some symptoms and in QST and neurophysiology in six patients with normal renal function. 20/35 female patients older than 40 y had concomitant diseases, while none of the 18 younger female patients did. The corresponding radio in male patients was 5/19 (>=40y) and 2/13 (<40y) respectively. Conclusions: Neuropathic pain and sensory deficits of the distal extremities are common in patients with Fabry’s disease. QST and IENFD analysis are important for early diagnosis of nerve involvement in Fabry’s disease. Small fiber function may improve under ERT in patients without severe renal impairment.
In der vorliegenden Studie wurden 32 Patienten (19 Frauen, 13 Männer, medianes Alter 50 Jahren, Spanne: 26-83 Jahre) mit einem klinisch akralen neuropathischen Schmerzsyndrom unterschiedlicher Genese mittels QST, PREP und Hautbiopsie untersucht. Unser Patientenkollektiv bestand aus drei Subgruppen: sechsen Patienten erfüllten die Kriterien einer SFN, acht Patienten hatten eine Neuropathie der großkalibrigen Nervenfasern mit zusätzlicher Beeinträchtigung der kleinkalibrigen Nervenfasern und weitere acht Patienten hatten ein akrales Schmerzsyndrom mit neuropathischen Charakteristika, ohne vorbekannte Diagnose einer Neuropathie der groß- oder kleinkalibrigen Nervenfasern. Die Patienten wurden mittels klinischer neurologischer Untersuchung, elektrophysiologischer Tests, QST, PREP und Hautbiopsie untersucht. Die Patientendaten wurden jeweils mit Daten großer Kontrollgruppen verglichen, die wir in unserer Klinik unter Angehörigen und Freunden unserer Patienten mit deren Einwilligung rekrutiert hatten.
QST und die Hautbiopsie waren bei Patienten mit SFN und PNP jeweils auffällig, bei akralem Schmerzsyndrom unklarer Ätiologie hingegen unauffällig. Nach elektrischer kutaner Stimulation aller drei Körperregionen zeigte sich eine Amplitudenminderung der PREP-Reizantwort in allen Patientensubgruppen (7,5 µV in der SFN-Gruppe, 3,8 µV in der PNP-Gruppe, und 11,3 µV bei den Patienten mit akralem Schmerzsyndrom). Somit konnten wir zeigen, dass eine Kleinfaserpathologie in der Studienpopulation von Patienten mit neuropathischem Schmerzsyndrom besteht. Nur die Amplitudenminderung der PREP bildet diese Pathologie ab.
Diese Daten erlauben uns die eingangs aufgestellte Hypothese, dass PREP zur Diagnostik bei Frage nach Kleinfaserbeteiligung geeignet ist, positiv zu belegen. PREP ist eine nicht-invasive Methode für die Evaluation der Funktion v.a. der Aδ-Faser mit standardisiertem Ablaufprotokoll zur Erhebung von reproduzierbaren Daten. Sie kann bei Patienten mit der Anamnese eines akralen neuropathischen Schmerzsyndroms einen objektiven Hinweis auf eine Dysfunktion der kleinkalibrigen Nervenfasern, auch wenn bereits etablierte Methoden (QST und Hautbiopsie) unauffällig bleiben, erbringen. Entsprechend können die PREP eine wertvolle Ergänzung der klinischen Untersuchungsbatterie für die Evaluation der Funktion der kleinkalibrigen Nervenfasern sein.
The nervous system is shielded by special barriers. Nerve injury results in blood–nerve barrier breakdown with downregulation of certain tight junction proteins accompanying the painful neuropathic phenotype. The dorsal root ganglion (DRG) consists of a neuron-rich region (NRR, somata of somatosensory and nociceptive neurons) and a fibre-rich region (FRR), and their putative epi-/perineurium (EPN). Here, we analysed blood–DRG barrier (BDB) properties in these physiologically distinct regions in Wistar rats after chronic constriction injury (CCI). Cldn5, Cldn12, and Tjp1 (rats) mRNA were downregulated 1 week after traumatic nerve injury. Claudin-1 immunoreactivity (IR) found in the EPN, claudin-19-IR in the FRR, and ZO-1-IR in FRR-EPN were unaltered after CCI. However, laser-assisted, vessel specific qPCR, and IR studies confirmed a significant loss of claudin-5 in the NRR. The NRR was three-times more permeable compared to the FRR for high and low molecular weight markers. NRR permeability was not further increased 1-week after CCI, but significantly more CD68\(^+\) macrophages had migrated into the NRR. In summary, NRR and FRR are different in naïve rats. Short-term traumatic nerve injury leaves the already highly permeable BDB in the NRR unaltered for small and large molecules. Claudin-5 is downregulated in the NRR. This could facilitate macrophage invasion, and thereby neuronal sensitisation and hyperalgesia. Targeting the stabilisation of claudin-5 in microvessels and the BDB barrier could be a future approach for neuropathic pain therapy.
Objectives
The pathogenesis of fibromyalgia syndrome (FMS) is unclear. Transcranial ultrasonography revealed anechoic alteration of midbrain raphe in depression and anxiety disorders, suggesting affection of the central serotonergic system. Here, we assessed midbrain raphe echogenicity in FMS.
Methods
Sixty-six patients underwent transcranial sonography, of whom 53 were patients with FMS (27 women, 26 men), 13 patients with major depression and physical pain (all women), and 14 healthy controls (11 women, 3 men). Raphe echogenicity was graded visually as normal or hypoechogenic, and quantified by digitized image analysis, each by investigators blinded to the clinical diagnosis.
Results
Quantitative midbrain raphe echogenicity was lower in patients with FMS compared to healthy controls (p<0.05), but not different from that of patients with depression and accompanying physical pain. Pain and FMS symptom burden did not correlate with midbrain raphe echogenicity as well as the presence and severity of depressive symptoms.
Conclusion
We found reduced echogenicity of the midbrain raphe area in patients with FMS and in patients with depression and physical pain, independent of the presence or severity of pain, FMS, and depressive symptoms. Further exploration of this sonographic finding is necessary before this objective technique may enter diagnostic algorithms in FMS and depression.
Peripheral neuropathy is accompanied by changes in the neuronal environment. The blood-nerve barrier (BNB) is crucial in protecting the neural homeostasis: Tight junctions (TJ) seal paracellular spaces and thus prevent external stimuli from entering. In different models of neuropathic pain, the BNB is impaired, thus contributing to local damage, immune cell invasion and, ultimately, the development of neuropathy with its symptoms. In this study, we examined changes in expression and microstructural localization of two key tight junction proteins (TJP), claudin-1 and the cytoplasmic anchoring ZO-1, in the sciatic nerve of mice subjected to chronic constriction injury (CCI). Via qPCR and analysis of fluorescence immunohistochemistry, a marked downregulation of mRNA as well as decreased fluorescence intensity were observed in the nerve for both proteins. Moreover, a distinct zig-zag structure for both proteins located at cell-cell contacts, indicative of the localization of TJs, was observed in the perineurial compartment of sham-operated animals. This microstructural location in cell-cell-contacts was lost in neuropathy as semiquantified via computational analysis, based on a novel algorithm. In summary, we provide evidence that peripheral neuropathy is not only associated with decrease in relevant TJPs but also exhibits alterations in TJP arrangement and loss in barrier tightness, presumably due to internalization. Specifically, semiquantification of TJP in cell-cell-contacts of microcompartments could be used in the future for routine clinical samples of patients with neuropathy.
The blood–nerve barrier and myelin barrier normally shield peripheral nerves from potentially harmful insults. They are broken down during nerve injury, which contributes to neuronal damage. Netrin-1 is a neuronal guidance protein with various established functions in the peripheral and central nervous systems; however, its role in regulating barrier integrity and pain processing after nerve injury is poorly understood. Here, we show that chronic constriction injury (CCI) in Wistar rats reduced netrin-1 protein and the netrin-1 receptor neogenin-1 (Neo1) in the sciatic nerve. Replacement of netrin-1 via systemic or local administration of the recombinant protein rescued injury-induced nociceptive hypersensitivity. This was prevented by siRNA-mediated knockdown of Neo1 in the sciatic nerve. Mechanistically, netrin-1 restored endothelial and myelin, but not perineural, barrier function as measured by fluorescent dye or fibrinogen penetration. Netrin-1 also reversed the decline in the tight junction proteins claudin-5 and claudin-19 in the sciatic nerve caused by CCI. Our findings emphasize the role of the endothelial and myelin barriers in pain processing after nerve damage and reveal that exogenous netrin-1 restores their function to mitigate CCI-induced hypersensitivity via Neo1. The netrin-1-neogenin-1 signaling pathway may thus represent a multi-target barrier protector for the treatment of neuropathic pain.