Distribution and function of TRP ion channels in primary sensory neurons

Abstract

It is frequently argued that cannabinoids exert part of their analgesic and anti-inflammatory effects via activation of the cannabinoid CB1 receptor located on TRPV1-expressing primary sensory nerve fibres in peripheral tissues. However, we find no evidence of CB1 receptor immunoreactivity on nerve fibres in rat or mouse hindpaw skin and mesenteric artery. The CB1 receptor agonists anandamide and HU210 also fail to inhibit TRPV1-mediated calcitonin gene-related peptide (CGRP) release from primary sensory neurons in rat hindpaw skin and mesenteric artery. Therefore, this study do not support the general view that the analgesic and anti-inflammatory effects of CB1 receptor agonists are due to direct inhibition of TRPV1-expressing primary sensory nerve terminals in the periphery. Garlic contains a number of organosulphur compounds, including allicin and diallyl disulfide (DADS), some of which may contribute to its pungent and vasodilator properties. Our results show that raw garlic extract, allicin and DADS activate TRPA1 ion channels on primary sensory neurons in culture and nerve fibres in the vascular system. These findings highlight TRPA1 as a novel ion channel in the vascular system and provide novel pharmacological tools for investigating the role of this ion channel. Whether activation of TRPA1 in the vascular system explains the beneficial antihypertensive effect observed by garlic treatment remains to be shown. This study also expands our understanding of how TRPA1 is regulated on a molecular basis, which is of importance for development of novel drug therapies for pain, inflammation and vascular disease. The skin is a major sensory organ that contains a large number of nerves. The TRP ion channels TRPV2 and TRPM8 are expressed in the somatosensory nervous system in animals and are therefore likely to be expressed in humans as well. Fluorescence immunohistochemistry was used to identify these channels and compare their expression and distribution patterns with known neuronal markers of the sensory nervous system in skin from healthy volunteers and from individuals with a mutation in the gene encoding nerve growth factor beta (NGF?) that causes Norrbottnian congenital insensitivity to pain. This study shows for the first time the presence of TRPV2 and TRPM8 in sensory nerves in the human skin. TRPV2 and TRPM8 as well as TRPV1 immunoreactive nerve fibres are present in unmyelinated nerve fibres in epidermis and papillary dermis, in nerve bundles, and around blood vessels and hair follicles. In contrast to TRPV1, TRPV2 and TRPM8 are found mainly in the papillary dermis and seem to be restricted to peptidergic nerve fibres, of which the majority contains the sensory neuropeptides CGRP or SP. There is a substantial loss of nerve fibres containing TRPV1, TRPV2 and TRPM8 in skin from individuals with Norrbottnian congenital insensitivity to pain. Insight into the role of TRPV2 and TRPM8 in human skin may open new avenues for treatment of neuropathic pain and inflammatory skin diseases.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vad hade vi varit utan våra sinnen? Föreställ dig en värld utan att kunna se, höra, lukta, smaka och känna. Det är med hjälp av våra sinnen som kroppen kan känna vad som händer i vår omgivning. Ett av våra sinnen är smärtsinnet, som har till uppgift att varna oss för inre och yttre faror. Trots att smärta är den i särklass vanligaste orsaken till mänskligt lidande, så är kunskapen om de molekylära mekanismerna bakom dess uppkomst mycket bristfällig. Den vanligaste formen av smärta är nociceptiv och uppstår när olika typer av proteiner (jonkanaler) på smärtnerver (nociceptorer) ute i vävnaderna utsätts för kemisk, termisk eller mekanisk stimulering. En viktig sådan jonkanal är TRPV1 som förutom att aktiveras av pepparämnet kapsaicin också aktiveras av värme och sur miljö, tillstånd som bland annat kan ses vid inflammation. Andra potentiella angreppspunkter för läkemedelsbehandling är TRPA1 (senapsreceptorn), TRPM8 (mentolreceptorn) och TRPV2 (värmekänslig), som tillsammans med TRPV1 tillhör familjen TRP-kanaler. Dessa kanaler finns på primära sensoriska nerver (A?- och C-fibrer), som förutom att förmedla en signal till hjärnan om hotande vävnadsskada också deltar i regleringen av perifera organ, t.ex. genom att frisätta kärldilaterande substanser lokalt i vävnaden, och i olika reflexbågar av betydelse för funktionen i våra inre organ. Miktionsreflexen och hostreflexen är sådana viktiga reflexer.



Det har föreslagits att den smärtstillande och antiinflammatoriska effekten av ?9-tetrahydrocannabinol från växten Cannabis sativa och liknande substanser delvis kan förklaras av att dessa ämnen via sin receptor (CB1) hämmar smärtnerver och deras frisättning av sensoriska neuropeptider lokalt ute i vävnaden. Hittills har inga immunohistokemiska studier övertygande visat att CB1 receptorn finns på primärsensoriska nerver, som också uttrycker TRPV1. I det första arbetet har vi därför använt immunohistokemi och funktionella metoder för att studera en tänkbar interaktion mellan dessa två receptorsystem i perifera sensoriska nerver. En viktig slutsats är att de antikroppar som har använts för att studera CB1 receptorn inte är tillförlitliga för att studera denna receptor i periferin. Arbetet visar också vikten av att konfirmera specifik antikroppsinbindning genom användandet av möss som saknar CB1 receptorn. De immunohistokemiska och funktionella resultaten ifrågasätter den allmänna uppfattningen att CB1 receptoragonister utövar sin perifera smärtstillande effekt genom att hämma TRPV1 i de primärsensoriska nerverna.



I arbete två har vi visat att TRPA1 är den jonkanal som aktiveras av irriterande svavelhaltiga substanser från vitlök på de primärsensoriska nerverna. Dessa substanser utgör tillsammans med tidigare beskrivna TRPA1 agonister (isotiocyanater och kanelaldehyd) viktiga farmakologiska redskap för att förstå hur TRPA1 på molekylär nivå aktiveras av kemiskt irriterande substanser. Med immunohistokemisk analys av primärsensoriska nervcellskroppar i dorsalrotsgangliet finner vi att TRPA1 uttrycks i ungefär 22 % av alla nervceller. Vi visar också för första gången att TRPA1 finns uttryckt i kärlsystemet och att dess aktivering leder till frisättning av CGRP från primärsensoriska nerver i kärlväggen, vilket i sin tur leder till kärldilatation. Både immunohistokemi och funktionella studier på blodkärl tyder på att TRPA1 endast finns på en subpopulation av TRPV1-innehållande primärsensoriska nerver. Om denna grupp av nerver är inblandade i inflammatorisk smärta så kan TRPA1 vara en intressant angreppspunkt för nya smärtstillande läkemedel.



Huden är kroppens största sensoriska organ. I huden finns rikligt med primärsensoriska nerver, som kan registrera beröring och den omgivande temperaturen. Huden skyddar oss mot yttre våld och fungerar också som en barriär för skadliga främmande ämnen. I det tredje arbetet har vi studerat TRP-kanaler i hud från människa. Vi visar för första gången att TRPM8 och TRPV2 finns lokaliserat till primärsensoriska nerver runt blodkärl och hårfolliklar samt i det yttersta hudlagret (överhuden). I detta arbete undersöker vi också hudprover från individer med en medfödd okänslighet för smärta på grund av en mutation i en viktig tillväxtfaktor för nerver. Nerver som uttrycker TRPM8, TRPV2 och TRPV1 saknas i huden hos dessa individer. Arbetet väcker intressanta frågor angående vilken roll som de mindre väl karakteriserade TRP-kanalerna TRPV2 och TRPM8 spelar vid inflammatoriska tillstånd i huden.

• author: Sturesson, Helena
• supervisor: Peter Zygmunt
• opponent: Professor Brodin, Ernst, Karolinska Institutet, Stockholm
• organization: Division of Clinical Chemistry and Pharmacology
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Pharmacology and Toxicology; Medicinal Chemistry
• keywords: neurofysiologi, neuropsykologi, histokemi, cytokemi, vävnadskultur, Neurology, neuropsychology, neurophysiology, Neurologi, tissue culture, histochemistry, cytochemistry, Histology, Skin, Immunohistochemistry, Cannabinoid receptor 1 (CB1), Pain, Primary sensory neurons, TRP ion channels, Pharmacological sciences, pharmacognosy, pharmacy, toxicology, Farmakologi, farmakognosi, farmaci, toxikologi, Histologi
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2007:46
• pages: 121 pages
• defense location: Lecture hall 4 Lund University Hospital Lund, Sweden
• defense date: 2007-03-02 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-85559-24-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Helena Axelsson, Magnus Korsgren, Peter Ekström, Edward D Högestätt and Peter M Zygmunt. 2006. Neuronal expression of the cannabinoid CB1 receptor and TRPV1 in rodent hindpaw skin and mesenteric artery. . (submitted); Diana M Bautista, Pouya Movahed, Andrew Hinman, Helena Axelsson, Olov Sterner, Edward D Högestätt, David Julius, Sven-Eric Jordt and Peter M Zygmunt. 2005. Pungent products from garlic activate the sensory ion channel TRPA1. Proc Natl Acad Sci U S A, vol 102 pp 12248-52. .; Helena Axelsson, Jan K Minde, Andreas Sonesson, Göran Toolanen, Edward D Högestätt and Peter M Zygmunt. . TRPM8, TRPV1 and TRPV2 immunoreactive nerve fibres in human skin and their disappearance in Norrbottnian congenital insensitivity to pain. . (manuscript)
• id: 7f4559e4-99a5-454c-906a-50f500097aba (old id 548083)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:22:37
• date last changed: 2019-05-22 06:38:36