Nociceptor sensory neurons are specialized to detect potentially damaging stimuli, protecting the organism by initiating the sensation of pain and eliciting defensive behaviours. Bacterial infections produce pain by unknown molecular mechanisms, although they are presumed to be secondary to immune activation. Here we demonstrate that bacteria directly activate nociceptors, and that the immune response mediated through TLR2, MyD88, T cells, B cells, and neutrophils and monocytes is not necessary for Staphylococcus aureus-induced pain in mice. Mechanical and thermal hyperalgesia in mice is correlated with live bacterial load rather than tissue swelling or immune activation. Bacteria induce calcium flux and action potentials in nociceptor neurons, in part via bacterial N-formylated peptides and the pore-forming toxin α-haemolysin, through distinct mechanisms. Specific ablation of Nav1.8-lineage neurons, which include nociceptors, abrogated pain during bacterial infection, but concurrently increased local immune infiltration and lymphadenopathy of the draining lymph node. Thus, bacterial pathogens produce pain by directly activating sensory neurons that modulate inflammation, an unsuspected role for the nervous system in host–pathogen interactions. This study shows that most known mediators of immunity, such as TLR2, MyD88, T cells or B cells, and neutrophils and monocytes, are dispensable for pain produced by Staphylococcus aureus infection; instead, bacterial products, such as N-formylated peptides and α-haemolysin, induce pain by directly activating nociceptor neurons, which in turn modulate inflammation. Bacterial infections such as those caused by Staphylococcus produce pain thought to be secondary to the immune response and inflammation. Now Clifford Woolf and colleagues report a previously unsuspected mechanism of pain induction during bacterial infection: a direct pathogen-mediated activation of nociceptors. They find that pain produced by Staphylococcus aureus infection in mice is independent of most known mediators of immunity. Rather, the bacteria produce two classes of molecules — formylated peptides and pore-forming toxins — that induce pain by directly activating nociceptor neurons that in turn modulate inflammation.

Microglia are resident immune cells of the CNS that are activated by infection, neuronal injury, and inflammation. Here, we utilize flow cytometry and deep RNA sequencing of acutely isolated spinal cord microglia to define their activation in vivo. Analysis of resting microglia identified 29 genes that distinguish microglia from other CNS cells and peripheral macrophages/monocytes. We then analyzed molecular changes in microglia during neurodegenerative disease activation using the SOD1G93A mouse model of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). We found that SOD1G93A microglia are not derived from infiltrating monocytes, and that both potentially neuroprotective and toxic factors, including Alzheimer’s disease genes, are concurrently upregulated. Mutant microglia differed from SOD1WT, lipopolysaccharide-activated microglia, and M1/M2 macrophages, defining an ALS-specific phenotype. Concurrent messenger RNA/fluorescence-activated cell sorting analysis revealed posttranscriptional regulation of microglia surface receptors and T cell-associated changes in the transcriptome. These results provide insights into microglia biology and establish a resource for future studies of neuroinflammation.

Although the nervous and immune systems have been classically considered to modulate physiologically distinct functions, recent evidence points to coordinated activities during neurogenic inflammation. In this perspective, the authors examine the interactions between the peripheral nervous system and the immune response during health and disease. The peripheral nervous and immune systems are traditionally thought of as serving separate functions. The line between them is, however, becoming increasingly blurred by new insights into neurogenic inflammation. Nociceptor neurons possess many of the same molecular recognition pathways for danger as immune cells, and, in response to danger, the peripheral nervous system directly communicates with the immune system, forming an integrated protective mechanism. The dense innervation network of sensory and autonomic fibers in peripheral tissues and high speed of neural transduction allows rapid local and systemic neurogenic modulation of immunity. Peripheral neurons also seem to contribute to immune dysfunction in autoimmune and allergic diseases. Therefore, understanding the coordinated interaction of peripheral neurons with immune cells may advance therapeutic approaches to increase host defense and suppress immunopathology.

Type 2 innate lymphoid cells (ILC2s) both contribute to mucosal homeostasis and initiate pathologic inflammation in allergic asthma. However, the signals that direct ILC2s to promote homeostasis versus inflammation are unclear. To identify such molecular cues, we profiled mouse lung-resident ILCs using single-cell RNA sequencing at steady state and after in vivo stimulation with the alarmin cytokines IL-25 and IL-33. ILC2s were transcriptionally heterogeneous after activation, with subpopulations distinguished by expression of proliferative, homeostatic and effector genes. The neuropeptide receptor Nmur1 was preferentially expressed by ILC2s at steady state and after IL-25 stimulation. Neuromedin U (NMU), the ligand of NMUR1, activated ILC2s in vitro, and in vivo co-administration of NMU with IL-25 strongly amplified allergic inflammation. Loss of NMU–NMUR1 signalling reduced ILC2 frequency and effector function, and altered transcriptional programs following allergen challenge in vivo. Thus, NMUR1 signalling promotes inflammatory ILC2 responses, highlighting the importance of neuro-immune crosstalk in allergic inflammation at mucosal surfaces. Neuromedin receptor NMUR1 is specifically expressed by a subpopulation of type 2 innate lymphoid cells and promotes the inflammatory response of these cells in response to allergens, indicating the importance of neuro-immune crosstalk in allergic responses. Vijay Kuchroo and colleagues use single-cell RNA sequencing techniques to analyse the responses of lung innate lymphoid cells in mice to the epithelial-cell-derived cytokines IL-15 and IL-33. They identify the neuromedin U receptor NMUR1 as a receptor specifically expressed by a subpopulation of type 2 innate lymphoid cells (ILC2s), and show that it is activated by IL-25 plus the neuropeptide ligand neuromedin U (NMU), generating a lung inflammatory response. Loss of NMU–NMUR1 signalling results in allergic lung inflammation.

Inhibitory killer Ig-like receptors (KIR) at the surface of natural killer (NK) cells induced clustering of HLA-C at the contacting surface of target cells. In this manner, inhibitory immune synapses were formed as human NK cells surveyed target cells. At target/NK cell synapses, HLA-C/KIR distributed into rings around central patches of intercellular adhesion molecule-1/lymphocyte function-associated antigen-1, the opposite orientation to mature murine T cell-activating synapses. This organization of protein was stable for at least 20 min. Cells could support multiple synapses simultaneously, and clusters of HLA-C moved as NK cells crawled over target cells. Clustering required a divalent metal cation, explaining how metal chelators inhibit KIR function. Surprisingly, however, formation of inhibitory synapses was unaffected by ATP depletion and the cytoskeletal inhibitors, colchicine and cytochalsins B and D. Clearly, supramolecular organization within plasma membranes is critical for NK cell immunosurveillance.

Summary

 Lung nociceptors initiate cough and bronchoconstriction. To elucidate if these fibers also contribute to allergic airway inflammation, we stimulated lung nociceptors with capsaicin and observed increased neuropeptide release and immune cell infiltration. In contrast, ablating Nav1.8⁺ sensory neurons or silencing them with QX-314, a charged sodium channel inhibitor that enters via large-pore ion channels to specifically block nociceptors, substantially reduced ovalbumin- or house-dust-mite-induced airway inflammation and bronchial hyperresponsiveness. We also discovered that IL-5, a cytokine produced by activated immune cells, acts directly on nociceptors to induce the release of vasoactive intestinal peptide (VIP). VIP then stimulates CD4⁺ and resident innate lymphoid type 2 cells, creating an inflammatory signaling loop that promotes allergic inflammation. Our results indicate that nociceptors amplify pathological adaptive immune responses and that silencing these neurons with QX-314 interrupts this neuro-immune interplay, revealing a potential new therapeutic strategy for asthma.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is an adult-onset, progressive, motor neuron degenerative disease, in which the role of inflammation is not well established. Innate and adaptive immunity were investigated in the CNS of the Superoxide Dismutase 1 (SOD1)(G93A) transgenic mouse model of ALS. CD4+ and CD8+ T cells infiltrated SOD1(G93A) spinal cords during disease progression. Cell-specific flow cytometry and gene expression profiling showed significant phenotypic changes in microglia, including dendritic cell receptor acquisition, and expression of genes linked to neuroprotection, cholesterol metabolism and tissue remodeling. Microglia dramatically up-regulated IGF-1 and down-regulated IL-6 expression. When mutant SOD1 mice were bred onto a TCRbeta deficient background, disease progression was significantly accelerated at the symptomatic stage. In addition, microglia reactivity and IGF-1 levels were reduced in spinal cords of SOD1(G93A) (TCRbeta-/-) mice. These results indicate that T cells play an endogenous neuroprotective role in ALS by modulating a beneficial inflammatory response to neuronal injury.

The nervous system, the immune system, and microbial pathogens interact closely at barrier tissues. Here, we find that a bacterial pathogen, Streptococcus pyogenes, hijacks pain and neuronal regulation of the immune response to promote bacterial survival. Necrotizing fasciitis is a life-threatening soft tissue infection in which “pain is out of proportion” to early physical manifestations. We find that S. pyogenes, the leading cause of necrotizing fasciitis, secretes streptolysin S (SLS) to directly activate nociceptor neurons and produce pain during infection. Nociceptors, in turn, release the neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP) into infected tissues, which inhibits the recruitment of neutrophils and opsonophagocytic killing of S. pyogenes. Botulinum neurotoxin A and CGRP antagonism block neuron-mediated suppression of host defense, thereby preventing and treating S. pyogenes necrotizing infection. We conclude that targeting the peripheral nervous system and blocking neuro-immune communication is a promising strategy to treat highly invasive bacterial infections.Video Abstracthttps://www.cell.com/cms/asset/771f07b8-4037-47bd-a5e8-c2131b7f51b0/mmc1.mp4Loading ...(mp4, 15.13 MB) Download video

Nociceptor sensory neurons suppress innate immunity during bacterial lung infection. Lung-innervating nociceptor sensory neurons detect noxious or harmful stimuli and consequently protect organisms by mediating coughing, pain, and bronchoconstriction. However, the role of sensory neurons in pulmonary host defense is unclear. Here, we found that TRPV1+ nociceptors suppressed protective immunity against lethal Staphylococcus aureus pneumonia. Targeted TRPV1+-neuron ablation increased survival, cytokine induction, and lung bacterial clearance. Nociceptors suppressed the recruitment and surveillance of neutrophils, and altered lung γδ T cell numbers, which are necessary for immunity. Vagal ganglia TRPV1+ afferents mediated immunosuppression through release of the neuropeptide calcitonin gene–related peptide (CGRP). Targeting neuroimmunological signaling may be an effective approach to treat lung infections and bacterial pneumonia.

Summary

 Gut-innervating nociceptor sensory neurons respond to noxious stimuli by initiating protective responses including pain and inflammation; however, their role in enteric infections is unclear. Here, we find that nociceptor neurons critically mediate host defense against the bacterial pathogen Salmonella enterica serovar Typhimurium (STm). Dorsal root ganglia nociceptors protect against STm colonization, invasion, and dissemination from the gut. Nociceptors regulate the density of microfold (M) cells in ileum Peyer's patch (PP) follicle-associated epithelia (FAE) to limit entry points for STm invasion. Downstream of M cells, nociceptors maintain levels of segmentous filamentous bacteria (SFB), a gut microbe residing on ileum villi and PP FAE that mediates resistance to STm infection. TRPV1+ nociceptors directly respond to STm by releasing calcitonin gene-related peptide (CGRP), a neuropeptide that modulates M cells and SFB levels to protect against Salmonella infection. These findings reveal a major role for nociceptor neurons in sensing and defending against enteric pathogens.