The fast-growing field of bioelectronic medicine aims to develop engineered systems that can relieve clinical conditions by stimulating the peripheral nervous system1–5. This type of technology relies largely on electrical stimulation to provide neuromodulation of organ function or pain. One example is sacral nerve stimulation to treat overactive bladder, urinary incontinence and interstitial cystitis (also known as bladder pain syndrome)4,6,7. Conventional, continuous stimulation protocols, however, can cause discomfort and pain, particularly when treating symptoms that can be intermittent (for example, sudden urinary urgency)8. Direct physical coupling of electrodes to the nerve can lead to injury and inflammation9–11. Furthermore, typical therapeutic stimulators target large nerve bundles that innervate multiple structures, resulting in a lack of organ specificity. Here we introduce a miniaturized bio-optoelectronic implant that avoids these limitations by using (1) an optical stimulation interface that exploits microscale inorganic light-emitting diodes to activate opsins; (2) a soft, high-precision biophysical sensor system that allows continuous measurements of organ function; and (3) a control module and data analytics approach that enables coordinated, closed-loop operation of the system to eliminate pathological behaviours as they occur in real-time. In the example reported here, a soft strain gauge yields real-time information on bladder function in a rat model. Data algorithms identify pathological behaviour, and automated, closed-loop optogenetic neuromodulation of bladder sensory afferents normalizes bladder function. This all-optical scheme for neuromodulation offers chronic stability and the potential to stimulate specific cell types. A closed-loop implantable bioelectronic device that can modulate peripheral neuronal activity is used to improve bladder function in a rat model of cystitis.

Sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli to the central nervous system. Single-cell RNA sequencing has provided insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, nonhuman primates, and humans, but it remains difficult to compare cell types across studies and species. We thus constructed harmonized atlases of the DRG and TG that describe and facilitate comparison of 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across six species and 31 datasets. We then performed single-cell/nucleus RNA sequencing of DRG from both human and the highly regenerative axolotl and found that the harmonized atlas also improves cell type annotation, particularly of sparse neuronal subtypes. We observed that the transcriptomes of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The resources presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell-type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future analgesic development.

In response to changes in activity induced by environmental cues, neurons in the central nervous system undergo homeostatic plasticity to sustain overall network function during abrupt changes in synaptic strengths. Homeostatic plasticity involves changes in synaptic scaling and regulation of intrinsic excitability. Increases in spontaneous firing and excitability of sensory neurons are evident in some forms of chronic pain in animal models and human patients. However, whether mechanisms of homeostatic plasticity are engaged in sensory neurons under normal conditions or altered after chronic pain is unknown. Here, we showed that sustained depolarization induced by 30mM KCl induces a compensatory decrease in the excitability in mouse and human sensory neurons. Moreover, voltage-gated sodium currents are robustly reduced in mouse sensory neurons contributing to the overall decrease in neuronal excitability. Decreased efficacy of these homeostatic mechanisms could potentially contribute to the development of the pathophysiology of chronic pain.

Dorsal root ganglion (DRG) neurons detect sensory inputs and are crucial for pain processing. They are often studied in vitro as dissociated cell cultures with the assumption that this reasonably represents in vivo conditions. However, to our knowledge, no study has ever directly compared genome-wide transcriptomes of DRG tissue in vivo versus in vitro, or between different labs and culturing protocols. We extracted bilateral lumbar DRG from C57BL6/J mice and human organ donors, and acutely froze one side and processed the other side as a dissociated cell culture, which was then maintained in vitro for 4 days. RNA was extracted and sequenced using the NextSeq Illumina platform. Comparing native to cultured human or mouse DRG, we found that the overall expression level of many ion channels and GPCRs specifically expressed in neurons is markedly lower in culture, but still expressed. This suggests that most pharmacological targets expressed in vivo are present in culture conditions. However, there are changes in expression levels for these genes. The reduced relative expression for neuronal genes in human DRG cultures is likely accounted for by increased expression of genes in fibroblast-like and other proliferating cells, consistent with the mitotic status of many cells in these cultures. We did find a subset of genes that are typically neuronally expressed, increased in human and mouse DRG cultures, including genes associated with nerve injury and/or inflammation in preclinical models such as BDNF, MMP9, GAL, and ATF3. We also found a striking upregulation of a number of inflammation-associated genes in DRG cultures, although many were different between mouse and human. Our findings suggest an injury-like phenotype in DRG cultures that has important implications for the use of this model system for pain drug discovery.

Peripheral nerve damage initiates a complex series of cellular and structural processes that culminate in chronic neuropathic pain. Our study defines local angiotensin signaling via activation of the Angiotensin II (Ang II) type-2 receptor (AT2R) on macrophages as the critical trigger of neuropathic pain. An AT2R-selective antagonist attenuates neuropathic, but not inflammatory pain hypersensitivity in mice, and requires the cell damage-sensing ion channel transient receptor potential family-A member-1 (TRPA1). Mechanical and cold pain hypersensitivity that are characteristic of neuropathic conditions can be attenuated by chemogenetic depletion of peripheral macrophages and AT2R-null hematopoietic cell transplantation. Our findings show no AT2R expression in mouse or human sensory neurons, rather AT2R expression and activation in macrophages triggers production of reactive oxygen/nitrogen species, which trans-activate TRPA1 on sensory neurons. Our study defines the precise neuro-immune crosstalk underlying nociceptor sensitization at the site of nerve injury. This form of cell-to-cell signaling represents a critical peripheral mechanism for chronic neuropathic pain, and therefore identifies multiple analgesic targets.

Abstract Peripheral sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli including touch, temperature, and pain to the central nervous system. Recent advances in single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) have provided new insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, non-human primates, and humans, but it remains difficult to compare transcriptomically defined cell types across studies and species. Here, we built cross-species harmonized atlases of DRG and TG cell types that describe 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across 6 species and 19 studies. We then demonstrate the utility of this harmonized reference atlas by using it to annotate newly profiled DRG nuclei/cells from both human and the highly regenerative axolotl. We observe that the transcriptomic profiles of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The new resources and data presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future pain therapy development.