Abstract The oral somatosensory system relays essential information about mechanical stimuli to enable oral functions such as feeding and speech. The neurochemical and anatomical diversity of sensory neurons across oral cavity sites have not been systematically compared. To address this gap, we analyzed healthy human tongue and hard palate innervation. Biopsies were collected from 12 volunteers and underwent multiplex fluorescent immunohistochemistry (≥2 specimens per marker/structure). Afferents were analyzed for markers of neurons (βIII tubulin), myelinated afferents (neurofilament heavy, NFH), and Merkel cells and taste cells (keratin 20, K20). Hard-palate innervation included Meissner’s corpuscles, glomerular endings, Merkel cell-neurite complexes, and free nerve endings. The organization of these somatosensory endings is reminiscent of fingertips, suggesting that the hard palate is equipped with a rich repertoire of sensory neurons for pressure sensing and spatial localization of mechanical inputs, which are essential for speech production and feeding. Likewise, the tongue is innervated by afferents that impart it with exquisite acuity and detection of moving stimuli that support flavor construction and speech. Filiform papillae contain end bulbs of Krause, as well as endings that have not been previously reported, including subepithelial neuronal densities, and NFH+ neurons innervating basal epithelium. Fungiform papillae had Meissner’s corpuscles and densities of NFH+ intraepithelial neurons surrounding taste buds. The differing compositions of sensory endings within filiform and fungiform papillae suggest that these structures have distinct roles in mechanosensation. Collectively, this study has identified previously undescribed afferent endings in human oral tissues and provides an anatomical framework for understanding oral mechanosensory functions.

Abstract Mechanosensory neurons in the mouth provide essential information to guide feeding and speech. How classes of oral mechanoreceptors contribute to oral behaviors is not well understood; in particular, the functional properties of lingual mechanoreceptors remain elusive. Previous work identified putative mechanosensory endings in the tongue with novel morphologies; how these fit into current knowledge of mechanosensory neuron classification is not known. To identify functional classes of lingual mechanosensory neurons, we used in vivo calcium imaging of trigeminal ganglia. We first investigated calcium responses of tongue-innervating trigeminal neurons to thermal and mechanical stimulation (e.g., pressure, fluid flow, temperature changes). We found that around 17% of neurons responded to pressure, and that these pressure responders were significantly larger than neurons that only responded to temperature changes. To further investigate the cadre of functionally distinct mechanosensory neurons, we tested responses to brushing and sustained pressures and found that brush-sensitive neurons comprise the majority of tongue-innervating mechanosensory trigeminal neurons. Qualitatively, mechanosensory neurons responded to pressure with distinct kinetics, suggesting the presence of multiple classes of mechanoreceptors. To determine the number of classes, we developed an unbiased multi-layer hierarchical clustering approach to classify calcium response characteristics to pressure stimulation. This approach revealed that mechanosensory neurons displayed five distinct stimulus-response profiles to pressure. Classes include neuronal populations with sustained, transient, high-threshold, and negative responses to force as well as neurons that responded only to brushing. Analysis of cluster representation in transgenic animals with only subsets of labeled neurons reveals molecular markers of clusters and end organ structures. These studies are amongst the first to determine the functional properties of low-threshold mechanosensory neurons innervating the mouse tongue.

SARS-CoV-2, the virus responsible for COVID-19, triggers symptoms such as sneezing, aches and pain.1 These symptoms are mediated by a subset of sensory neurons, known as nociceptors, that detect noxious stimuli, densely innervate the airway epithelium, and interact with airway resident epithelial and immune cells.2-6 However, the mechanisms by which viral infection activates these neurons to trigger pain and airway reflexes are unknown. Here, we show that the coronavirus papain-like protease (PLpro) directly activates airway-innervating trigeminal and vagal nociceptors in mice and human iPSC-derived nociceptors. PLpro elicits sneezing and acute pain in mice and triggers the release of neuropeptide calcitonin gene-related peptide (CGRP) from airway afferents. We find that PLpro-induced sneeze and pain requires the host TRPA1 ion channel that has been previously demonstrated to mediate pain, cough, and airway inflammation.7-9 Our findings are the first demonstration of a viral product that directly activates sensory neurons to trigger pain and airway reflexes and highlight a new role for PLpro and nociceptors in COVID-19.

Abstract Challenges related to high-quality RNA extraction from post-mortem tissue have limited RNA-sequencing (RNA-seq) application in certain skeletal muscle groups, including the intrinsic laryngeal muscles (ILMs). The present study identified critical factors contributing to substandard RNA extraction from the ILMs and established a suitable method that permitted high-throughput analysis. Here, standard techniques for tissue processing were adapted, and an effective means to control confounding effects during specimen preparation was determined. The experimental procedure consistently provided sufficient intact total RNA ( N = 68) and RIN ranging between 7.0 and 8.6, which was unprecedented using standard RNA purification protocols. This study confirmed the reproducibility of the workflow through repeated trials at different postnatal time points and across the distinctive ILMs. High-throughput diagnostics from 90 RNA samples indicated no sequencing alignment scores below 70%, validating the extraction strategy. Significant differences between the standard and experimental conditions suggest circumvented challenges and broad applicability to other skeletal muscles. This investigation remains ongoing given the prospect of therapeutic insights to voice, swallowing, and airway disorders. The present methodology supports pioneering global transcriptome investigations in the larynx previously unfounded in literature.

ABSTRACT Objective Upregulation of GDNF and its receptors is observed during laryngeal reinnervation after nerve injury. In contrast, little is known regarding the expression of GDNF receptors in the formation of the nucleus ambiguus (NA) and its innervation of the larynx during embryogenesis. Differences may suggest therapeutic targets after nerve injury. Study Design Laboratory experiment. Methods Rat brainstems at E14, E16, E18, E20, adult (4 animals/timepoint) were sectioned and stained for GDNF receptors: GFRα-1, GFRα-2, GFRα-3, and Ret. Islet1 and ChAT were used as markers for motoneuron cell bodies. Sections were observed using Zeiss Axio Imager M2 Microscope and quantified using Image J. Results Expression of all four GDNF receptors was identified within the nucleus ambiguus, as well as hypoglossal and facial nuclei of the adult rat brainstem. During rat development, GFRα-3 and Ret exhibited upregulation within the nucleus ambiguus at E14 whereas GFRα-1 began showing upregulation at E20. GFRα-2 exhibited no upregulation at embryonic timepoints. Conclusion: Upregulation of the GDNF receptors within the nucleus ambiguus occur after laryngeal muscles innervation during development and may associated with maturation and maintenance of the neuromuscular synapses of the larynx before and after birth. No differences among ambiguus, hypoglossal, and facial nuclei was observed.

ABSTRACT Objectives/Hypothesis Recurrent laryngeal nerve injury diagnosed as idiopathic or due to short-term surgery-related intubation exhibits a higher incidence of left-sided paralysis. While this is often attributed to nerve length, it is hypothesized there are asymmetric differences in the expression of genes related to neuromuscular function that may impact reinnervation and contribute to this laterality phenomenon. To test this hypothesis, this study analyzes the transcriptome profiles of the intrinsic laryngeal muscles (ILMs), comparing gene expression in the left versus right, with particular attention to genetic pathways associated with neuromuscular function. Study Design Laboratory experiment. Methods RNA was extracted from the left and right sides of the rat posterior cricoarytenoid (PCA), lateral thyroarytenoid (LTA), and medial thyroarytenoid (MTA), respectively. After high-throughput RNA-Sequencing (RNA-Seq), 88 samples were organized into 12 datasets according to their age (P15/adult), sex (male/female), and muscle type (PCA/LTA/MTA). A comprehensive bioinformatics analysis was conducted to compare the left-right ILMs across different conditions. Results 774 differentially expressed genes (DEGs) were identified across the 12 experimental groups, revealing age, sex, and muscle-specific differences between the left versus right ILMs. Enrichment analysis of Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathways implicated several genes with a left-right laryngeal muscle asymmetry. These genes are associated with neuronal and muscular physiology, immune/inflammatory response, and hormone control. Conclusion Bioinformatics analysis confirmed divergent transcriptome profiles between the left-right ILMs. This preliminary study identifies putative gene targets that will characterize ILM laterality. Level of Evidence N/A LAY SUMMARY Vocal fold paralysis is more common on the left. This study shows left versus right differences in gene expression related to innervation, suggesting the increased rate of left recurrent laryngeal nerve paralysis may be associated with genetic differences, not just nerve length.

Abstract The oral cavity is exposed to a remarkable range of noxious and innocuous conditions, including temperature fluctuations, mechanical forces, inflammation and environmental and endogenous chemicals. How such changes in the oral environment are sensed by oral cells and tissues is not completely understood. Transient receptor potential (TRP) ion channels are a diverse family of molecular receptors that are activated by chemicals, temperature changes, and tissue damage. In non-neuronal cells, TRP channels play roles in inflammation, as well as tissue development and maintenance. In somatosensory neurons, TRP channels mediate nociception, thermosensation and chemosensation. To assess whether TRP channels might be involved in environmental sensing in the human oral cavity, we investigated the distribution of TRP channels in human tongue and hard palate. Oral biopsies were collected from volunteers and underwent fluorescent immunohistochemistry followed by confocal imaging. We analyzed immunoreactivity of TRP channels in human oral epithelia including TRPV3, TRPV4, TRPV1, TRPM8, and TRPA1. TRPV3 and TRPV4 were expressed in epithelial cells with inverse expression patterns where they are likely to contribute to epithelial development and integrity. TRPA1 immunoreactivity was found in fibroblasts, subsets immune cells, and neurons, consistent with known roles of TRPA1 in sensory transduction, as well as in response to damage and inflammation. TRPM8 immunoreactivity was found in lamina propria cells and some neuronal subpopulations including some neurons within the end bulbs of Krause, consistent with a role in thermal sensation. TRPV1 immunoreactivity was identified in intraepithelial nerve fibers, in some end bulbs of Krause, and in epithelial cells, consistent with roles in nociception and thermosensation. Immunoreactivity of TRPM8 and TRPV1 in end bulbs of Krause suggest that these structures contain a variety of neuronal afferents, including those that mediate nociception, thermosensation and mechanotransduction. Collectively, these studies support the role of TRP channels in oral environmental surveillance and response.

Background: The epidermis is a stratified epithelium whose differentiation program is triggered in part by calcium. Dysregulation of keratinocyte differentiation may lead to non-melanoma skin cancers, including cutaneous squamous cell carcinoma (cSCC). The compound 2-aminoethoxydiphenyl borate (2-APB) modulates calcium signaling by altering activity of calcium-permeable channels of the transient receptor potential (TRP) and ORAI families, and is therefore poised to govern signaling pathways that control the balance of keratinocyte proliferation and differentiation. Objective: We sought to determine whether 2-APB alters differentiation of normal human keratinocytes and progression of human cSCCs models in vitro. Methods: Primary human keratinocyte cultures were treated with 2-APB and levels of proliferation (EdU incorporation) and differentiation markers [quantitative PCR (qPCR)] were assessed. Human cSCC biopsies and cell lines were analyzed for TRP and ORAI gene expression via qPCR. cSCC cell lines were cultured in organtypic cultures and analyzed for growth and invasiveness after 2-APB or vehicle treatment. Results: Culturing human keratinocytes with 2‑APB arrested cell proliferation, triggered differentiation-gene expression and altered epidermal stratification, indicating that 2-APB application is sufficient to promote differentiation. In human organotypic cSCC cultures, 2‑APB attenuated tumor growth and invasiveness. Finally, expression of a panel of 2‑APB-targeted ion channels (TRPV3, TRPV1, TRPC1, OraI1, OraI2 and OraI3) was dysregulated in high-risk cSCC biopsies. Conclusions: Collectively, these findings identify 2-APB as a potential therapeutic for high-risk cSCCs.

ABSTRACT Bioactive derivatives from the camphor laurel tree, Cinnamomum camphora , are posited to exhibit chemopreventive properties but the efficacy and mechanism of these natural products have not been established. We tested an essential-oil derivative, camphor white oil (CWO), for anti-tumor activity in a mouse model of keratinocyte-derived skin cancer. Daily topical treatment with CWO induced dramatic regression of pre-malignant skin tumors and a two-fold reduction in cutaneous squamous cell carcinomas. We next investigated underlying cellular and molecular mechanisms. In cultured keratinocytes, CWO stimulated calcium signaling, resulting in calcineurin-dependent activation of nuclear factor of activated T cells (NFAT). In vivo , CWO induced transcriptional changes in immune-related genes, resulting in cytotoxic T cell-dependent tumor regression. Finally, we identified chemical constituents of CWO that recapitulated effects of the admixture. Together, these studies identify T cell-mediated tumor regression as the mechanism through which a plant-derived essential oil diminishes established tumor burden. SUMMARY BLURB Essential oil derived from the camphor tree acts by stimulating immune cell-dependent regression of skin tumors in a mouse model of cutaneous squamous cell carcinoma.