Neuropathic pain is accompanied by both positive and negative sensory signs. To explore the spectrum of sensory abnormalities, 1236 patients with a clinical diagnosis of neuropathic pain were assessed by quantitative sensory testing (QST) following the protocol of DFNS (German Research Network on Neuropathic Pain), using both thermal and mechanical nociceptive as well as non-nociceptive stimuli. Data distributions showed a systematic shift to hyperalgesia for nociceptive, and to hypoesthesia for non-nociceptive parameters. Across all parameters, 92% of the patients presented at least one abnormality. Thermosensory or mechanical hypoesthesia (up to 41%) was more frequent than hypoalgesia (up to 18% for mechanical stimuli). Mechanical hyperalgesias occurred more often (blunt pressure: 36%, pinprick: 29%) than thermal hyperalgesias (cold: 19%, heat: 24%), dynamic mechanical allodynia (20%), paradoxical heat sensations (18%) or enhanced wind-up (13%). Hyperesthesia was less than 5%. Every single sensory abnormality occurred in each neurological syndrome, but with different frequencies: thermal and mechanical hyperalgesias were most frequent in complex regional pain syndrome and peripheral nerve injury, allodynia in postherpetic neuralgia. In postherpetic neuralgia and in central pain, subgroups showed either mechanical hyperalgesia or mechanical hypoalgesia. The most frequent combinations of gain and loss were mixed thermal/mechanical loss without hyperalgesia (central pain and polyneuropathy), mixed loss with mechanical hyperalgesia in peripheral neuropathies, mechanical hyperalgesia without any loss in trigeminal neuralgia. Thus, somatosensory profiles with different combinations of loss and gain are shared across the major neuropathic pain syndromes. The characterization of underlying mechanisms will be needed to make a mechanism-based classification feasible.

Fibromyalgia syndrome is a clinically well-characterized chronic pain condition of high socio-economic impact. Although the pathophysiology is still unclear, there is increasing evidence for nervous system dysfunction in patients with fibromyalgia syndrome. In this case-control study we investigated function and morphology of small nerve fibres in 25 patients with fibromyalgia syndrome. Patients underwent comprehensive neurological and neurophysiological assessment. We examined small fibre function by quantitative sensory testing and pain-related evoked potentials, and quantified intraepidermal nerve fibre density and regenerating intraepidermal nerve fibres in skin punch biopsies of the lower leg and upper thigh. The results were compared with data from 10 patients with monopolar depression without pain and with healthy control subjects matched for age and gender. Neurological and standard neurophysiological examination was normal in all patients, excluding large fibre polyneuropathy. Patients with fibromyalgia syndrome had increased scores in neuropathic pain questionnaires compared with patients with depression and with control subjects (P < 0.001 each). Compared with control subjects, patients with fibromyalgia syndrome but not patients with depression had impaired small fibre function with increased cold and warm detection thresholds in quantitative sensory testing (P < 0.001). Investigation of pain-related evoked potentials revealed increased N1 latencies upon stimulation at the feet (P < 0.001) and reduced amplitudes of pain-related evoked potentials upon stimulation of face, hands and feet (P < 0.001) in patients with fibromyalgia syndrome compared to patients with depression and to control subjects, indicating abnormalities of small fibres or their central afferents. In skin biopsies total (P < 0.001) and regenerating intraepidermal nerve fibres (P < 0.01) at the lower leg and upper thigh were reduced in patients with fibromyalgia syndrome compared with control subjects. Accordingly, a reduction in dermal unmyelinated nerve fibre bundles was found in skin samples of patients with fibromyalgia syndrome compared with patients with depression and with healthy control subjects, whereas myelinated nerve fibres were spared. All three methods used support the concept of impaired small fibre function in patients with fibromyalgia syndrome, pointing towards a neuropathic nature of pain in fibromyalgia syndrome.

Pain is a common symptom in peripheral neuropathies. The factors determining why some peripheral neuropathies are painful and others are not are incompletely understood. Pro-inflammatory cytokines have been implicated to play a crucial role in the generation of pain.To investigate whether cytokine profiles differ between patients with painful or painless neuropathy.In this prospective study, we analyzed blood mRNA and protein levels of the pro-inflammatory cytokines interleukin-2 (IL-2) and tumor necrosis factor-alpha (TNF) and the anti-inflammatory cytokines IL-4 and IL-10 in 32 patients with painful neuropathy, 20 patients with painless neuropathy, and 38 healthy control subjects, using quantitative real-time PCR and ELISA.Patients with a painful neuropathy had about twofold higher IL-2 mRNA (p = 0.001) and TNF mRNA (p < 0.0001) and protein levels (p = 0.009) than healthy control subjects and about twofold higher IL-2 and TNF mRNA (p = 0.03; p = 0.001) and protein levels (p = 0.04; p = 0.04) than patients with painless neuropathy. In contrast, mRNA levels of the anti-inflammatory cytokine IL-10 were about twofold higher in patients with painless neuropathy than in patients with painful neuropathy (p = 0.001) and controls (p = 0.004). IL-4 protein levels were 20-fold higher in patients with painless neuropathy (p < 0.0001) and 17-fold higher in patients with painful neuropathy (p < 0.0001) than in healthy control subjects.A pro-inflammatory cytokine profile seems to be associated with pain in the setting of a peripheral neuropathy, corroborating findings in animal models with experimental painful neuropathies. This may have implications for future treatment strategies.

The deposition of alpha-synuclein in the brain, the neuropathological hallmark of Parkinson's disease (PD), follows a distinct anatomical and temporal sequence. This study aimed to characterize alpha-synuclein deposition in cutaneous nerves from patients with PD. We further strived to explore whether peripheral nerve involvement is intrinsic to PD and reflective of known features of brain pathology, which could render it a useful tool for pathogenetic studies and pre-mortem histological diagnosis of PD. We obtained skin biopsies from the distal and proximal leg, back and finger of 31 PD patients and 35 controls and quantified the colocalization of phosphorylated alpha-synuclein in somatosensory and autonomic nerve fibers and the pattern of loss of different subtypes of dermal fibers. Deposits of phosphorylated alpha-synuclein were identified in 16/31 PD patients but in 0/35 controls (p < 0.0001). Quantification of nerve fibers revealed two types of peripheral neurodegeneration in PD: (1) a length-dependent reduction of intraepidermal small nerve fibers (p < 0.05) and (2) a severe non-length-dependent reduction of substance P-immunoreactive intraepidermal nerve fibers (p < 0.0001). The latter coincided with a more pronounced proximal manifestation of alpha-synuclein pathology in the skin. The histological changes did not correlate with markers of levodopa toxicity such as vitamin B12 deficiency. Our findings suggest that loss of peripheral nerve fibers is an intrinsic feature of PD and that peripheral nerve changes may reflect the two types of central alpha-synuclein-related PD pathology, namely neuronal death and axonal degeneration. Detection of phosphorylated alpha-synuclein in dermal nerve fibers might be a useful diagnostic test for PD with high specificity but low sensitivity.

Abstract Acral burning pain triggered by fever, thermal hyposensitivity, and skin denervation are hallmarks of small fibre neuropathy in Fabry disease, a life-threatening X-linked lysosomal storage disorder. Variants in the gene encoding alpha-galactosidase A may lead to impaired enzyme activity with cellular accumulation of globotriaosylceramide (Gb3). To study the underlying pathomechanism of Fabry-associated small fibre neuropathy, we generated a neuronal in vitro disease model using patient-derived induced pluripotent stem cells from three Fabry patients and one healthy control. We further generated an isogenic control line via CRISPR/Cas9 gene editing. We subjected iPSC to targeted peripheral neuronal differentiation and observed intra-lysosomal Gb3 accumulations in somas and neurites of Fabry sensory neurons using super-resolution microscopy. At functional level, patch-clamp analysis revealed a hyperpolarizing shift of voltage-gated sodium channel steady-state inactivation kinetics in Fabry cell lines as compared to the healthy control. Moreover, we demonstrate a drastic increase in Fabry sensory neuron Ca 2+ levels at 39°C mimicking clinical fever (p < 0.001). This pathophysiological phenotype was accompanied by thinning of neurite calibres in sensory neurons obtained from Fabry patients compared to healthy control cells (p < 0.001). Linear-Nonlinear cascade models fit to spiking responses revealed that Fabry cell lines exhibit altered single neuron encoding properties relative to control. We further observed jam of mitochondrial trafficking at sphingolipid accumulations within Fabry sensory neurites utilizing a click-chemistry approach together with mitochondrial dysmorphism compared to healthy control cells. We pioneer insights into the cellular mechanisms contributing to pain, thermal hyposensitivity, and denervation in Fabry small fibre neuropathy, and pave the way for further mechanistic in vitro studies in Fabry disease and the development of novel treatment approaches.

Abstract Traditionally, peripheral sensory neurons hold the monopole of transducing external stimuli. Current research moves epidermal keratinocytes into focus as sensors and transmitters of nociceptive and non-nociceptive sensations, tightly interacting with intraepidermal nerve fibers at the neuro-cutaneous unit. In animal models, epidermal cells establish close contacts and ensheath sensory neurites. However, ultrastructural morphological and mechanistic data examining the human keratinocyte-nociceptor interface are sparse. We investigated this exact interface in human skin applying super-resolution array tomography, expansion microscopy, and structured illumination microscopy. We show keratinocyte ensheathment of nociceptors and connexin 43 plaques at keratinocyte-nociceptor contact sites in healthy native skin. We further derived a fully human co-culture system, modeling ensheathment and connexin 43 plaques in vitro . Unraveling human intraepidermal nerve fiber ensheathment and interaction sites marks a milestone in research at the neuro-cutaneous unit. These findings are mind-changers on the way to decipher the mechanisms of cutaneous nociception.

Neuropathic pain substantially affects the mental and physical well-being of patients and magnifies the socio-economic burden on the healthcare system. It is important to understand the molecular mechanisms underlying chronic pain to effectively target it. To investigate peripheral mechanisms relevant to pain signaling, we isolated nerve terminals from mouse footpads. The isolated peripheral terminals contain both pre- and post-synaptic proteins and are deficient in keratin and histone in both mice and humans. We detected the protein translational machinery and mitochondria in nerve terminals and observed that they were capable of endocytosis. An unbiased proteomic analysis of nerve terminals from footpads of NaV1.9 knockout mice shows dysregulation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) and extracellular regulated kinase 1/2 (ERK1/2) pathways, and of protein components involved in translation and energy metabolism. Isolation of human nerve terminals from skin punch biopsies, validated by proteomic analysis, highlights the broad and translational value of our approach. Our study thus reveals peripheral signaling mechanisms implicated in pain perception.

Fabry disease (FD) is a multiorgan lysosomal storage disorder caused by mutations in the alfa-galactosidase A (GLA ) gene. Pathogenic GLA mutations lead to impaired or even lost enzyme activity, which causes the accumulation of sphingolipids, e.g., globotriaosylceramide, in cells and tissues. The majority of FD patients experience triggerable pain, mainly acral and burning, which often begins in early childhood. While small fiber pathology is assumed to be the basis of FD pain, the underlying molecular mechanisms are not well understood. This review summarizes the clinical characteristics of neuropathy and neuropathic pain in FD, presents current treatment options, and gives an overview of the latest findings from experimental and human model systems on the pathomechanisms contributing to small fiber pathology and FD-associated pain.

Abstract Introduction Reprogramming of human induced pluripotent stem cells (iPSC) and their differentiation into specific cell types, such as induced sensory-like neurons (iSN), are critical for disease modeling and drug testing. However, the variability of cell populations challenges reliability and reproducibility. While various protocols for iSN differentiation exist, development of non-iSN cells in these cultures remains an issue. Therefore, standardization of protocols is essential. This study aimed to improve iSN culture conditions by reducing the number of non-iSN cells while preserving survival and quality of iSN. Methods iSN were differentiated from a healthy control iPSC line using an established protocol. Interventions for protocol optimization included floxuridine (FdU) or 1-β-D-arabinofuranosyl-cytosin-hydrochlorid (AraC) treatment, Magnetic-Activated Cell Sorting (MACS), early cell passaging, and replating. Cell viability and iSN-to-total-cell-count ratio were assessed using a luminescent assay and immunocytochemistry, respectively. Results Passaging of cells during differentiation did not increase the iSN-to-total-cell-count ratio, and MACS of immature iSN led to neuronal blebbing and reduced the iSN-to-total-cell-count ratio. Treatment with high concentrations and prolonged incubation of FdU or AraC resulted in excessive cell death. However, treatment with 10 μM FdU for 24 h post-differentiation showed the most selective targeting of non-iSN cells, leading to an increase in the iSN-to-total-cell count ratio without compromising the viability or functionality of the iSN population. Replating of iSN shortly after seeding also helped to reduce non-iSN cells. Conclusion In direct comparison to other methods, treatment with 10 μM FdU for 24 h after differentiation represents a promising approach to improve iSN culture purity, offering a potential benefit for downstream applications in disease modeling and drug discovery. However, further investigations involving multiple iPSC lines and optimization of protocol parameters are warranted to fully exploit the potential of this method and enhance its reproducibility and applicability. Overall, this study provides valuable insights into optimizing culture conditions for iSN differentiation and highlights the importance of standardized protocols in iPSC-based research.