Abstract Introduction Cannabis-based medicines have a number of therapeutic indications, including anti-inflammatory and analgesic effects. The endocannabinoid receptor system, including the cannabinoid receptor 1 (CB 1 ) and receptor 2 (CB 2 ) and the endocannabinoids, are implicated in a wide range of physiological and pathophysiological processes. Pre-clinical and clinical studies have demonstrated that cannabis-based drugs have therapeutic potential in inflammatory diseases, including rheumatoid arthritis (RA) and multiple sclerosis. The aim of this study was to determine whether the key elements of the endocannabinoid signalling system, which produces immunosuppression and analgesia, are expressed in the synovia of patients with osteoarthritis (OA) or RA. Methods Thirty-two OA and 13 RA patients undergoing total knee arthroplasty were included in this study. Clinical staging was conducted from x-rays scored according to Kellgren-Lawrence and Larsen scales, and synovitis of synovial biopsies was graded. Endocannabinoid levels were quantified in synovial fluid by liquid chromatography-mass spectrometry. The expression of CB 1 and CB 2 protein and RNA in synovial biopsies was investigated. Functional activity of these receptors was determined with mitogen-activated protein kinase assays. To assess the impact of OA and RA on this receptor system, levels of endocannabinoids in the synovial fluid of patients and non-inflamed healthy volunteers were compared. The activity of fatty acid amide hydrolase (FAAH), the predominant catabolic endocannabinoid enzyme, was measured in synovium. Results CB 1 and CB 2 protein and RNA were present in the synovia of OA and RA patients. Cannabinoid receptor stimulation of fibroblast-like cells from OA and RA patients produced a time-dependent phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase (ERK)-1 and ERK-2 which was significantly blocked by the CB 1 antagonist SR141716A. The endocannabinoids anandamide (AEA) and 2-arachidonyl glycerol (2-AG) were identified in the synovial fluid of OA and RA patients. However, neither AEA nor 2-AG was detected in synovial fluid from normal volunteers. FAAH was active in the synovia of OA and RA patients and was sensitive to inhibition by URB597 (3'-(aminocarbonyl) [1,1'-biphenyl]-3-yl)-cyclohexylcarbamate). Conclusion Our data predict that the cannabinoid receptor system present in the synovium may be an important therapeutic target for the treatment of pain and inflammation associated with OA and RA.

Abstract Neuroimmune interactions across the pain pathway play a predominant role in the development of neuropathic pain. Previous reports demonstrated that complement driven effector systems including the C5a/C5aR1 axis contribute to these neuro-immune mechanisms. However, the cellular and molecular mechanisms underlying C5a/C5aR1 signaling-mediated neuropathic pain development remain ill-identified. Here we show that neuropathic pain following peripheral nerve injury was attenuated in C5aR1-deficient male and female mice as well as in wild type mice treated with a selective allosteric C5aR1 antagonist. Using two complementary cell-specific C5aR1 knockout mouse strains, we identified C5a/C5aR1 driven-activation of sensory neuron-associated macrophages (sNAMs) located in the sensory ganglia as the key site of peripheral nerve injury-induced neuropathic pain, whereas activation of macrophages of the local of peripheral nerve injury was not involved. Mechanistically, we uncovered IL-1b the main mediator of pain hypersensitivity in response to C5aR1 signaling in sNAMs. Our findings highlight a crucial role of C5a/C5aR1 axis activation in sNAMs for the development of neuropathic pain and identify this pathway as a promising novel target for neuropathic pain therapy.

ABSTRACT Although chronic pain states have been associated with impaired cognitive functions, including memory and cognitive flexibility, the cognitive effects of osteoarthritis (OA) pain remain to be clarified. The aim of this study was to measure cognitive function in the mono-iodoacetate (MIA) rat model of chronic OA-like knee pain. We used young adult male Lister hooded rats, which are well suited for cognitive testing. Rats received either a unilateral knee injection of MIA (3mg/50µL) or saline as control. Joint pain at rest was assessed for up to 12 weeks using weight-bearing asymmetry, and referred pain at a distal site using determination of hindpaw withdrawal thresholds (PWT). The watermaze delayed-matching-to-place (DMP) test of rapid place learning, novel object recognition (NOR) memory assay and an operant response-shift and -reversal task were used to measure memory and behavioural flexibility. Open field locomotor activity, startle response, and prepulse inhibition (PPI) were also measured for comparison. MIA-injected rats showed markedly reduced weight-bearing on the injured limb, as well as pronounced cartilage damage and synovitis, but interestingly no changes in PWT. Rearing was reduced, but otherwise locomotor activity was normal and no changes in startle and PPI were detected. MIA-injected rats had intact watermaze DMP performance, suggesting no substantial change in hippocampal function, and there were no changes in NOR memory or performance on the operant task of behavioural flexibility. Our finding that OA-like pain does not alter hippocampal function, unlike other chronic pain conditions, is consistent with human neuroimaging findings.

Abstract Chronic pain states such as osteoarthritis (OA) are often associated with negative affect, including anxiety and depression. This is, in turn, associated with greater opioid analgesic use, potentially contributing to current and future opioid crises. We utilise an animal model to investigate the neurobiological mechanisms underlying increased opioid use associated with high anxiety and chronic pain. Combining a genetic model of negative affect, the Wistar Kyoto (WKY) rat, and intra-articular injection of monosodium iodoacetate (MIA; 1mg), our model of high anxiety and augmented OA-like pain behaviour mirrors the clinical problem. Effects of morphine (0.5-6mg.kg -1 ) on pain behaviour and spinal nociceptive neuronal activity were determined in WKY rats, and normo-anxiety Wistar rats, 3 weeks after MIA injection. WKY rats developed augmented OA-like pain, and had blunted inhibitory responses to morphine, when compared to Wistar rats. Potential alterations in endogenous opioid function were probed via systemic blockade of opioid receptors with naloxone (0.1-1mg.kg -1 ), quantification of circulating levels of β-endorphin, and determination of spinal expression of the mu-opioid receptor (MOR). These studies revealed increased opioidergic tone, and increased spinal desensitization of MORs via the master phosphorylation site at serine residue 375, in this model. We demonstrate attenuated MOR function in the absence of previous exogenous opioid ligand exposure in our model of high anxiety and OA-like pain, which may account for reduced analgesic effect of morphine and provide a potential explanation for increased opioid analgesic intake in high anxiety chronic pain patients. Significance Statement Chronic pain affects large numbers of people, and pain management often relies on poorly effective opioid analgesics, the iatrogenic effects of which are increasingly recognised. The endogenous opioid system - the target for exogenous opioid analgesics - plays key roles in emotional affective states and pain control, but the complex interplay between anxiety, chronic pain, and endogenous opioid system function is challenging to study in people. Here, we have addressed this using a clinically-relevant experimental model. Anxiety-like behaviour was associated with increased chronic arthritis-like pain behaviour, altered opioid receptor function, and reduced efficacy of opioid analgesics. We provide new evidence, which may explain why chronic pain patients with comorbid high anxiety have higher opioid analgesic use.

Background:

 We reported that intra-articular implantation of a hydrogel containing human Agrin resulted in cartilage regeneration in mice and sheep (Eldridge, 2020). In our long term study in sheep, Agrin was implanted soon after the generation of an osteochondral defect. Six months later, the animals receiving Agrin had significant bone and cartilage regeneration. What was intriguing, however, was that starting very soon after implantation, the sheep receiving Agrin were spending more time playing and less resting compared to the control animals receiving GFP as measured with accelerometers. This rapid symptomatic relief is inconsistent with the long time required for cartilage regeneration and suggested that Agrin may have a direct analgesic effect. 

Objectives:

 In this study we investigated whether Agrin has a direct analgesic effect and what is its mechanism. 

Methods:

 Osteoarthritis was induced by resecting the medial collateral ligament and the anterior horn of the medial meniscus. Acute osteochondral defects were generated surgically on the weight bearing area of the lateral femoral condyle as previously reported (Eldridge,). Pain was measured using incapacitance or von Frey filaments. Transgenic mice overexpressing human non-neuronal agrin in cartilage were generated by crossing mice expressing cre recombinase fused with the estrogen receptor driven by the Aggrecan promoters with mice expressing agrin preceded by a floxed stop codon under the control of a ubiquitous promoter. Mice overexpressing neuronal agrin in the dorsal root ganglia (DRG) were generated by crossing mice expressing cre recombinase fused to the estrogen receptor driven by the advillin promoters with mice ubiquitously expressing human neuronal agrin preceded by a floxed stop codon. DRG neurons were cultured in microfluidic chambers for functional testing. 

Results:

 Overexpression of human Agrin either within the cartilage or within the DRG 4 weeks following joint destabilization resulted in reduced pain on weightbearing in mice. The injection of femtomolar concentrations of Agrin in the knee of mice with advanced osteoarthritis or with acute pain following the generation of an osteochondral defect resulted in strong analgesia (incapacitance and von Frey filaments) as early as 2 hours after injection. In DRG cultures in microfluidic chambers, agrin reduced calcium mobilization induced by KCl. Mining a publicly available single cell RNAseq dataset (Usoskin, 2015), we identified subsets of DRG neurons expressing the agrin receptor LRP4 and characterized their phenotype. 

Conclusion:

 In addition to its previously reported chondrogenic effect, Agrin reduces pain relief in osteoarthritis and after acute osteochondral defects. Agrin has a direct inhibitory effect on DRG neurons in in vitro models of pain. 

REFERENCES:

 [1] Eldridge SE, Barawi A, Wang H, Roelofs AJ, Kaneva M, Guan Z, Lydon H, Thomas BL, Thorup A-S, Fernandez BF, et al (2020) Agrin induces long-term osteochondral regeneration by supporting repair morphogenesis. Sci Transl Med 12: eaax9086. [2] Usoskin D, Furlan A, Islam S, Abdo H, Lönnerberg P, Lou D, Hjerling-Leffler J, Haeggström J, Kharchenko O, Kharchenko PV, et al (2015) Unbiased classification of sensory neuron types by large-scale single-cell RNA sequencing. Nature Neuroscience 18: 145–153. 

Acknowledgements:

 We are grateful for funding the following bodies: FOREUM (1016807), Versus Arthritis (22628; 21515); MRC (MR/R000956/1). 

Disclosure of Interests:

 Suzanne Eldridge: None declared, Federico Dajas-Bailador: None declared, Victoria Chapman: None declared, Sabah Bharde: None declared, Shafaq Sikandar GSK, Daniela Cici: None declared, Francesco Dell'Accio UCB pharma and Biosplice, UCB Pharma.

Chronic pain is a major cause of disability and suffering in osteoarthritis (OA) patients. Endogenous specialised pro-resolving molecules (SPMs) curtail pro-inflammatory responses. One of the SPM intermediate oxylipins, 17-hydroxydocasahexaenoic acid (17-HDHA, a metabolite of docosahexaenoic acid (DHA)), is significantly associated with OA pain (Valdes et al., 2017). The aim of this multidisciplinary work is to develop a mathematical model to describe the contributions of enzymatic pathways (and the genes that encode them) to the metabolism of DHA by monocytes and to the levels of the down-stream metabolites, 17-HDHA and 14-hydroxydocasahexaenoic acid (14-HDHA), motivated by novel clinical data from a study involving 30 participants with OA. The data include measurements of oxylipin levels, mRNA levels, measures of OA severity and self-reported pain scores. We propose a system of ordinary differential equations to characterise associations between the different datasets, in order to determine the homeostatic concentrations of DHA, 17-HDHA and 14-HDHA, dependent upon the gene expression of the associated metabolic enzymes. Using parameter-fitting methods, local sensitivity and uncertainty analysis, the model is shown to fit well qualitatively to experimental data. The model suggests that up-regulation of some ALOX genes may lead to the down-regulation of 17-HDHA and that dosing with 17-HDHA increases the production of resolvins, which helps to down-regulate the inflammatory response. More generally, we explore the challenges and limitations of modelling real data, in particular individual variability, and also discuss the value of gathering additional experimental data motivated by the modelling insights.

Abstract Task-free functional connectivity in animal models provides an experimental framework to examine connectivity phenomena under controlled conditions and allows comparison with invasive or terminal procedures. To date, animal acquisitions are performed with varying protocols and analyses that hamper result comparison and integration. We introduce StandardRat , a consensus rat functional MRI acquisition protocol tested across 20 centers. To develop this protocol with optimized acquisition and processing parameters, we initially aggregated 65 functional imaging datasets acquired in rats from 46 centers. We developed a reproducible pipeline for the analysis of rat data acquired with diverse protocols and determined experimental and processing parameters associated with a more robust functional connectivity detection. We show that the standardized protocol enhances biologically plausible functional connectivity patterns, relative to pre-existing acquisitions. The protocol and processing pipeline described here are openly shared with the neuroimaging community to promote interoperability and cooperation towards tackling the most important challenges in neuroscience.