A recent major conceptual advance has been the recognition of the importance of immune system–neuronal interactions in the modulation of brain function, one example of which is spinal pain processing in neuropathic states. Here, we report that in peripheral nerve-injured rats, the lysosomal cysteine protease cathepsin S (CatS) is critical for the maintenance of neuropathic pain and spinal microglia activation. After injury, CatS was exclusively expressed by activated microglia in the ipsilateral dorsal horn, where expression peaked at day 7, remaining high on day 14. Intrathecal delivery of an irreversible CatS inhibitor, morpholinurea-leucine-homophenylalanine-vinyl phenyl sulfone (LHVS), was antihyperalgesic and antiallodynic in neuropathic rats and attenuated spinal microglia activation. Consistent with a pronociceptive role of endogenous CatS, spinal intrathecal delivery of rat recombinant CatS (rrCatS) induced hyperalgesia and allodynia in naïve rats and activated p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) in spinal cord microglia. A bioinformatics approach revealed that the transmembrane chemokine fractalkine (FKN) is a potential substrate for CatS cleavage. We show that rrCatS incubation reduced the levels of cell-associated FKN in cultured sensory neurons and that a neutralizing antibody against FKN prevented both FKN- and CatS-induced allodynia, hyperalgesia, and p38 MAPK activation. Furthermore, rrCatS induced allodynia in wild-type but not CX3CR1-knockout mice. We suggest that under conditions of increased nociception, microglial CatS is responsible for the liberation of neuronal FKN, which stimulates p38 MAPK phosphorylation in microglia, thereby activating neurons via the release of pronociceptive mediators.

Chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs) are inhibitory extracellular matrix molecules that are upregulated after CNS injury. Degradation of CSPGs using the enzyme chondroitinase ABC (ChABC) can promote functional recovery after spinal cord injury. However, the mechanisms underlying this recovery are not clear. Here we investigated the effects of ChABC treatment on promoting plasticity within the spinal cord. We found robust sprouting of both injured (corticospinal) and intact (serotonergic) descending projections as well as uninjured primary afferents after a cervical dorsal column injury and ChABC treatment. Sprouting fibers were observed in aberrant locations in degenerating white matter proximal to the injury in regions where CSPGs had been degraded. Corticospinal and serotonergic sprouting fibers were also observed in spinal gray matter at and below the level of the lesion, indicating increased innervation in the terminal regions of descending projections important for locomotion. Spinal-injured animals treated with a vehicle solution showed no significant sprouting. Interestingly, ChABC treatment in uninjured animals did not induce sprouting in any system. Thus, both denervation and CSPG degradation were required to promote sprouting within the spinal cord. We also examined potential detrimental effects of ChABC-induced plasticity. However, although primary afferent sprouting was observed after lumbar dorsal column lesions and ChABC treatment, there was no increased connectivity of nociceptive neurons or development of mechanical allodynia or thermal hyperalgesia. Thus, CSPG digestion promotes robust sprouting of spinal projections in degenerating and denervated areas of the spinal cord; compensatory sprouting of descending systems could be a key mechanism underlying functional recovery.

ABSTRACT While neuroimmune interactions are increasingly recognized as important in nociceptive processing, the nature and functional significance of these interactions is not well defined. There are multiple reports that the activation of spinal microglia is a critical event in the generation of neuropathic pain behaviors but the mediators of this activation remain disputed. Here we show that the chemokine CCL2, produced by both damaged and undamaged primary sensory neurons in neuropathic pain states in rats, is released in an activity dependent manner from the central terminals of these fibres. We also demonstrate that intraspinal CCL2 in naïve rats leads to activation of spinal microglia and neuropathic pain‐like behavior. An essential role for spinal CCL2 is demonstrated by the inhibition of neuropathic pain behavior and microglial activation by a specific neutralising antibody to CCL2 administered intrathecally. Thus, the neuronal expression of CCL2 provides a mechanism for immune activation, which in turn regulates the sensitivity of pain signaling systems in neuropathic pain states.

The cytokine interleukin-1β (IL-1β) released by spinal microglia in enhanced response states contributes significantly to neuronal mechanisms of chronic pain. Here we examine the involvement of the purinergic P2X7 receptor in the release of IL-1β following activation of Toll-like receptor-4 (TLR4) in the dorsal horn, which is associated with nociceptive behavior and microglial activation. We observed that lipopolysaccharide (LPS)-induced release of IL-1β was prevented by pharmacological inhibition of the P2X7 receptor with A-438079, and was absent in spinal cord slices taken from P2X7 knock-out mice. Application of ATP did not evoke release of IL-1β from the dorsal horn unless preceded by an LPS priming stimulus, and this release was dependent on P2X7 receptor activation. Extensive phosphorylation of p38 MAPK in microglial cells in the dorsal horn was found to correlate with IL-1β secretion following both LPS and ATP. In behavioral studies, intrathecal injection of LPS in the lumbar spinal cord produced mechanical hyperalgesia in rat hindpaws, which was attenuated by concomitant injections of either a nonspecific (oxidized ATP) or a specific (A-438079) P2X7 antagonist. In addition, LPS-induced hypersensitivity was observed in wild-type but not P2X7 knock-out mice. These data suggest a critical role for the P2X7 receptor in the enhanced nociceptive transmission associated with microglial activation and secretion of IL-1β in the dorsal horn. We suggest that CNS-penetrant P2X7 receptor antagonists, by targeting microglia in pain-enhanced response states, may be beneficial for the treatment of persistent pain.

Abstract Rheumatic diseases are often associated to debilitating chronic joint pain, which remains difficult to treat and requires new therapeutic strategies. Here, we describe increased content of lysophosphatidyl-choline (LPC) 16:0 in the knee synovial fluids of two independent cohorts of patients with painful joint diseases. If LPC16:0 levels correlated with pain in patients with osteoarthritis (OA), they do not appear to be the hallmark of a particular joint disease. We found that intra-articular injections of LPC16:0 in mouse produce chronic pain and anxiety-like behaviors in both males and females with no apparent inflammation, peripheral nerve sprouting and damage, nor bone alterations. LPC16:0-induced persistent pain state is dependent on peripheral Acid-Sensing Ion Channel 3 (ASIC3), ultimately leading to central sensitization. LPC16:0 and ASIC3 thus appear as key players of chronic joint pain with potential implications in OA and possibly across others rheumatic diseases.

ABSTRACT Objective Rheumatoid arthritis is often characterized by eroded joints and chronic pain that outlasts disease activity. Whilst several reports show strong associations between bone resorption and nociception, the underlying mechanisms remain to be unraveled. Here, we used the collagen antibody-induced arthritis (CAIA) model to examine the contribution of osteoclasts in pain regulation. The antinociceptive effects of osteoclasts inhibitors and their mechanisms of actions involving bone vascularization and innervation were also explored. Methods BALB/c female mice were subjected to CAIA by intravenous injection of a collagen type-II antibody cocktail, followed by intraperitoneal injection of lipopolysaccharide. Degree of arthritis, bone resorption, mechanical hypersensitivity, vascularization and innervation in the ankle joint were assessed. Animals were treated with osteoclast inhibitors, zoledronate and cathepsin K inhibitor (T06), and netrin-1 neutralizing antibody. Potential pronociceptive factors were examined in primary osteoclast cultures. Results CAIA induced local bone loss in the calcaneus with ongoing increased osteoclast activity during the inflammatory phase of the model, but not after inflammation has resolved. Mechanical hypersensitivity was reversed by zoledronate in late but not inflammatory phase CAIA. This effect was coupled to the ability of osteoclasts to modulate bone vascularization and innervation, which was inhibited by osteoclast inhibitors. CAIA-induced hypersensitivity in the late phase was also reversed by anti-netrin-1 antibody. Conclusion Osteoclasts induce pain-like behavior in the CAIA model independent of inflammation via effects on bone vascularization and innervation. Key messages What is already known about this subject? Pain and residual signs of erosive lesions are frequently present in rheumatoid arthritis (RA) patients with good disease control Osteoclasts can induce nociceptive signaling but the exact mechanism with respect to RA-induced pain is not clear What does this study add? The pronociceptive actions of osteoclasts extend beyond flares of joint inflammation and erosive activity by increasing bone innervation, bone vascularization and netrin-1 release Osteoclast inhibitors and neutralizing netrin-1 antibodies reverse refractive pain-related behaviors in the collagen antibody-induced arthritis model How might this impact on clinical practice or future developments? This study provides insights to the potential of osteoclast inhibition as a therapeutic strategy for persistent pain in RA

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.