ABSTRACT Patients with densely innervated tumors do poorly as compared to those with sparsely innervated disease. Why some tumors heavily recruit nerves while others do not, remains unknown as does the functional contribution of tumor-infiltrating nerves to cancer. Moreover, while patients receive chemotherapeutic treatment, whether these drugs affect nerve recruitment has not been tested. Using a murine model of ovarian cancer, we show that tumor-infiltrating sensory nerves potentiate tumor growth, decrease survival, and contribute to treatment resistance. Furthermore, matched patient samples show significantly increased tumor innervation following chemotherapy. In vitro analysis of tumor-released extracellular vesicles (sEVs) shows they harbor neurite outgrowth activity. These data suggest that chemotherapy may alter sEV cargo, endowing it with robust nerve recruiting capacity.

ABSTRACT Nociceptor neurons play a crucial role in maintaining the body’s equilibrium by detecting and responding to potential dangers in the environment. However, this function can be detrimental during allergic reactions, since vagal nociceptors can contribute to immune cell infiltration, bronchial hypersensitivity, and mucus imbalance, in addition to causing pain and coughing. Despite this, the specific mechanisms by which nociceptors acquire pro-inflammatory characteristics during allergic reactions are not yet fully understood. In this study, we aimed to investigate the molecular profile of airway nociceptor neurons during allergic airway inflammation and identify the signals driving such reprogramming. Using retrograde tracing and lineage reporting, we identified a class of inflammatory vagal nociceptor neurons that exclusively innervate the airways. Using an ovalbumin mouse model of airway inflammation, we found that these neurons undergo significant reprogramming characterized by the upregulation of the NPY receptor Npy1r , along with Il6 . A screening of asthma-driving cytokines revealed that IL-13 drives part of this reprogramming, including Npy1r overexpression via the JAK/STAT6 pathway, while IL-1β induces IL-6 expression and release. Additionally, we observed that sympathetic neurons release NPY in the bronchoalveolar fluid of asthmatic mice, which limits the excitability of nociceptor neurons. In summary, allergic airway inflammation reprograms airway nociceptor neurons to acquire a pro-inflammatory phenotype, characterized by the release of IL-6, while a compensatory mechanism involving NPY1R limits nociceptor neurons’ activity.

Although multiple diseases of the respiratory system cause cough, there are few effective treatments for this common condition. We previously developed a strategy to treat pain and itch via the long-lasting inhibition of nociceptor sensory neurons with QX-314, a cationic sodium channel blocker that selectively enters only into activated nociceptors by permeating through the endogenous TRPV1 and TRPA1 large pore ion channels they express. In this study we design and characterize BW-031, a novel cationic compound with ~6-fold greater potency than QX-314 for inhibiting sodium channels when introduced inside cells and with minimal extracellular activity. We show that inhalation of aerosolized BW-031 effectively inhibits citric acid-induced cough in an allergic inflammation guinea pig cough model. These data support the use of charged sodium channel blockers for the selective inhibition of airway sensory neurons with activated large pore channels as a novel targeted therapy for treating cough.

Cancer patients often experience changes in mental health, prompting an exploration into whether nerves infiltrating tumors contribute to these alterations by impacting brain functions. Using a male mouse model for head and neck cancer, we utilized neuronal tracing techniques and show that tumor-infiltrating nerves indeed connect to distinct brain areas via the ipsilateral trigeminal ganglion. The activation of this neuronal circuitry led to behavioral alterations represented by decreased nest-building, increased latency to eat a cookie, and reduced wheel running. Tumor-infiltrating nociceptor neurons exhibited heightened activity, as indicated by increased calcium mobilization. Correspondingly, the specific brain regions receiving these neural projections showed elevated cFos and delta FosB expression in tumor-bearing mice, alongside markedly intensified calcium responses compared to non-tumor-bearing counterparts. The genetic elimination of nociceptor neurons in tumor-bearing mice led to decreased brain Fos expression and mitigated the behavioral alterations induced by the presence of the tumor. While antalgic treatment successfully restored behaviors involving oral movements to normalcy in tumor-bearing mice, it did not have a similar therapeutic effect on voluntary wheel running. This discrepancy points towards an intricate relationship, where pain is not the exclusive driver of such behavioral shifts. Unraveling the interaction between the tumor, infiltrating nerves, and the brain is pivotal to developing targeted interventions to alleviate the mental health burdens associated with cancer.

Nociceptor neurons impact tumor immunity. Removing nociceptor neurons reduced myeloid-derived suppressor cell (MDSCs) tumor infiltration in mouse models of head and neck carcinoma and melanoma. Carcinoma-released small extracellular vesicles (sEVs) attract nociceptive nerves to tumors. sEV-deficient tumors fail to develop in mice lacking nociceptor neurons. Exposure of dorsal root ganglia (DRG) neurons to cancer sEVs elevated expression of Substance P, IL-6 and injury-related neuronal markers while treatment with cancer sEVs and cytotoxic CD8 T-cells induced an immunosuppressive state (increased exhaustion ligands and cytokines). Cancer patient sEVs enhanced DRG responses to capsaicin, indicating increased nociceptor sensitivity. Conditioned media from DRG and cancer cell co-cultures promoted expression of MDSC markers in primary bone marrow cells while DRG conditioned media together with cancer sEVs induced checkpoint expression on T-cells. Our findings indicate that nociceptor neurons facilitate CD8+ T cell exhaustion and enhance MDSC infiltration. Targeting nociceptor-released IL-6 emerges as a novel strategy to disrupt harmful neuro-immune interactions in cancer and enhance anti-tumor immunity.

ABSTRACT The immune and sensory nervous systems, having evolved together, use a shared language of receptors and transmitters to maintain homeostasis by responding to external and internal disruptions. Although beneficial in many cases, neurons can exacerbate inflammation during allergic reactions, such as asthma. Our research modeled asthma aggravated by pollution, exposing mice to ambient PM 2.5 particles and ovalbumin. This exposure significantly increased bronchoalveolar lavage fluid neutrophils and γδ T cells compared to exposure to ovalbumin alone. We normalized airway inflammation and lung neutrophil levels by silencing nociceptor neurons at inflammation’s peak using intranasal QX-314 or ablating TRPV1-expressing neurons. Additionally, we observed heightened sensitivity in chemical-sensing TRPA1 channels in neurons from pollution-exacerbated asthmatic mice. Elevated levels of artemin were detected in the bronchoalveolar lavage fluid from pollution-exposed mice, with artemin levels normalizing in mice with ablated nociceptor neurons. Upon exposure PM 2.5 particles, alveolar macrophages expressing pollution-sensing aryl hydrocarbon receptors, were identified as the source of artemin. This molecule enhanced TRPA1 responsiveness and increased neutrophil influx, providing a novel mechanism by which lung-innervating neurons respond to air pollution and suggesting a potential therapeutic target for controlling neutrophilic airway inflammation in asthma, a clinically intractable condition.

Cancer patients often experience changes in mental health, prompting an exploration into whether nerves infiltrating tumors contribute to these alterations by impacting brain functions. Using a mouse model for head and neck cancer and neuronal tracing, we show that tumor-infiltrating nerves connect to distinct brain areas. The activation of this neuronal circuitry altered behaviors (decreased nest-building, increased latency to eat a cookie, and reduced wheel running). Tumor-infiltrating nociceptor neurons exhibited heightened calcium activity and brain regions receiving these neural projections showed elevated Fos as well as increased calcium responses compared to non-tumor-bearing counterparts. The genetic elimination of nociceptor neurons decreased brain Fos expression and mitigated the behavioral alterations induced by the presence of the tumor. While analgesic treatment restored nesting and cookie test behaviors, it did not fully restore voluntary wheel running indicating that pain is not the exclusive driver of such behavioral shifts. Unraveling the interaction between the tumor, infiltrating nerves, and the brain is pivotal to developing targeted interventions to alleviate the mental health burdens associated with cancer.

Abstract Background The Accum ® platform was initially designed to accumulate biomedicines in target cells by inducing endosomal-to-cytosol escape. Interestingly however, the use of unconjugated Accum ® was observed to trigger cell death in a variety of cancer cell lines; a property further exploited in the development of Accum ® -based anti-cancer therapies. Despite the impressive pro-killing abilities of the parent molecule, some cancer cell lines exhibited resistance. This prompted us to test additional Accum ® variants, which led to the identification of the AccuTOX ® molecule. Methods A series of flow-cytometry and cell-based assays were used to assess the pro-killing properties of AccuTOX ® along with its ability to trigger the production of reactive oxygen species (ROS), endosomal breaks and antigen presentation. RNA-seq was also conducted to pinpoint the most prominent processes modulated by AccuTOX ® treatment in EL4 T-cell lymphoma. Finally, the therapeutic potency of intratumorally-injected AccuTOX ® was evaluated in three different murine solid tumor models (EL4, E0771 and B16) both as a monotherapy or in combination with three immune-checkpoint inhibitors (ICI). Results In total, 7 Accum ® variants were screened for their ability to induce complete cell death in 3 murine (EL4, B16 and E0771) and 3 human (MBA-MD-468, A549, and H460) cancer cell lines of different origins. The selected compound (hereafter refereed to as AccuTOX ® ) displayed an improved killing efficiency (~ 5.5 fold compared to the parental Accum ® ), while retaining its ability to trigger immunogenic cell death, ROS production, and endosomal breaks. Moreover, transcriptomic analysis revealed that low dose AccuTOX ® enhances H2-K b cell surface expression as well as antigen presentation in cancer cells. The net outcome culminates in impaired T-cell lymphoma, breast cancer and melanoma growth in vivo especially when combined with anti-CD47, anti-CTLA-4 or anti-PD-1 depending on the animal model. Conclusions AccuTOX ® exhibits enhanced cancer killing properties, retains all the innate characteristics displayed by the parental Accum ® molecule, and synergizes with various ICI in controlling tumor growth. These observations will certainly pave the path to continue the clinical development of this lead compound against multiple solid tumor indications. Graphical Abstract