Tonic pain has been difficult to demonstrate in animals. Because relief of pain is rewarding, analgesic agents that are not rewarding in the absence of pain should become rewarding only when there is ongoing pain. We used conditioned place preference to concomitantly determine the presence of tonic pain in rats and the efficacy of agents that relieve it. This provides a new approach for investigating tonic pain in animals and for evaluating the analgesic effects of drugs.

CB(2) cannabinoid receptor-selective agonists are promising candidates for the treatment of pain. CB(2) receptor activation inhibits acute, inflammatory, and neuropathic pain responses but does not cause central nervous system (CNS) effects, consistent with the lack of CB(2) receptors in the normal CNS. To date, there has been virtually no information regarding the mechanism of CB(2) receptor-mediated inhibition of pain responses. Here, we test the hypothesis that CB(2) receptor activation stimulates release from keratinocytes of the endogenous opioid beta-endorphin, which then acts at opioid receptors on primary afferent neurons to inhibit nociception. The antinociceptive effects of the CB(2) receptor-selective agonist AM1241 were prevented in rats when naloxone or antiserum to beta-endorphin was injected in the hindpaw where the noxious thermal stimulus was applied, suggesting that beta-endorphin is necessary for CB(2) receptor-mediated antinociception. Further, AM1241 did not inhibit nociception in mu-opioid receptor-deficient mice. Hindpaw injection of beta-endorphin was sufficient to produce antinociception. AM1241 stimulated beta-endorphin release from rat skin tissue and from cultured human keratinocytes. This stimulation was prevented by AM630, a CB(2) cannabinoid receptor-selective antagonist and was not observed in skin from CB(2) cannabinoid receptor-deficient mice. These data suggest that CB(2) receptor activation stimulates release from keratinocytes of beta-endorphin, which acts at local neuronal mu-opioid receptors to inhibit nociception. Supporting this possibility, CB(2) immunolabeling was detected on beta-endorphin-containing keratinocytes in stratum granulosum throughout the epidermis of the hindpaw. This mechanism allows for the local release of beta-endorphin, where CB(2) receptors are present, leading to anatomical specificity of opioid effects.

We designed AM1241, a selective CB 2 cannabinoid receptor agonist, and used it to test the hypothesis that CB 2 receptor activation would reverse the sensory hypersensitivity observed in neuropathic pain states. AM1241 exhibits high affinity and selectivity for CB 2 receptors. It also exhibits high potency in vivo . AM1241 dose-dependently reversed tactile and thermal hypersensitivity produced by ligation of the L5 and L6 spinal nerves in rats. These effects were selectively antagonized by a CB 2 but not by a CB 1 receptor antagonist, suggesting that they were produced by actions of AM1241 at CB 2 receptors. AM1241 was also active in blocking spinal nerve ligation-induced tactile and thermal hypersensitivity in mice lacking CB 1 receptors (CB 1 -/- mice), confirming that AM1241 reverses sensory hypersensitivity independent of actions at CB 1 receptors. These findings demonstrate a mechanism leading to the inhibition of pain, one that targets receptors localized exclusively outside the CNS. Further, they suggest the potential use of CB 2 receptor-selective agonists for treatment of human neuropathic pain, a condition currently without consistently effective therapies. CB 2 receptor-selective agonist medications are predicted to be without the CNS side effects that limit the effectiveness of currently available medications.

Neuropathic pain is a debilitating chronic syndrome that often arises from injuries to peripheral nerves. Such pain has been hypothesized to be the result of an aberrant expression and function of sodium channels at the site of injury. Here, we show that intrathecal administration of specific antisense oligodeoxynucleotides (ODN) to the peripheral tetrodotoxin (TTX)-resistant sodium channel, NaV1.8, resulted in a time-dependent uptake of the ODN by dorsal root ganglion (DRG) neurons, a selective "knock-down" of the expression of NaV1.8, and a reduction in the slow-inactivating, TTX-resistant sodium current in the DRG cells. The ODN treatment also reversed neuropathic pain induced by spinal nerve injury, without affecting non-noxious sensation or response to acute pain. These data provide direct evidence linking NaV1.8 to neuropathic pain. As NaV1.8 expression is restricted to sensory neurons, this channel offers a highly specific and effective molecular target for the treatment of neuropathic pain.

Cannabinoid receptor agonists diminish responses to painful stimuli. Extensive evidence implicates the CB(1) receptor in the production of antinociception. However, the capacity of CB(2) receptors, which are located outside the central nervous system (CNS), to produce antinociception is not known. Using AM1241, a CB(2) receptor-selective agonist, we demonstrate that CB(2) receptors produce antinociception to thermal stimuli. Injection of AM1241 in the hindpaw produced antinociception to a stimulus applied to the same paw. Injection of an equivalent dose of AM1241 into the paw contralateral to the side of testing did not. The antinociceptive actions of AM1241 were blocked by the CB(2) receptor-selective antagonist AM630, but not by the CB(1) receptor-selective antagonist AM251. AM1241 also produced antinociception when injected systemically (intraperitoneally). The antinociceptive actions of systemic AM1241 were blocked by injection of AM630 into the paw where the thermal stimulus was applied, but not the contralateral paw. These findings demonstrate the local, peripheral nature of CB(2) cannabinoid antinociception. AM1241 did not produce the CNS cannabinoid effects of hypothermia, catalepsy, inhibition of activity or impaired ambulation, while this tetrad of effects was produced by the mixed CB(1)/CB(2) receptor agonist WIN55,212-2. Peripheral antinociception without CNS effects is consistent with the peripheral distribution of CB(2) receptors. CB(2) receptor agonists may have promise clinically for the treatment of pain without CNS cannabinoid side effects.

A comparison was made of the spontaneous nociceptive behaviors elicited by s.c. injection into the rat hind paw of the following 8 irritants: acetic acid, carrageenan, formalin, kaolin, platelet-activating factor, mustard oil (given topically), serotonin, and yeast. Two distinct quantifiable behaviors indicative of pain were identified: flinching/shaking of the paw and hindquarters and licking/biting of the injected paw. These behaviors were prolonged and intense after formalin and acetic acid. Formalin-induced flinching was biphasic across time, a finding potentially useful for the study of both acute and tonic pain. Of the remaining test agents, only yeast caused significant spontaneous behavioral activity, which was of low intensity but long duration. Different time-courses for nociceptive behavior and development of edema were demonstrated for formalin, acetic acid and yeast. It is therefore unlikely that these endpoints are causally related. Overall, the present data strongly support the use of formalin as a noxious stimulus in tonic pain research.

Patients with chronic pain experience spontaneous or ongoing pain as well as enhanced sensitivity to evoked stimuli. Spontaneous or ongoing pain is rarely evaluated in preclinical studies. In fact, it remains controversial whether ongoing or spontaneous pain even develops in mice after tissue or nerve injury. This study tested a hypothesis that negative reinforcement can be used to unmask the presence of pain in mice with tissue or nerve injury. We found that spinal administration of clonidine or lidocaine did not elicit conditioned place preference (CPP) in uninjured or sham-operated mice. However, these agents produced CPP in mice with chronic inflammation induced by complete Freund's adjuvant (CFA) or following L5/L6 spinal nerve ligation (SNL). These data indicate the presence of non-evoked (ie, stimulus-independent) ongoing pain in mice with chronic inflammation (CFA) or following nerve injury (SNL). In addition, this study validates the use of negative reinforcement to unmask non-evoked ongoing pain in mice. Given the existence of a large collection of transgenic and knockout mice, our data show the application of this approach to elucidate molecular mechanisms underlying non-evoked pain and to contribute to drug discovery for pain.We demonstrated the presence of non-evoked ongoing pain in mice with chronic inflammation or following nerve injury. The study also validates the use of negative reinforcement to unmask non-evoked pain in mice. We propose to apply this approach to identify molecular mechanisms and effective drugs for chronic pain.

Abstract The prevalence of many pain conditions often differs between sexes. In addition to such quantitative distinctions, sexual dimorphism may also be qualitative reflecting differences in mechanisms that promote pain in men and women. A major factor that influences the likelihood of pain perception is the threshold for activation of nociceptors. Peripheral nociceptor sensitization has been demonstrated to be clinically relevant in many pain conditions. Whether peripheral nociceptor sensitization can occur in a sexually dimorphic fashion, however, has not been extensively studied. To address this fundamental knowledge gap, we used patch clamp electrophysiology to evaluate the excitability of dorsal root ganglion neurones from male or female rodents, non-human primates, and humans following exposure to putative sensitizing agents. Previous studies from our laboratory, and others, have shown that prolactin promotes female-selective pain responses in rodents. Consistent with these observations, dorsal root ganglion neurones from female, but not male, mice were selectively sensitized by exposure to prolactin. The sensitizing action of prolactin was also confirmed in dorsal root ganglion neurones from a female macaque monkey. Critically, neurones recovered from female, but not male, human donors were also selectively sensitized by prolactin. In the course of studies of sleep and pain, we unexpectedly observed that an orexin antagonist could normalize pain responses in male animals. We found that orexin B produced sensitization of male, but not female, mouse, macaque, and human dorsal root ganglion neurones. Consistent with functional responses, increased prolactin receptor and orexin receptor 2 expression was observed in female and male mouse dorsal root ganglia, respectively. Immunohistochemical interrogation of cultured human sensory neurones and whole dorsal root ganglia also suggested increased prolactin receptor expression in females and orexin receptor 2 expression in males. These data reveal a functional double dissociation of nociceptor sensitization by sex, which is conserved across species and is likely directly relevant to human pain conditions. To our knowledge, this is the first demonstration of functional sexual dimorphism in human sensory neurones. Patient sex is currently not a common consideration for the choice of pain therapy. Precision medicine, based on patient sex could improve therapeutic outcomes by selectively targeting mechanisms promoting pain in women or men. Additional implications of these findings are that the design of clinical trials for pain therapies should consider the proportions of male or female patients enrolled. Lastly, re-examination of selected past failed clinical trials with subgroup analysis by sex may be warranted.

Abstract Pyramidal neurons in the anterior cingulate cortex (ACC), a prefrontal region involved in processing the affective components of pain, display hyperexcitability in chronic neuropathic conditions and their silencing abolishes hyperalgesia in rodents. We show here that dopamine, through D1-like receptor signaling, inhibits layer 2/3 pyramidal neurons of mouse ACC. Hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channels control the firing activity of these pyramidal neurons. Through Gs-coupled D1-like receptors, dopamine induces the opening of HCN channels at physiological membrane potentials, driving a significant decrease in input resistance and excitability. Systemic L-DOPA rescues HCN channel activity, pyramidal excitability in ACC as well as sensory phenotype in neuropathic mice while microinjection of a selective D1-like agonist in ACC induces relief of ongoing pain in neuropathic animals. We conclude that decreased dopaminergic inhibition in ACC plays a critical role in an abnormal top-down modulation leading to neuropathic pain.

Abstract Paraneoplastic neurological syndromes arise from autoimmune reactions against nervous system antigens due to a maladaptive immune response to a peripheral cancer. Patients with small cell lung carcinoma or malignant thymoma can develop an autoimmune response against the CV2/collapsin response mediator protein 5 (CRMP5) antigen. For reasons that are not understood, approximately 80% of patients experience painful neuropathies. Here, we investigated the mechanisms underlying anti-CV2/CRMP5 autoantibodies (CV2/CRMP5-Abs)-related pain. We found that patient-derived CV2/CRMP5-Abs can bind to their target in rodent dorsal root ganglia (DRG) and superficial laminae of the spinal cord. CV2/CRMP5-Abs induced DRG neuron hyperexcitability and mechanical hypersensitivity in rats that were abolished by preventing binding to their cognate autoantigen CRMP5. The effect of CV2/CRMP5-Abs on sensory neuron hyperexcitability and mechanical hypersensitivity observed in patients was recapitulated in rats using genetic immunization providing an approach to rapidly identify possible therapeutic choices for treating autoantibody-induced pain including the repurposing of a monoclonal anti-CD20 antibody that selectively deplete B-lymphocytes. These data reveal a previously unknown neuronal mechanism of neuropathic pain in patients with paraneoplastic neurological syndromes resulting directly from CV2/CRMP5-Abs-induced nociceptor excitability. CV2/CRMP5-Abs directly sensitize pain responses by increasing sensory neuron excitability and strategies aiming at either blocking or reducing CV2/CRMP5-Abs can treat pain as a comorbidity in patients with paraneoplastic neurological syndromes.