Abstract Ongoing pain is often driven by direct activation of pain-sensing neurons and neuroimmune mediated sensitization. These heightened states of pain alter physiology, reduce motor function, and alter motivation to engage in normal behaviors. The complexity of the pain state has evaded a comprehensive definition, especially in nonverbal animals. Here in mice, we capture the physiological state of sensitized pain neurons at different time points post-inflammation and used computational tools to automatically map behavioral signatures of evoked and spontaneous displays of pain. First, retrograde labeling coupled with electrophysiology of neurons innervating the site of localized inflammation defined critical time points of pain sensitization. Next, we used high-speed videography combined with supervised and unsupervised machine learning tools and uncovered sensory-evoked defensive coping postures to pain. Using 3D pose analytics inspired by natural language processing, we identify movement sequences that correspond to robust representations of ongoing pain states. Surprisingly, with this analytical framework, we find that a commonly used anti-inflammatory painkiller does not return an animal’s behavior back to a pre-injury state. Together, these findings reveal the previously unidentified signatures of pain and analgesia at timescales when inflammation induces heightened pain states.

Injury of the tooth pulp is excruciatingly painful and yet the receptors and neural circuit mechanisms that transmit this form of pain remain poorly defined in both the clinic and preclinical rodent models. Easily quantifiable behavioral assessment in the rodent orofacial area remains a major bottleneck in uncovering molecular mechanisms that govern inflammatory pain in the tooth. Here we use a dental pulp injury model in the mouse and expose the tooth pulp to the outside environment, a procedure we have previously shown produces pulpal inflammation. We demonstrate here with RNAscope technology in the trigeminal ganglion of injured mice, an upregulation of genes that contribute to the inflammatory pain state. Using both evoked and spontaneous measures of pain in the orofacial area, including application of von Frey Hair filaments and pain feature detection with the mouse grimace scale, we reveal a differential timeline of induction of spontaneous pain versus mechanical allodynia following pulpal injury. This work demonstrates that tooth pain can be easily assessed in freely behaving mice using approaches common for other types of pain assessment. Harnessing these assays in the orofacial area during gene manipulation should assist in uncovering mechanisms for tooth pulp inflammation and other forms of trigeminal pain.

Withdrawal Statement The authors have withdrawn this manuscript owing to inaccuracies in the calculation of tuft cell numbers and errors in the selection of immunofluorescence images used to support our claims. Therefore, the authors do not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.

ABSTRACT Co‐evolutionary adaptation of hookworms with their mammalian hosts has been selected for immunoregulatory excretory/secretory (E/S) products. However, it is not known whether, or if so, how host immunological status impacts the secreted profile of hematophagous adult worms. This study interrogated the impact of host Signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6) expression during the experimental evolution of hookworms through the sequential passage of the life cycle in either STAT6 deficient or WT C57BL/6 mice. Proteomic analysis of E/S products by LC–MS showed increased abundance of 15 proteins, including myosin‐3, related to muscle function, and aconitate hydratase, related to iron homeostasis. However, most E/S proteins (174 of 337 unique identities) were decreased, including those in the Ancylostoma ‐secreted protein (ASP) category, and metallopeptidases. Several identified proteins are established immune‐modulators such as fatty acid‐binding protein homologue, cystatin, and acetylcholinesterase. Enrichment analysis of InterPro functional categories showed down‐regulation of Cysteine‐rich secretory proteins, Antigen 5, and Pathogenesis‐related 1 proteins (CAP), Astacin‐like metallopeptidase, Glycoside hydrolase, and Transthyretin‐like protein groups in STAT6 KO‐adapted worms. Taken together, these data indicate that in an environment lacking Type 2 immunity, hookworms alter their secretome by reducing immune evasion proteins‐ and increasing locomotor‐ and feeding‐associated proteins.

Abstract Helminth infections, including hookworms and Schistosomes, can cause severe disability and death. Infection management and control would benefit from identification of biomarkers for early detection and prognosis. While animal models suggest that Trefoil Factor Family proteins (TFF2 and TFF3) and interleukin-33 (IL-33) -driven type 2 immune responses are critical mediators of tissue repair and worm clearance in the context of hookworm infection, very little is known about how they are modulated in the context of human helminth infection. We measured TFF2, TFF3, and IL-33 levels in serum from patients in Brazil infected with Hookworm and/or Schistosomes, and compared them to endemic and non-endemic controls. TFF2 was specifically elevated by Hookworm infection, not Schistosoma or co-infection. This elevation was more strongly correlated with age than with worm burden. To determine if this might apply more broadly to other species or regions, we measured TFFs and cytokine levels in both the serum and urine of Nigerian school children infected with S. haematobium . We found that serum levels of TFF2 and 3 were reduced by infection, but urine cytokine levels were increased (IL-1β, TNFα, IL-13, and IL-10). Finally, to determine if TFF2 and 3 might have immunosuppressive effects, we treated stimulated or unstimulated PMBCs with recombinant human TFF2 or TFF3 and measured proinflammatory cytokine levels. We found that rhTFF2, but not rhTFF3, was able to suppress TNF alpha and IFN gamma release from stimulated human PMBCs. Taken together, these data support a role for TFF proteins in human helminth infection. Author Summary Billions of people are infected with parasitic helminths across the globe, especially in resource poor regions. These infections can result in severe developmental delay, disability, and death. Adequate management of helminth infection would benefit from the identification of host biomarkers in easily obtained samples (e.g. serum or urine) that correlate to infection state. Our goal was to determine if specific proteins involved in tissue repair and immune modulation are altered by infection with specific helminth species in Brazil (hookworm) or Nigeria (blood fluke). One of these proteins, Trefoil Factor 2 (TFF2), was elevated in the serum of hookworm infected individuals, and decreased in the serum of blood fluke infected children. In the blood fluke-infected children, there were also significant increases in pro-inflammatory cytokines in the urine, where the eggs burst from host tissue. Further, in laboratory experiments, Trefoil Factor 2 reduced the release of pro-inflammatory cytokines from human blood cells. This suggests that at high levels TFF2 may suppress inflammation and could serve as a biomarker for infection or treatment efficacy.