Summary

 The cellular and molecular mechanisms mediating histamine-independent itch in primary sensory neurons are largely unknown. Itch induced by chloroquine (CQ) is a common side effect of this widely used antimalarial drug. Here, we show that Mrgprs, a family of G protein-coupled receptors expressed exclusively in peripheral sensory neurons, function as itch receptors. Mice lacking a cluster of Mrgpr genes display significant deficits in itch induced by CQ but not histamine. CQ directly excites sensory neurons in an Mrgpr-dependent manner. CQ specifically activates mouse MrgprA3 and human MrgprX1. Loss- and gain-of-function studies demonstrate that MrgprA3 is required for CQ responsiveness in mice. Furthermore, MrgprA3-expressing neurons respond to histamine and coexpress gastrin-releasing peptide, a peptide involved in itch sensation, and MrgprC11. Activation of these neurons with the MrgprC11-specific agonist BAM8-22 induces itch in wild-type but not mutant mice. Therefore, Mrgprs may provide molecular access to itch-selective neurons and constitute novel targets for itch therapeutics.

Dorsal root ganglion neurons respond to both painful and itchy stimuli, but whether itch-specific neurons exist was, up until now, unknown. Here the authors describe a group of MrgprA3-expressing neurons that innervate the superficial layers of the skin and selectively sense itch. Itch-specific neurons have been sought for decades. The existence of such neurons has been doubted recently as a result of the observation that itch-mediating neurons also respond to painful stimuli. We genetically labeled and manipulated MrgprA3+ neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and found that they exclusively innervated the epidermis of the skin and responded to multiple pruritogens. Ablation of MrgprA3+ neurons led to substantial reductions in scratching evoked by multiple pruritogens and occurring spontaneously under chronic itch conditions, whereas pain sensitivity remained intact. Notably, mice in which TRPV1 was exclusively expressed in MrgprA3+ neurons exhibited itch, but not pain, behavior in response to capsaicin. Although MrgprA3+ neurons were sensitive to noxious heat, activation of TRPV1 in these neurons by noxious heat did not alter pain behavior. These data suggest that MrgprA3 defines a specific subpopulation of DRG neurons mediating itch. Our study opens new avenues for studying itch and developing anti-pruritic therapies.

Joint pain is the defining symptom of osteoarthritis (OA) but its origin and mechanisms remain unclear. Here, we investigated an unprecedented role of osteoclast-initiated subchondral bone remodeling in sensory innervation for OA pain. We show that osteoclasts secrete netrin-1 to induce sensory nerve axonal growth in subchondral bone. Reduction of osteoclast formation by knockout of receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (Rankl) in osteocytes inhibited the growth of sensory nerves into subchondral bone, dorsal root ganglion neuron hyperexcitability, and behavioral measures of pain hypersensitivity in OA mice. Moreover, we demonstrated a possible role for netrin-1 secreted by osteoclasts during aberrant subchondral bone remodeling in inducing sensory innervation and OA pain through its receptor DCC (deleted in colorectal cancer). Importantly, knockout of Netrin1 in tartrate-resistant acid phosphatase-positive (TRAP-positive) osteoclasts or knockdown of Dcc reduces OA pain behavior. In particular, inhibition of osteoclast activity by alendronate modifies aberrant subchondral bone remodeling and reduces innervation and pain behavior at the early stage of OA. These results suggest that intervention of the axonal guidance molecules (e.g., netrin-1) derived from aberrant subchondral bone remodeling may have therapeutic potential for OA pain.

Certain types of nonpsychoactive cannabinoids can potentiate glycine receptors (GlyRs), an important target for nociceptive regulation at the spinal level. However, little is known about the potential and mechanism of glycinergic cannabinoids for chronic pain treatment. We report that systemic and intrathecal administration of cannabidiol (CBD), a major nonpsychoactive component of marijuana, and its modified derivatives significantly suppress chronic inflammatory and neuropathic pain without causing apparent analgesic tolerance in rodents. The cannabinoids significantly potentiate glycine currents in dorsal horn neurons in rat spinal cord slices. The analgesic potency of 11 structurally similar cannabinoids is positively correlated with cannabinoid potentiation of the α3 GlyRs. In contrast, the cannabinoid analgesia is neither correlated with their binding affinity for CB1 and CB2 receptors nor with their psychoactive side effects. NMR analysis reveals a direct interaction between CBD and S296 in the third transmembrane domain of purified α3 GlyR. The cannabinoid-induced analgesic effect is absent in mice lacking the α3 GlyRs. Our findings suggest that the α3 GlyRs mediate glycinergic cannabinoid-induced suppression of chronic pain. These cannabinoids may represent a novel class of therapeutic agents for the treatment of chronic pain and other diseases involving GlyR dysfunction.

Whether sensory nerve can sense bone density or metabolic activity to control bone homeostasis is unknown. Here we found prostaglandin E2 (PGE2) secreted by osteoblastic cells activates PGE2 receptor 4 (EP4) in sensory nerves to regulate bone formation by inhibiting sympathetic activity through the central nervous system. PGE2 secreted by osteoblasts increases when bone density decreases as demonstrated in osteoporotic animal models. Ablation of sensory nerves erodes the skeletal integrity. Specifically, knockout of the EP4 gene in the sensory nerves or cyclooxygenase-2 (COX2) in the osteoblastic cells significantly reduces bone volume in adult mice. Sympathetic tone is increased in sensory denervation models, and propranolol, a β2-adrenergic antagonist, rescues bone loss. Furthermore, injection of SW033291, a small molecule to increase PGE2 level locally, significantly boostes bone formation, whereas the effect is obstructed in EP4 knockout mice. Thus, we show that PGE2 mediates sensory nerve to control bone homeostasis and promote regeneration.

Abstract Pathogenic variations in the NTRK1 can cause congenital insensitivity to pain with anhidrosis (CIPA), a rare autosomal recessive inherited neuropathy. The precise diagnosis of CIPA relies on the identification of pathogenic genotypes. Therefore, it is essential to expand the NTRK1 variation spectrum and improve molecular diagnosis methods. In this study, 74 probands with typical manifestations of CIPA but unknown genotypes were recruited. A comprehensive molecular genetic analysis was performed to identify variations in the NTRK1 , using techniques including Sanger and next-generation sequencing, bioinformatic analysis, quantitative polymerase chain reaction (qPCR), gap-PCR, short tandem repeat (STR) genotyping, and reverse-transcription PCR. In addition, functional assays were conducted to determine the pathogenicity of variants of uncertain significance (VUS) and further characterized changes in glycosylation and phosphorylation of 14 overexpressed mutant vectors with variants at different domains in the TrkA protein, which is encoded by NTRK1 . A total of 48 variations in the NTRK1 were identified, including 22 novel ones. When combined with data from another 53 CIPA patients examined in our previous work, this study establishes the largest genotypic and phenotypic spectra of CIPA worldwide, including 127 CIPA families. Moreover, functional studies indicated that the pathogenicity of VUS mainly affected insufficient glycosylation in the extracellular domain and abnormal phosphorylation in the intracellular domain. This study not only provides important evidence for precise diagnosis of CIPA but also further enriches our understanding of the pathogenesis of this disease.

Abstract Pain after surgery causes significant suffering. Opioid analgesics cause severe side effects and accidental death. Therefore, there is an urgent need to develop non-opioid therapies for managing post-surgical pain. Local application of Clarix Flo (FLO), a human amniotic membrane (AM) product, attenuated established post-surgical pain hypersensitivity without exhibiting known side effects of opioid use in mice. This effect was achieved through direct inhibition of nociceptive dorsal root ganglion (DRG) neurons via CD44-dependent pathways. We further purified the major matrix component, the heavy chain-hyaluronic acid/pentraxin 3 (HC-HA/PTX3) from human AM that has greater purity and water solubility than FLO. HC-HA/PTX3 replicated FLO-induced neuronal and pain inhibition. Mechanistically, HC-HA/PTX3 induced cytoskeleton rearrangements to inhibit sodium current and high-voltage activated calcium current on nociceptive neurons, suggesting it is a key bioactive component mediating pain relief. Collectively, our findings highlight the potential of naturally derived biologics from human birth tissues as an effective non-opioid treatment for post-surgical pain and unravel the underlying mechanisms.

Abstract Chronic pain is a significant public health issue that is often refractory to existing therapies. Here we use a multiomic approach to identify cis-regulatory elements that show differential chromatin accessibility, and reveal transcription factor (TF) binding motifs with functional regulation in the dorsal root ganglion (DRG), which contain cell bodies of primary sensory neurons, after nerve injury. We integrated RNA-seq to understand how differential chromatin accessibility after nerve injury may influence gene expression. Using TF protein arrays and chromatin immunoprecipitation-qPCR, we confirmed C/EBPγ binding to a differentially accessible sequence and used RNA-seq to identify processes in which C/EBPγ plays an important role. Our findings offer insights into TF motifs that are associated with chronic pain. These data show how interactions between chromatin landscapes and TF expression patterns may work together to determine gene expression programs in DRG neurons after nerve injury.

Following peripheral nerve injury, extracellular ATP-mediated purinergic signaling is crucial for spinal cord microglia activation and neuropathic pain. However, the mechanisms of ATP release remain poorly understood. Here, we show that volume-regulated anion channel (VRAC) is an ATP-releasing channel and is activated by inflammatory mediator sphingosine-1-phosphate (S1P) in microglia. Mice with microglia-specific deletion of Swell1 (also known as Lrrc8a), a VRAC essential subunit, had reduced peripheral nerve injury-induced increase in extracellular ATP in spinal cord. The mutant mice also exhibited decreased spinal microgliosis, dorsal horn neuronal hyperactivity, and both evoked and spontaneous neuropathic pain-like behaviors. We further performed high-throughput screens and identified an FDA-approved drug dicumarol as a novel and potent VRAC inhibitor. Intrathecal administration of dicumarol alleviated nerve injury-induced mechanical allodynia in mice. Our findings suggest that ATP-releasing VRAC in microglia is a key spinal cord determinant of neuropathic pain and a potential therapeutic target for this debilitating disease.