Abstract Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN) is a dose-limiting adverse event associated with treatment with paclitaxel and other chemotherapeutic agents. The prevention and treatment of CIPN are limited by a lack of understanding of the molecular mechanisms underlying this toxicity. In the current study, a human induced pluripotent stem cell–derived sensory neuron (iPSC-SN) model was developed for the study of chemotherapy-induced neurotoxicity. The iPSC-SNs express proteins characteristic of nociceptor, mechanoreceptor and proprioceptor sensory neurons and show Ca 2+ influx in response to capsaicin, α,β-meATP and glutamate. iPSC-SNs are relatively resistant to the cytotoxic effects of paclitaxel, with IC 50 values of 38.1 μM (95% CI: 22.9 – 70.9 μM) for 48 hr exposure and 9.3 μM (95% CI: 5.7 – 16.5 μM) for 72 hr treatment. Paclitaxel causes dose- and time-dependent changes in neurite network complexity detected by βIII-tubulin staining and high content imaging. The IC 50 for paclitaxel reduction of neurite area was 1.4 μ M (95% CI: 0.3 - 16.9 μ M) for 48 hr exposure and 0.6 μ M (95% CI: 0.09 - 9.9 μ M) for 72 hr exposure. Decreased mitochondrial membrane potential, slower movement of mitochondria down the neurites and changes in glutamate-induced neuronal excitability were also observed with paclitaxel exposure. The iPSC-SNs were also sensitive to docetaxel, vincristine and bortezomib. Collectively, these data support the use of iPSC-SNs for detailed mechanistic investigations of genes and pathways implicated in chemotherapy-induced neurotoxicity and the identification of novel therapeutic approaches for its prevention and treatment.

Abstract Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN) constitutes a significant health problem due to the increasing prevalence and the lack of therapies for treatment and prevention. Patients with CIPN primarily present with sensory symptoms, such as sensory disturbances that may progress to neuropathic pain in hands and feet. While pivotal for routine cancer treatment, paclitaxel and vincristine frequently cause CIPN and impact the quality of life among cancer patients and survivors. We utilized a model of human sensory neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSC-SNs) to provide mechanistic understanding of CIPN caused by paclitaxel and vincristine. The morphological phenotype of iPSC-SNs following paclitaxel exposure was characterized by retraction and thickening of axons while vincristine caused fragmentation and abolishment of axons. Both agents increased the mRNA expression of the pain receptor, transient receptor potential vanilloid ( TRPV1 ), and highly induced neuronal damage, as measured by activating transcription factor 3 ( ATF3 ) mRNA. iPSC-SNs express the efflux transporters, P-glycoprotein (P-gp, encoded by ABCB1 ) and multidrug resistance-associated protein 1 (MPR1, encoded by ABCC1 ). Inhibition of P-gp and MRP1 in iPSC-SNs exacerbated neurotoxicity of paclitaxel and vincristine respectively. We further show that pre-treatment with the P-gp inducer rifampicin alleviated chemotherapy-induced structural and transcriptional alterations in iPSC-SNs. iPSC-SNs are a valuable and robust model to study the role of efflux transporters and other mechanistic targets in CIPN. Efflux transporters play a critical role in CIPN pathogenesis as they regulate the disposition of chemotherapy to the peripheral nervous system.