The growing consensus links exposure to fine particulate matter (PM2.5) with an increased risk of respiratory diseases. However, little is known about the additional effects of particulate matter on brainstem function in allergic rhinitis (AR). Furthermore, it is unknown to what extent the PM2.5-induced effects in the brainstem affect the inflammatory response in AR. This study aimed to determine the effects, mechanisms and consequences of brainstem neural activity altered by allergenic stimulation and PM2.5 exposure. Using an AR model of ovalbumin (OVA) elicitation and whole-body PM2.5 exposure, the metabolic profile of the brainstem post-allergen stimulation was characterized through in vivo proton magnetic resonance imaging (1H-MRS). Then, the transient receptor potential vanilloid-1 (TRPV1) neuronal expression and sensitivity in the trigeminal nerve in AR were investigated. The link between TRPV1 expression and brainstem differential metabolites was also determined. Finally, we evaluated the mediating effects of brainstem metabolites and the consequences in the brain-spleen axis in the inflammatory response of AR. Exposure to allergens and PM2.5 led to changes in the metabolic profiles of the brainstem, particularly affecting levels of glutamine (Gln) and glutamate (Glu). This exposure also increased the expression and sensitivity of TRPV1+ neurons in the trigeminal nerve, with the levels of TRPV1 expression closely linked to the brainstem metabolism of Glu and Gln. Moreover, allergens increased the activity of p38, while PM2.5 led to the phosphorylation of p38 and ERK, resulting in the upregulation of TRPV1 expression. The brainstem metabolites Glu and Gln were found to partially mediate the impact of TRPV1 on AR inflammation, which was supported by the presence of pro-inflammatory changes in the brain-spleen axis. Brainstem metabolites are altered under allergen stimulation and additional PM2.5 exposure in AR via sensitization of the trigeminal nerve, which exacerbates the inflammatory response via the brain-splenic axis.

The prevalent itching condition associated with aging, historically referred to as senile pruritus, diminishes quality of life. Despite its impact, effective treatments remain elusive, largely due to an incomplete understanding of its pathological cause. In this study, we reveal a subset of dorsal root ganglion neurons enriched with Zn 2+ that express the vesicular Zn 2+ transporter TMEM163. These neurons form direct synapses with and modulate the activity of spinal NPY + inhibitory interneurons. In aged mice, both the expression of TMEM163 and the concentration of vesicular Zn 2+ within the central terminals of TMEM163 + primary afferents show marked elevation. Importantly, the excessive release of vesicular Zn 2+ significantly dampens the activity of NPY + neurons, triggering the disinhibition of itch-transmitting neural circuits and resulting in chronic itch. Intriguingly, chelating Zn 2+ within the spinal dorsal horn effectively relieves itch in aged mice. Our study thus unveils a novel molecular mechanism underlying senile pruritus.

Abstract Thermosensation is vital for the survival, propagation, and adaption of all organisms, but its mechanism is not fully understood yet. Here, we find that TMC6, a membrane protein of unknown function, is highly expressed in dorsal root ganglion (DRG) neurons and functions as a Gαq-coupled G protein-coupled receptor (GPCR)-like receptor to sense noxious heat. TMC6-deficient mice display a substantial impairment in noxious heat sensation while maintaining normal perception of cold, warmth, touch, and mechanical pain. Further studies show that TMC6 interacts with Gαq via its intracellular C-terminal region spanning Ser 780 to Pro 810 . Specifically disrupting such interaction using polypeptide in DRG neurons, genetically ablating Gαq, or pharmacologically blocking Gαq-coupled GPCR signaling can replicate the phenotype of TMC6 deficient mice regarding noxious heat sensation. Noxious heat stimulation triggers intracellular calcium release from the endoplasmic reticulum (ER) of TMC6- but not control vector-transfected HEK293T cell, which can be significantly inhibited by blocking PLC or IP3R. Consistently, noxious heat-induced intracellular Ca 2+ release from ER and action potentials of DRG neurons largely reduced when ablating TMC6 or blocking Gαq/PLC/IP3R signaling pathway as well. In summary, our findings indicate that TMC6 can directly function as a Gαq-coupled GPCR-like receptor sensing noxious heat.

Opioids such as morphine produce analgesia via mu opioid receptor (MOR), but opioid receptor signaling is not fully understood. Here we report that morphine analgesia and MOR signaling require neuronal Programmed cell death protein-1 (PD-1). We found that morphine-induced antinociception following systemic or intrathecal injection was compromised in Pd1 knockout mice. Morphine analgesia was also abrogated in wild-type mice after treatment with Nivolumab, a clinically used anti-PD-1 monoclonal antibody. Morphine produced analgesia by suppressing calcium currents in DRG neurons and excitatory synaptic transmission in spinal cord neurons, but strikingly, both actions were impaired by PD-1 blockade. In a mouse model of bone cancer, the antinociceptive action of systemic morphine was compromised in Pd1 knockout mice. Finally, PD-L1 and morphine produce synergistic analgesia. Our findings demonstrate that PD-1 also acts as a neuro checkpoint inhibitor and mediates opioid-induced analgesia and MOR signaling in neurons.