With the emergence of manufactured nanomaterials, it is urgent to carry out researches on their potential environmental impacts and biological effects. To better understand the potential ecotoxicological impacts of metal oxide nanoparticles released to aquatic environments, the zebrafish 96-h embryo-larval bioassay was used to assess and compare the developmental toxicities of nanoscale zinc oxide (nZnO), titanium dioxide (nTiO2) and alumina (nAl2O3) aqueous suspensions. Toxicological endpoints such as zebrafish embryos or larvae survival, hatching rate and malformation were noted and described within 96 h of exposure. Meanwhile, a comparative experiment with their bulk counterparts (i.e., ZnO/bulk, TiO2/bulk and Al2O3/bulk) was conducted to understand the effect of particle size on their toxicities. The results showed that: (i) both nZnO and ZnO/bulk aqueous suspensions delayed zebrafish embryo and larva development, decreased their survival and hatching rates, and caused tissue damage. The 96-h LC50 of nZnO and ZnO/bulk aqueous suspensions on the zebrafish survival are 1.793 mg/L and 1.550 mg/L respectively; and the 84-h EC50 on the zebrafish embryo hatching rate are 2.065 mg/L and 2.066 mg/L respectively. Serious tissue ulceration was found on zebrafish larvae exposed to nZnO and ZnO/bulk aqueous suspensions. (ii) In contrast, neither nTiO2 and TiO2/bulk nor nAl2O3 and Al2O3/bulk showed any toxicity to zebrafish embryos and larvae under the same experimental condition. It revealed that the metal oxide nanoparticles with different chemical composition have different zebrafish developmental toxicities. (iii) Exposures of nTiO2, nZnO and nAl2O3 produced toxic effects on zebrafish embryos and larvae, which was not different from the effects caused by exposing to their bulk counterparts. This is the first study about the developmental toxicity of metal oxide nanoparticles, and the results demonstrate that nZnO is very toxic to zebrafish embryos and larvae, which highlights the need to evaluate the potential eco-toxicity of these manufactured nanomaterials (MNMs).

Neuropathic pain encompasses a diverse array of clinical entities affecting 7-10% of the population, which is challenging to adequately treat. Several promising therapeutics derived from molecular discoveries in animal models of neuropathic pain have failed to translate following unsuccessful clinical trials suggesting the possibility of important cellular-level and molecular differences between animals and humans. Establishing the extent of potential differences between laboratory animals and humans, through direct study of human tissues and/or cells, is likely important in facilitating translation of preclinical discoveries to meaningful treatments. Patch-clamp electrophysiology and RNA-sequencing was performed on dorsal root ganglia taken from patients with variable presence of radicular/neuropathic pain. Findings establish that spontaneous action potential generation in dorsal root ganglion neurons is associated with radicular/neuropathic pain and radiographic nerve root compression. Transcriptome analysis suggests presence of sex-specific differences and reveals gene modules and signalling pathways in immune response and neuronal plasticity related to radicular/neuropathic pain that may suggest therapeutic avenues and that has the potential to predict neuropathic pain in future cohorts.

Peripheral neuropathy is dose limiting in paclitaxel cancer chemotherapy and can result in both acute pain during treatment and chronic persistent pain in cancer survivors. The hypothesis tested was that paclitaxel produces these adverse effects at least in part by sensitizing transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1) through Toll-like receptor 4 (TLR4) signaling. The data show that paclitaxel-induced behavioral hypersensitivity is prevented and reversed by spinal administration of a TRPV1 antagonist. The number of TRPV1 + neurons is increased in the dorsal root ganglia (DRG) in paclitaxel-treated rats and is colocalized with TLR4 in rat and human DRG neurons. Cotreatment of rats with lipopolysaccharide from the photosynthetic bacterium Rhodobacter sphaeroides (LPS-RS), a TLR4 inhibitor, prevents the increase in numbers of TRPV1 + neurons by paclitaxel treatment. Perfusion of paclitaxel or the archetypal TLR4 agonist LPS activated both rat DRG and spinal neurons directly and produced acute sensitization of TRPV1 in both groups of cells via a TLR4-mediated mechanism. Paclitaxel and LPS sensitize TRPV1 in HEK293 cells stably expressing human TLR4 and transiently expressing human TRPV1. These physiological effects also are prevented by LPS-RS. Finally, paclitaxel activates and sensitizes TRPV1 responses directly in dissociated human DRG neurons. In summary, TLR4 was activated by paclitaxel and led to sensitization of TRPV1. This mechanism could contribute to paclitaxel-induced acute pain and chronic painful neuropathy. SIGNIFICANCE STATEMENT In this original work, it is shown for the first time that paclitaxel activates peripheral sensory and spinal neurons directly and sensitizes these cells to transient receptor potential vanilloid subtype 1 (TRPV1)-mediated capsaicin responses via Toll-like receptor 4 (TLR4) in multiple species. A direct functional interaction between TLR4 and TRPV1 is shown in rat and human dorsal root ganglion neurons, TLR4/TRPV1-coexpressing HEK293 cells, and in both rat and mouse spinal cord slices. Moreover, this is the first study to show that this interaction plays an important role in the generation of behavioral hypersensitivity in paclitaxel-related neuropathy. The key translational implications are that TLR4 and TRPV1 antagonists may be useful in the prevention and treatment of chemotherapy-induced peripheral neuropathy in humans.

Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN) is a common adverse effect experienced by cancer patients receiving treatment with paclitaxel. The voltage-gated sodium channel 1.7 (Na v 1.7) plays an important role in multiple preclinical models of neuropathic pain and in inherited human pain phenotypes, and its gene expression is increased in dorsal root ganglia (DRGs) of paclitaxel-treated rats. Hence, the potential of change in the expression and function of Na v 1.7 protein in DRGs from male rats with paclitaxel-related CIPN and from male and female humans with cancer-related neuropathic pain was tested here. Double immunofluorescence in CIPN rats showed that Na v 1.7 was upregulated in small DRG neuron somata, especially those also expressing calcitonin gene-related peptide (CGRP), and in central processes of these cells in the superficial spinal dorsal horn. Whole-cell patch-clamp recordings in rat DRG neurons revealed that paclitaxel induced an enhancement of ProTx II (a selective Na v 1.7 channel blocker)-sensitive sodium currents. Bath-applied ProTx II suppressed spontaneous action potentials in DRG neurons occurring in rats with CIPN, while intrathecal injection of ProTx II significantly attenuated behavioral signs of CIPN. Complementarily, DRG neurons isolated from segments where patients had a history of neuropathic pain also showed electrophysiological and immunofluorescence results indicating an increased expression of Na v 1.7 associated with spontaneous activity. Na v 1.7 was also colocalized in human cells expressing transient receptor potential vanilloid 1 and CGRP. Furthermore, ProTx II decreased firing frequency in human DRGs with spontaneous action potentials. This study suggests that Na v 1.7 may provide a potential new target for the treatment of neuropathic pain, including chemotherapy (paclitaxel)-induced neuropathic pain. SIGNIFICANCE STATEMENT This work demonstrates that the expression and function of the voltage-gated sodium channel Na v 1.7 are increased in a preclinical model of chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN), the most common treatment-limiting side effect of all the most common anticancer therapies. This is key as gain-of-function mutations in human Na v 1.7 recapitulate both the distribution and pain percept as shown by CIPN patients. This work also shows that Na v 1.7 is increased in human DRG neurons only in dermatomes where patients are experiencing acquired neuropathic pain symptoms. This work therefore has major translational impact, indicating an important novel therapeutic avenue for neuropathic pain as a class.

Abstract Neuropathic pain is a leading cause of high impact pain, is often disabling and is poorly managed by current therapeutics. Here we focused on a unique group of neuropathic pain patients undergoing thoracic vertebrectomy where the DRG is removed as part of the surgery allowing for molecular characterization and identification of mechanistic drivers of neuropathic pain independently of preclinical models. Our goal was to quantify whole transcriptome RNA abundances using RNA-seq in pain-associated human DRGs from these patients, allowing comprehensive identification of molecular changes in these samples by contrasting them with non-pain associated DRGs. We sequenced 70 human DRGs, including over 50 having mRNA libraries with neuronal mRNA. Our expression analysis revealed profound sex differences in differentially expressed genes including increase of IL1B , TNF , CXCL14 , and OSM in male and including CCL1 , CCL21 , PENK and TLR3 in female DRGs associated with neuropathic pain. Co-expression modules revealed enrichment in members of JUN-FOS signaling in males, and centromere protein coding genes in females. Neuro-immune signaling pathways revealed distinct cytokine signaling pathways associated with neuropathic pain in males (OSM, LIF, SOCS1) and females (CCL1, CCL19, CCL21). We validated cellular expression profiles of a subset of these findings using RNAscope in situ hybridization. Our findings give direct support for sex differences in underlying mechanisms of neuropathic pain in patient populations.

Abstract Spontaneous activity in dorsal root ganglion (DRG) neurons is a key driver of neuropathic pain in patients suffering from this largely untreated disease. While many intracellular signalling mechanisms have been examined in preclinical models that drive spontaneous activity, none have been tested directly on spontaneously active human nociceptors. Using cultured DRG neurons recovered during thoracic vertebrectomy surgeries, we showed that inhibition of mitogen-activated protein kinase interacting kinase (MNK) with tomivosertib (eFT508, 25 nM) reversibly suppresses spontaneous activity in human sensory neurons that are likely nociceptors based on size and action potential characteristics associated with painful dermatomes within minutes of treatment. Tomivosertib treatment also decreased action potential amplitude and produced alterations in the magnitude of after hyperpolarizing currents, suggesting modification of Na+ and K+ channel activity as a consequence of drug treatment. Parallel to the effects on electrophysiology, eFT508 treatment led to a profound loss of eIF4E serine 209 phosphorylation in primary sensory neurons, a specific substrate of MNK, within 2 min of drug treatment. Our results create a compelling case for the future testing of MNK inhibitors in clinical trials for neuropathic pain.

The phytohormone abscisic acid (ABA) regulates various growth- and developmental processes in response to limiting water conditions. ABA functions through an established signaling pathway consisting of PYR1/PYL/RCAR ABA receptors that inhibit group A type 2C protein phosphatases (PP2Cs) in an ABA-dependent manner. Inhibition of PP2Cs enables the activation of SnRK2-type protein kinases that phosphorylate downstream targets including transcription factors and ion channels. However, ABA-dependent signals have to be integrated into other growth- and developmental programs to ensure a successful life cycle. Here, we have characterized the role of the protein kinase WNK8 in the ABA signalling pathway. Two T-DNA insertion alleles wnk8-1 and wnk8-4 exhibited contrasting ABA responses during seed germination and young seedling growth. However, reciprocal crossings with wild type plants suggested that wnk8-1 that still expressed the WNK8 kinase domain functioned in a hypermorphic and dominant manner. WNK8 directly interacted with the PP2C PP2CA in planta and was negatively regulated by this phosphatase in vitro. WNK8 also phosphorylated the ABA receptor PYR1 in vitro. Double mutant analyses revealed that the dominant allele wnk8-1 suppressed the ABA- and glucose hypersensitivity of the pp2ca-1 TDNA allele. In transient protoplast assays WNK8 suppressed ABA-induced reporter gene expression that was dependent on a functional kinase. In summary, we have identified the protein kinase WNK8 as a negative regulator of ABA responses during young seedling establishment through its direct interaction with core ABA signaling components.