Partial peripheral nerve injury in adult rats results in neuropathic pain-like hypersensitivity, while that in neonatal rats does not, a phenomenon also observed in humans. We therefore compared gene expression profiles in the dorsal horn of adult and neonatal rats in response to the spared nerve injury (SNI) model of peripheral neuropathic pain. The 148 differentially regulated genes in adult, but not young, rat spinal cords indicate a greater microglial and T-cell response in adult than in young animals. T-cells show a large infiltration in the adult dorsal horn but not in the neonate after SNI. T-cell-deficient Rag1-null adult mice develop less neuropathic mechanical allodynia than controls, and central expression of cytokines involved in T-cell signaling exhibits large relative differences between young and adult animals after SNI. One such cytokine, interferon-gamma (IFNgamma), is upregulated in the dorsal horn after nerve injury in the adult but not neonate, and we show that IFNgamma signaling is required for full expression of adult neuropathic hypersensitivity. These data reveal that T-cell infiltration and activation in the dorsal horn of the spinal cord following peripheral nerve injury contribute to the evolution of neuropathic pain-like hypersensitivity. The neuroimmune interaction following peripheral nerve injury has therefore a substantial adaptive immune component, which is absent or suppressed in the young CNS.

The regenerative capacity of the injured CNS in adult mammals is severely limited, yet axons in the peripheral nervous system (PNS) regrow, albeit to a limited extent, after injury. We reasoned that coordinate regulation of gene expression in injured neurons involving multiple pathways was central to PNS regenerative capacity. To provide a framework for revealing pathways involved in PNS axon regrowth after injury, we applied a comprehensive systems biology approach, starting with gene expression profiling of dorsal root ganglia (DRGs) combined with multi-level bioinformatic analyses and experimental validation of network predictions. We used this rubric to identify a drug that accelerates DRG neurite outgrowth in vitro and optic nerve outgrowth in vivo by inducing elements of the identified network. The work provides a functional genomics foundation for understanding neural repair and proof of the power of such approaches in tackling complex problems in nervous system biology.

TRPA1 is a nonselective cation channel expressed by nociceptors. Although it is widely accepted that TRPA1 serves as a broad irritancy receptor for a variety of reactive chemicals, its role in cold sensation remains controversial. Here, we demonstrate that mild cooling markedly increases agonist-evoked rat TRPA1 currents. In the absence of an agonist, even noxious cold only increases current amplitude slightly. These results suggest that TRPA1 is a key mediator of cold hypersensitivity in pathological conditions in which reactive oxygen species and proinflammatory activators of the channel are present, but likely plays a comparatively minor role in acute cold sensation. Supporting this, cold hypersensitivity can be induced in wild-type but not Trpa1 −/− mice by subcutaneous administration of a TRPA1 agonist. Furthermore, the selective TRPA1 antagonist HC-030031 [2-(1,3-dimethyl-2,6-dioxo-1,2,3,6-tetrahydro-7 H -purin-7-yl)- N -(4-isopropylphenyl)acetamide] reduces cold hypersensitivity in rodent models of inflammatory and neuropathic pain.

Not all patients with nerve injury develop neuropathic pain. The extent of nerve damage and age at the time of injury are two of the few risk factors identified to date. In addition, preclinical studies show that neuropathic pain variance is heritable. To define such factors further, we performed a large-scale gene profiling experiment which plotted global expression changes in the rat dorsal root ganglion in three peripheral neuropathic pain models. This resulted in the discovery that the potassium channel alpha subunit KCNS1, involved in neuronal excitability, is constitutively expressed in sensory neurons and markedly downregulated following nerve injury. KCNS1 was then characterized by an unbiased network analysis as a putative pain gene, a result confirmed by single nucleotide polymorphism association studies in humans. A common amino acid changing allele, the 'valine risk allele', was significantly associated with higher pain scores in five of six independent patient cohorts assayed (total of 1359 subjects). Risk allele prevalence is high, with 18-22% of the population homozygous, and an additional 50% heterozygous. At lower levels of nerve damage (lumbar back pain with disc herniation) association with greater pain outcome in homozygote patients is P = 0.003, increasing to P = 0.0001 for higher levels of nerve injury (limb amputation). The combined P-value for pain association in all six cohorts tested is 1.14 E-08. The risk profile of this marker is additive: two copies confer the most, one intermediate and none the least risk. Relative degrees of enhanced risk vary between cohorts, but for patients with lumbar back pain, they range between 2- and 3-fold. Although work still remains to define the potential role of this protein in the pathogenic process, here we present the KCNS1 allele rs734784 as one of the first prognostic indicators of chronic pain risk. Screening for this allele could help define those individuals prone to a transition to persistent pain, and thus requiring therapeutic strategies or lifestyle changes that minimize nerve injury.

The somatosensory nervous system is critical for the organism's ability to respond to mechanical, thermal, and nociceptive stimuli. Somatosensory neurons are functionally and anatomically diverse but their molecular profiles are not well-defined. Here, we used transcriptional profiling to analyze the detailed molecular signatures of dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons. We used two mouse reporter lines and surface IB4 labeling to purify three major non-overlapping classes of neurons: 1) IB4+SNS-Cre/TdTomato+, 2) IB4−SNS-Cre/TdTomato+, and 3) Parv-Cre/TdTomato+ cells, encompassing the majority of nociceptive, pruriceptive, and proprioceptive neurons. These neurons displayed distinct expression patterns of ion channels, transcription factors, and GPCRs. Highly parallel qRT-PCR analysis of 334 single neurons selected by membership of the three populations demonstrated further diversity, with unbiased clustering analysis identifying six distinct subgroups. These data significantly increase our knowledge of the molecular identities of known DRG populations and uncover potentially novel subsets, revealing the complexity and diversity of those neurons underlying somatosensation.

Although peripheral nerves can regenerate after injury, proximal nerve injury in humans results in minimal restoration of motor function. One possible explanation for this is that injury-induced axonal growth is too slow. Heat shock protein 27 (Hsp27) is a regeneration-associated protein that accelerates axonal growth in vitro. Here, we have shown that it can also do this in mice after peripheral nerve injury. While rapid motor and sensory recovery occurred in mice after a sciatic nerve crush injury, there was little return of motor function after sciatic nerve transection, because of the delay in motor axons reaching their target. This was not due to a failure of axonal growth, because injured motor axons eventually fully re-extended into muscles and sensory function returned; rather, it resulted from a lack of motor end plate reinnervation. Tg mice expressing high levels of Hsp27 demonstrated enhanced restoration of motor function after nerve transection/resuture by enabling motor synapse reinnervation, but only within 5 weeks of injury. In humans with peripheral nerve injuries, shorter wait times to decompression surgery led to improved functional recovery, and, while a return of sensation occurred in all patients, motor recovery was limited. Thus, absence of motor recovery after nerve damage may result from a failure of synapse reformation after prolonged denervation rather than a failure of axonal growth.