Sigma (sigma) receptors, initially described as a subtype of opioid receptors, are now considered unique receptors. Pharmacological studies have distinguished two types of sigma receptors, termed sigma(1) and sigma(2). Of these two subtypes, the sigma(1) receptor has been cloned in humans and rodents, and its amino acid sequence shows no homology with other mammalian proteins. Several psychoactive drugs show high to moderate affinity for sigma(1) receptors, including the antipsychotic haloperidol, the antidepressant drugs fluvoxamine and sertraline, and the psychostimulants cocaine and methamphetamine; in addition, the anticonvulsant drug phenytoin allosterically modulates sigma(1) receptors. Certain neurosteroids are known to interact with sigma(1) receptors, and have been proposed to be their endogenous ligands. These receptors are located in the plasma membrane and in subcellular membranes, particularly in the endoplasmic reticulum, where they play a modulatory role in intracellular Ca(2+) signaling. Sigma(1) receptors also play a modulatory role in the activity of some ion channels and in several neurotransmitter systems, mainly in glutamatergic neurotransmission. In accordance with their widespread modulatory role, sigma(1) receptor ligands have been proposed to be useful in several therapeutic fields such as amnesic and cognitive deficits, depression and anxiety, schizophrenia, analgesia, and against some effects of drugs of abuse (such as cocaine and methamphetamine). In this review we provide an overview of the present knowledge of sigma(1) receptors, focussing on sigma(1) ligand neuropharmacology and the role of sigma(1) receptors in behavioral animal studies, which have contributed greatly to the potential therapeutic applications of sigma(1) ligands.

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.

Inflammatory pain impacts adversely on the quality of life of patients, often resulting in motor disabilities. Therefore, we studied the effect of peripheral inflammation induced by intraplantar administration of complete Freund's adjuvant (CFA) in mice on a particular form of voluntary locomotion, wheel running, as an index of mobility impairment produced by pain. The distance traveled over 1 hour of free access to activity wheels decreased significantly in response to hind paw inflammation, peaking 24 hours after CFA administration. Recovery of voluntary wheel running by day 3 correlated with the ability to support weight on the inflamed limb. Inflammation-induced mechanical hypersensitivity, measured with von Frey hairs, lasted considerably longer than the impaired voluntary wheel running and is not driving; therefore, the change in voluntary behavior. The CFA-induced decrease in voluntary wheel running was dose-dependently reversed by subcutaneous administration of antiinflammatory and analgesic drugs, including naproxen (10-80 mg/kg), ibuprofen (2.5-20mg/kg), diclofenac (1.25-10mg/kg), celecoxib (2.5-20mg/kg), prednisolone (0.62-5mg/kg), and morphine (0.06-0.5mg/kg), all at much lower doses than reported in most rodent models. Furthermore, the doses that induced recovery in voluntary wheel running did not reduce CFA-induced mechanical allodynia, indicating a greater sensitivity of the former as a surrogate measure of inflammatory pain. We conclude that monitoring changes in voluntary wheel running in mice during peripheral inflammation is a simple, observer-independent objective measure of functional changes produced by inflammation, likely more aligned to the global level of pain than reflexive measures, and much more sensitive to analgesic drug effects.

In the search for new small molecules for the therapy of neuropathic pain, we found that 2-{3-[N-(1-benzylpiperidin-4-yl)propyl]amino}-6-[N-methyl-N-(prop-2-yn-1-yl)amino]-4-phenylpyridine-3,5-dicarbonitrile (12) induced a robust antiallodynic effect in capsaicin-induced mechanical allodynia, a behavioural model of central sensitization, through σ1R antagonism. Furthermore, administration of compound 12 to neuropathic animals, fully reversed mechanical allodynia, increasing its mechanical threshold to levels that were not significantly different from those found in paclitaxel-vehicle treated mice or from basal levels before neuropathy was induced. Ligand 12 is thus a promising hit-compound for the therapy of neuropathic pain.

Imidazoline I2 receptors (I2-IRs) are altered in Alzheimer's disease (AD) patients and are associated with analgesia. I2-IRs are not structurally described, and their pharmacological characterization relies on their modulation by highly affine ligands. Herein, we describe the synthesis of (3-phenylcarbamoyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-2-yl)phosphonates endowed with relevant affinities for I2-IRs in human brain tissues. The optimal ADME and pharmacokinetic profile of a selected compound, 12d, secured its in vivo exploration in a senescence accelerated prone 8 mice revealing improvement in the cognitive impairment and unveiling the mechanism of action by analyzing specific AD biomarkers. The treatment of a capsaicin-induced mechanical hypersensitivity murine model with 12d revealed analgesic properties devoid of motor coordination issues. The target engagement of 12d was demonstrated by suppression of the analgesic effect by pretreatment with idazoxan. Overall, 12d is a putative candidate for advancing preclinical phases and supports the modulation of I2-IRs as an innovative approach for therapeutics.