Investigation of mu-opioid receptor associated mechanisms at the molecular, cellular and network level in acute nociceptive and maintained inflammatory states
A mu-opioid receptorhoz kapcsolt mechanizmusok vizsgálata molekuláris, sejt és hálózati szinten akut nociceptiv és fenntartott gyulladásos körülmények között
Title in English
Investigation of mu-opioid receptor associated mechanisms at the molecular, cellular and network level in acute nociceptive and maintained inflammatory states
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
Neurosciences
Department or equivalent
Department of Anatomy, Histology and Embryology (Semmelweis University)
Starting date
2012-01-01
Closing date
2015-12-31
Funding (in million HUF)
13.132
FTE (full time equivalent)
3.20
state
closed project
Summary in Hungarian
A gyulladásos folyamatok és idegsérülések gyakran kóros fájdalomérzékeléssel jellemezhető súlyos, krónikus állapotot hoznak létre. Ehhez számos gerincvelői szintű változás járul hozzá, de jórészt ismeretlen, hogy e folyamatokban mely neuroncsoportok érintettek. A morfin és analógjai a legerősebb ismert fájdalomcsillapítók, amelyek a μ-opioid receptoron (MOR) keresztül fejtik ki hatásukat. Használatukat azonban számos súlyos mellékhatás korlátozza, így a krónikus fájdalom kezelése napjainkban is nagy kihívás. A MOR endogén ligandja az endomorfin-2 (E2), amely jelentős analgetikus hatással rendelkezik. Ráadásul az E2 fájdalomcsillapító hatása szétválik a jutalmazó-megerősítő rendszerre kifejtett hatásától. Az E2 nagy mennyiségben található meg a gerincvelő hátsó szavában, de keletkezésének módja gyakorlatilag nem ismert. Kombinált farmakológiai, morfológiai és elektrofiziológiai vizsgálatokkal meghatározzuk, hogy (1) természetes körülmények között hogyan képződik az E2, és a kokain- és amfetamin-regulált transzkript (CART) peptid milyen szerepet tölt be ebben a folyamatban; (2) milyen neuron populációk aktívak akut és fenntartott gyulladásos körülmények között, és hogyan hatnak a MOR agonisták, az E2 és az E2 szintézis indukáló szerek ezen állapotokban; és (3) feltérképezzük az opiát analgéziában érintett neuronális hálózatokat és beillesztjük a MOR receptort expresszáló sejteket ezekbe a körökbe. Eredményeink új és hatékony fájdalomcsillapítók tervezéséhez járulnak majd hozzá.
Summary
Both tissue inflammation and nerve injury result in different chronic pain states with abnormal pain sensation. Several changes in the spinal cord could underlie these phenomena but the neuronal populations involved in these processes are poorly characterised. Morphine and its analogs acting on μ-opioid receptor (MOR) are the strongest known analgesics in severe painful states but their use is limited by serious side effects. The unmet medical demand in the management of chronic pain is still very high. Endomorphin-2 (E2) is an endogenous ligand of the MOR having a very potent spinal analgesic effect with possible dissociation of analgesic and rewarding propensities. Although E2 is present in primary afferents in the spinal dorsal horn, its biosynthetic pathway(s) has not been clarified. Using combined pharmacological, morphological and electrophysiological approaches we will (1) explain the generation of E2 in naturally occurring conditions and describe the involvement of cocaine- and amphetamine- regulated transcript (CART) peptide in this process, (2) determine which neuronal populations are active in acute and maintained inflammatory conditions and compare the effects of MOR agonists, E2 and E2 synthesis inducers in these states, (3) describe the neuronal circuitry involved in opioid analgesia and locate MOR-expressing neurons involved therein. The results of this study will help to design new and effective analgesics.
Final report
Results in Hungarian
Emberek milliói szenvednek krónikus fájdalomtól. Az alkalmazott terápiák nem kielégítőek, ezért nagy szükség lenne új mechanizmusokon alapuló fájdalomcsillapítókra. Munkánk során megmutattuk, hogy a dipeptidil peptidáz 4 (DPP4) enzim gátlása antihyperalgéziás hatást hoz létre az endogen opioid rendszer aktiválásán keresztül gyulladással együtt járó fájdalomállapotokban, továbbá idegsérülés esetén meggátolja azokat a mechanizmusokat, amelyek a hyperalgézia kialakulásában és fenntartásában szerepet játszanak. Kimutattuk, hogy a DPP4 mRNS jelen van a gerincvelőben, de az egyébként is alacsony szintje nem emelkedik sem gyulladást, sem idegsérülést követően. Ezzel szemben a DPP4 fehérje szintje jelentősen megnő gyulladásban, de nem vátozik neuropátiás állapotokban. A neuronok, asztrociták és microglia sejtek is expresszálják az enzimet, de patológiás körülmények között csak a glia sejtekben nő meg a fehérje szintje. Patkány striátumban egy új mRNS a kokain és amfetamin regulált transcript (CART) megjelenését mutatták ki pszichostimulánsok beadását követően. Számos olyan biológiailag aktív peptidfragmentumot írtak le, ami a transcriptből származik és amelyek fontos fiziológiai folyamatokban játszanak szerepet. Többek között a fájdalom transzmissziójában is. Sajnálatos módon ezeknek a peptideknek ma sem ismerik sem a receptorát, sem a hatásmechanizmusukat. Eredményeink szerint a CART peptidek lehetnek a DPP4 enzim természetes gátló molekulái és ezen hatás révén új terápiás lehetőséget biztosíthatnak súlyos, krónikus fájdalomállapotokban és a DPP4 enzimaktivitáshoz köthető kórképekben.
Results in English
Millions of people suffer from chronic pain. The available therapies are not satisfactory, hence there is an urgent need for analgesics of novel mechanism of action. We have shown that inhibition of the dipeptidyl peptidase 4 (DPP4) enzyme at the spinal level results in activation of endogenous opioid system that attenuates hyperalgesia in inflammatory pain states, or inactivation of mechanisms underlying the development and maintenance of neuropathic hyperalgesia. We observed a low level of mRNA for DPP4 in the rat spinal dorsal horn in physiological conditions, which did not change significantly in pathological conditions. However, the DPP4 protein level significantly increased during inflammation but not in neuropathic states. DPP4 was present in neurons, astrocytes and microglia in naïve animals and its expression increased in glial cells in pathological conditions. Cocaine- and amphetamine-regulated transcript (CART) was discovered as a novel mRNA in the rat striatum, which was upregulated following acute administration of psychomotor stimulants. Although CART peptides of different sizes derived from the transcript have been identified and the biologically active fragments have been implicated in the regulation of several physiological functions, including pain transmission, the putative receptor target for CART has not yet been identified. Our study demonstrated that CART peptides could act as natural inhibitors of DPP4 and may open a new therapeutic perspective for the treatment of severe, persistent pain and also become promising as medicament in various DPP4 related diseases.
Zita Puskár, Márk Kozsurek, Kornél Király, Csaba Fekete: Peptides for use as DPP4 inhibitors and anti-hyperalgesic agents/CART peptidek, US Patent and Trademark Office (US 62/209,452)/Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala (P1500387), 2015
Liliana Luz, Boris Safronov, Mark Kozsurek, Zita Puskar, Peter Szucs:: Complex pre- and postsynaptic effects of DAMGO on excitability of spinal lamina I projection and local-circuit neurons., MITT Konferencia 2015 jan 22-23, Budapest, 2015
Mark Kozsurek, Gábor Gerber, Erika Lukácsi, Benjamin Barta, Shiva Kouhnavardi, Kornél Király, Csaba Fekete, Zita Puskár: Localization of CD26/DPP4 enzyme and effects of its inhibors in the rat spinal cord, IBRO Workshop 2014 jan. 16-17, Debrecen, 2014
Kornél Király, Márk Kozsurek, Erika Lukácsi, Zita Puskár: Antihyperalgesic effects of CART peptide fragments in carrageenan-induced hyperalgesia, MITT XIV. Konferencia 2013 jan. 17-19, Budapest, 2013
Zita Puskar, Kornél Király, Erika Lukácsi, Márk Kozsurek: Opioid mediated effect of CART peptides in peripheral inflammation in rats, Neuroinflammation, A satellite symposium to the regional FENS meeting, 2013 Sept. 8-11, Prague, CR, 2013
M. Kozsurek, G. Gerber, E. Lukácsi, B. Barta, S. Kouhnavardi, K. Király, C. Fekete, Z. Puskár: LOCALIZATION OF CD26/DPP4 ENZYME AND EFFECTS OF ITS INHIBORS IN THE RAT SPINAL CORD, 9th FENS Forum of Neuroscience 2014 July 5-9 Milan, Italy, 2014
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézet (Semmelweis Egyetem), Új kutatóhely: Anatómiai, Szövet- és Fejlődéstani Intézet (Semmelweis Egyetem).
