Modulation of nociceptor function by membrane gangliosides: implication for pain mechanisms  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101873
Type K
Principal investigator Jancsó, Gábor
Title in Hungarian A nociceptor funkció gangliozid modulációja
Title in English Modulation of nociceptor function by membrane gangliosides: implication for pain mechanisms
Keywords in Hungarian TRPV1, fájdalom, gangliozid, capsaicin, idegnövekedési faktor, lipid raft, glukozilceramid szintáz, nocicepció, gyulladás, nociceptor szenzitizáció
Keywords in English TRPV1, pain, gangliosides, capsaicin, nerve growth factor, lipid raft, glucosylceramide synthase, nociception, inflammation, nociceptor sensitization
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)70 %
Ortelius classification: Neurobiology
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)30 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Department of Physiology (University of Szeged)
Participants Dux, Mária
Horváth, Viktor
Kisné Dobos, Ildikó
Oszlács, Orsolya
Sántha, Péter
Somodiné Boros, Krisztina
Tóthné Dr. Rosta, Judit
Starting date 2012-03-01
Closing date 2017-02-28
Funding (in million HUF) 23.991
FTE (full time equivalent) 20.82
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatómunka összefoglalása, célkitűzései szakemberek számára

A tervezett vizsgálatok a gangliozidok nociceptív folyamatokban betöltött szerepének további bizonyítását, a fájdalomérzés mechanizmusában alapvető fontosságú 1-es típusú vanilloid tranziens receptor potenciál (TRPV1) csatorna aktivitását befolyásoló újabb szignalizációs mechanizmusok tisztázását, és új, racionális, az elsődleges érző neuronok szintjén érvényesülő fájdalomcsillapítás lehetőségeinek feltárását célozzák. Ezért a gangliozid bioszintézisben kulcsszerepet betöltő glukozilceramid-szintáz (GLCS) bénítását követően megvizsgáljuk a TRPV1 receptor aktiválódását hő, savas pH, endovanilloidok, lipoxigenáz termékek és akut gyulladásos mediátorok hatására. A GLCS enzimnek a TRPV1 receptor aktiválódásában betöltött szerepének direkt bizonyítására a hátsógyöki ganglionsejt-tenyészetekben a GLCS gén expresszióját specifikus siRNA transzfekciójával gátoljuk. In vivo kísérletekben vizsgáljuk a GLCS gátlásának és/vagy siRNA intrathecalis/intraciszternális adásának hatását a vanilloidokkal kiváltott neurogén gyulladásos reakcióra és a fájdalmas hő-, mechanikai és kémiai ingerekkel kiváltott nociceptív magatartási reakciókra. Hátsógyöki ganglionsejt tenyészetek sejtmembránján fluoreszcencia rezonancia energia transzfer (FRET) és kettős jelöléses elektronmikroszkópos immunhisztokémiai módszerekkel vizsgáljuk a GM1 gangliozid és a TRPV1 receptor kolokalizációját és interakcióját. Kísérleteket végzünk annak tisztázására, hogy a gangliozidok szerepet játszhatnak-e egyéb TRP receptorok szignáltranszdukciós folyamataiban, és vajon a gangliozidok befolyásolhatják-e a nociceptor idegvégződések különböző fájdalmas ingerekre adott válaszreakcióit.


A kutatás alapkérdése

Kutatócsoportunk korábbi megfigyelései felvetették, hogy a membrán gangliozidok, elsősorban a GM1 gangliozid, jelentősen befolyásolhatják a TRPV1 receptornak, a fájdalomérzetet kiváltó kémiai és hő ingerek molekuláris integrátorának aktiválódását és expresszióját. Érző neuron kultúrákon végzett in vitro kísérleteink bebizonyították, hogy a glukozilceramid-szintáznak, a gangliozid szintézis kulcsenzimének gátlása jelentősen csökkenti a TRPV1 csatorna aktivációját, akut szenzitizációját és expresszióját, egyrészt az idegnövekedési faktor szignalizációs mechanizmusainak befolyásolása, másrészt a membrán mikrodomének (lipid raftok) dezintegrálása révén. A tervezett vizsgálatok központi kérdése egyrészt annak tisztázása, hogy milyen szerepet töltenek be a membrán gangliozidok a TRPV1 csatorna természetes agonistáival kiváltott aktivációjában és a gyulladásos mediátorok által kiváltott szenzitizációjában. Kísérleteket végzünk továbbá azon membrán gangliozidok identifikálására, amelyek szerepet játszanak a TRPV1 aktiválódás folyamatában, a TRPV1 receptor válaszkészségének/funkcionális integritásának és expressziójának fenntartásában. Állatkísérletes vizsgálatokat tervezünk annak eldöntésére, hogy igazolható-e in vivo körülmények között a nociceptor funkció gangliozid modulációja.

A kutatás jelentősége

A fájdalomérzés alapvető a szervezet integritásának fenntartásában, ugyanakkor a krónikus fájdalom, különösen a neuropátiás fájdalom súlyos szomatikus tünetekkel és gyakran elviselhetetlen lelki szenvedéssel jár, ami nagy terhet ró nem csupán az érintett betegre, hanem a társadalomra is. Ezért különösen fontos olyan új élettani mechanizmusok feltárása, amelyek (szelektíven) befolyásolják a fájdalomingerek detektálásáért és közvetítéséért felelős elsődleges nociceptív neuronok működését, utat nyitva új, racionális elveken alapuló fájdalomcsillapító eljárások kidolgozásának. A pályázatunkban bemutatott kísérletsorozat egy olyan mindeddig ismeretlen, a TRPV1 receptor aktivációját és expresszióját befolyásoló szignalizációs folyamatot vizsgál, amely a nociceptív csatorna-funkciók szabályozásának újabb mechanizmusaira utal. Kutatómunkánk eredményei, amelyek a nociceptív integrátor TRPV1 csatorna működéséről szolgáltatnak újabb információkat, megalapozhatják új, racionális, az elsődleges érző neuronok szintjén érvényesülő fájdalomcsillapító eljárások kidolgozását.


A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára

Jelen pályázatunkban ismertetett vizsgálatainkban egy új, gangliozid-függő mechanizmust kívánunk vizsgálni, amely részt vesz a gyulladásos fájdalom közvetítésében központi szerepet betöltő TRPV1 receptor aktiválásában. Korábbi megfigyeléseink igazolták, hogy a gangliozid bioszintézisben kulcsszerepet betöltő glukozilceramid szintáz enzim gátlása jelentősen csökkenti a primer szenzoros neuronok TRPV1 receptorainak aktiválhatóságát és kifejeződését. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy egy eddig még pontosan nem identifikált gangliozid, amely integráns részét képezi az idegsejtek membránjában elhelyezkedő lipid mikrodoméneknek, jelentős szerepet játszhat a nociceptorok aktiválódásában. Kísérleteinkben in vitro és in vivo kísérletekben (immun)hisztokémiai, elektronmikroszkópos és funkcionális vizsgálómódszereket alkalmazva, kalcium imaging és molekuláris biológiai technikák segítségével szeretnénk további bizonyítékokat nyerni a gangliozidok nociceptor funkciókban és a fájdalomérzés mechanimusaiban betöltött szerepére vonatkozóan. Jelen kísérleteink eredményei a TRPV1 receptor funkció olyan újabb mechanizmusait tisztázhatják, amelyek új távlatokat nyithatnak a fájdalom-, különös tekintettel a gyulladásos eredetű fájdalom gyógyszeres terápiájában.
Summary
Summary of proposed research including key goals for scientifically qualified
assessors

The present proposal is aimed at the elucidation of the proposed role of yet unidentified ganglioside species in the activation and the maintenance of the function of the transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) receptor. The effect of the inhibition of glucosylceramide synthase (GLCS), the key enzyme in ganglioside biosynthesis will be examined on the activation of the TRPV1 receptor by heat, acidic pH, endovanilloids, lipoxigenase products and mediators of the acute inflammatory reaction. Transfection of cultured dorsal root ganglion neurons with specific siRNA constructed to silence the GLCS gene will be performed to provide direct evidence for the involvement of the enzyme in the attenuation of TRPV1 activation following the inhibition of GLCS. In in vivo studies the effect of the inhibition of GLCS and/or intrathecal/intracisternal injection of siRNA will be examined on vanilloid-induced neurogenic inflammation and on nociceptive behavior elicited by noxious thermal, mechanical and chemical stimuli. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) and electron micoscopic double labeling immunohistochemistry will be applied to demonstrate the possible association of the major ganglioside GM1 with the TRPV1 receptor in the neuronal membrane of cultured DRG neurons. Experiments will be performed to reveal whether gangliosides may be involved in the signaling mechanisms of related nociceptive TRP receptors and, in turn, whether gangliosides may bear a pivotal role in the regulation of the sensitivity of the nociceptor nerve terminal to a variety of noxious stimuli.

Research question

Recent studies from our laboratory have suggested that membrane gangliosides, in particular GM1 may significantly contribute to the mechanisms involved in the activation of the transient receptor potential vanilloid type 1 (TRPV1) receptor, a molecular integrator of chemical and physical stimuli that elicit pain. Using an in vitro approach we could prove our hypothesis by showing that inhibition of glucosylceramide synthase, the key enzyme of ganglioside biosynthesis dramatically reduced the activation, acute sensitization and the expression of the TRPV1 receptor possibly through interfering with nerve growth factor signaling and/or disruption of membrane lipid rafts. The main focus of the present research proposal is to examine the role of membrane gangliosides in the mechanisms of activation and modulation of the TRPV1 channel by its natural stimuli, heat, acidic pH, endovanilloids, lipoxigenase products, bradykinin and prostaglandins. Experiments will also be performed to identify the ganglioside species involved in the activation and/or maintenance of the functional integrity and expression of the TRPV1 receptor. In vivo studies will be conducted to evaluate whether the findings of the in vitro studies suggesting an attenuation of nociceptor function by inhibition of glucosylceramide synthase could be translated into an in vivo antinociceptive effect.


Significance of the research

The sensation of pain is fundamental in the maintenance of the biological integrity of the body, but chronic and neuropathic pains cause somatic and psychic suffering which put considerable social and economic burden not only on the individual but also on the society. Therefore, new approaches to interfere with the function of nociceptive primary afferent neurons which mediate nerve impulses generated by noxious stimuli and signal pain are constantly sought for in the hope to find clues for rational pain therapies. The experimental design of the present proposal dealing with a hitherto unknown signaling mechanism implicated in the activation and expression of the TRPV1 receptor may open up new perspectives in the study of the regulation of the function of nociceptor channels. The project, by showing novel mechanisms of activation of the TRPV1 receptor, a molecular integrator of noxious stimuli, may point to possible novel approaches towards a rational pain therapy.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kimutattuk, hogy patkány perifériás idegeinek capsaicin kezelése után a perifériás idegbe adott, a GM1 gangliozidhoz specifikusan kötődő choleratoxin B alegység-tormaperoxidáz konjugátum (CTB-HRP) megjelenéséért a gerincvelő hátsó szarvában, a substantia gelatinosában, – szemben az általánosan elfogadott nézettel – nem a velőhüvelyes spinális afferensek burjánzása, hanem a C-rost afferens neuronok fenotípus-váltása felelős. Elektronmikroszkópos hisztokémiai vizsgálataink, miszerint csak a capsaicinnel kezelt ideghez tartozó hátsógyöki C-rostokban mutatható ki CTB-HRP, alátámasztják ezt a következtetést. Mivel a perineurális capsaicin kezelés kísérleti állatokban tartós thermális és kémiai analgéziát okoz, ezek az eredmények a gangliozidok nociceptív funkcióban betöltött szerepére utalnak, és hozzájárulhatnak a fájdalom és az fájdalomcsillapítás mechanizmusainak megértéséhez. Megállapítottuk, hogy az archetipikus nociceptív ioncsatorna, a tranziens receptor potenciál vanilloid 1 receptor (TRPV1) capsaicinnel, hővel, savval és endovanilloidokkal történő aktiválásában a GM1 gangliozid alapvető szerepet játszik. Megfigyeltük, hogy a neuronális gangliozid szint jelentősen befolyásolja egy másik nociceptív ioncsatorna, a TRPA1 működését is. Kimutattuk, hogy gerincvelői hátsó szarvi neuronokban a H3 hiszton 10-es szerinjének (S10H3) foszforilációja szerepet játszik a perzisztáló fájdalom epigenetikus szabályozásában, és a p-S10H3 a nociceptív neuronok aktiválódásának új markere.
Results in English
We demonstrated that labelling of the substantia gelatinosa of the spinal dorsal horn following application of capsaicin onto rat peripheral nerves by choleratoxin B subunit-horseradish peroxidase conjugate (CTB-HRP), which binds to GM1 ganglioside, may be attributed to a phenotypic switch of C-fiber nociceptive primary sensory neurons, rather than a sprouting response of myelinated afferents. Electron microscopic histochemistry of CTB-HRP in peripherally-injured but not in intact C-fiber, unmyelinated dorsal root axons furnished direct evidence for this notion. Since perineural capsaicin treatment produces long-term regional analgesia in experimental animals, including primates, these findings significantly contribute to our understanding of mechanisms implicated in pain and antinociception. The significance of gangliosides in the mechanisms of pain sensation was further supported by our observations showing that activation of the archetypal nociceptive ion channel transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) by capsaicin, noxious heat, acidic pH or endovanilloids is critically dependent on an intact neuronal ganglioside status. The activation of another major nociceptive ion channel, TRPA1 was also dependent on neuronal GM1 ganglioside level. Finally, we demonstrated that phosphorylation of serine 10 in histone 3 (S10H3) in spinal dorsal horn neurons is involved in the epigenetic regulation of prolonged pain, and p-S10H3 is a novel marker of nociceptive stimulation.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101873
Decision
Yes





 

List of publications

  
Oszlács O, Jancsó G, Kis G, Dux M, Sántha P: Perineural capsaicin induces the uptake and transganglionic transport of choleratoxin B subunit by nociceptive C-fiber primary afferent neurons, Neuroscience. 311:243-52, 2015
Dux M, Deák É, Tassi N, Sántha P, Jancsó G: Endovanilloids are potential activators of the trigeminovascular nocisensor complex, J Headache Pain 2016;17:53., 2016
Santha P, Dobos I, Oszlacs O, Jancso G: Chemical sensitivity of rat primary sensory neurons is regulated by glusocylceramide synthase, In: 8th European Pain Federation EFIC. Konferencia helye, ideje: Firenze, Olaszország, 2013.10.09-2013.10.12. Paper 52., 2013
P Sántha, A B Lázár, G K Kis, É Hegyeshalmi, G Jancsó: Neurochemical phenotypes of chemosensitive vagal afferent neurons which express the insulin receptor and innervate the rat pancreas, In: 8th European Pain Federation EFIC. Konferencia helye, ideje: Firenze, Olaszország, 2013.10.09-2013.10.12. Paper 53., 2013
Torres-Pérez JV, Sántha P, Varga A, Szücs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivadó M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancsó G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain, Scientific Reports 2017 Jan 25;7:41221., 2017
Sousa-Valente J, Varga A, Torres-Perez JV, Jenes A, Wahba J, Mackie K, Cravatt B, Ueda N, Tsuboi K, Sántha P, Jancsó G, Tailor H, Avelino A, Nagy I: Inflammation of peripheral tissues and injury to peripheral nerves induce differing effects in the expression of the calcium-sensitive N-arachydonoylethanolamine-synthesizing enzyme and related molecules in rat primary sensory neurons, J Comp Neurol. 2016 Dec 20. doi: 10.1002/cne.24154. [Epub ahead of print], 2016
Boros K, Jancsó G, Dux M, Fekécs Z, Bencsik P, Oszlács O, Katona M, Ferdinandy P, Nógrádi A, Sántha P: Multiple impairments of cutaneous nociceptor function induced by cardiotoxic doses of Adriamycin in the rat, Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 2016;389(9):1009-20., 2016
Marics B, Peitl B, Varga A, Pázmándi K, Bácsi A, Németh J, Szilvássy Z, Jancsó G, Dux M: Diet-induced obesity alters dural CGRP release and potentiates TRPA1-mediated trigeminovascular responses, Cephalalgia. pii: 0333102416654883. [Epub ahead of print], 2016
Marics B, Peitl B, Pázmándi K, Bácsi A, Németh J, Oszlács O, Jancsó G, Dux M: Diet-Induced Obesity Enhances TRPV1-Mediated Neurovascular Reactions in the Dura Mater, Headache. 2017 Mar;57(3):441-454., 2017
Dux M, Santha P, Jancso G: The concept of the trigeminal nocisensor complex offers a new approach to the understanding of the pathophysiological role of CGRP in headaches, In: Krzysztof Wasowicz (szerk.) 10th Joint Meeting of the European Neuropeptide Club and the Summer Neuropeptide Conference. Konferencia helye, ideje: Gdynia, Lengyelorsz, 2013
Boros K, Katona M, Oszlacs O, Dux M, Santha P, Jancso G: Multiple impairmnets of cutaneous nociceptor function by adiamycin, In: 8th European Pain Federation EFIC. Konferencia helye, ideje: Firenze, Olaszország, 2013.10.09-2013.10.12. Paper 44., 2013
Deak E, Martonosi A, Jancso G, Dux M: Endogenous vanilloids are putative activators of the trigeminal nocisensor complex: relevance to headache mechanisms, In: IBRO Workshop. Konferencia helye, ideje: Debrecen, Magyarország, 2014.01.16-2014.01.17. Paper P26., 2013
Dux M, Tassi N, Deak E, Jancso G: Endogenous vanilloids are potential activators of the trigeminal nocisensor complex: relevance to headache mechanisms, In: 8th European Pai Federation EFIC. Konferencia helye, ideje: Florence, Olaszország, 2013.10.09-2013.10.12. Florence: Paper 45., 2013
Orsolya Oszlács, Péter Sántha, Ildikó Dobos, Gyöngyi Kis, Gábor Jancsó: Glucosylceramide synthase regulates the activation of TRPV1 and TRPA1 receptors in cultured dorsal root ganglion neurons, MITT 15. konferencia, Budapest, január 22-23, 2015
Péter Sántha, Szandra Lakatos, Ágnes Judit Horváth, Gábor Jancsó: Collateral sprouting of nociceptive afferents is inhibited by spared axons in the chemodenervated rat skin, MITT 15. konferencia, Budapest, január 22-23, 2015
Krisztina Boros, Márta Katona, Orsolya Oszlács, Mária Dux, Péter Sántha, Gábor Jancsó: Cardiotoxic doses of doxorubicin cause early impairment of cutaneous nociceptors, MITT 15. konferencia, Budapest, január 22-23, 2015
Lázár Bence András, Jancsó Gábor, Sántha Péter: Neuronális inzulin receptorok szerepe az érző ganglionsejtek neuritogenezisében, MÉT 79. vándorgyűlése, Szeged, 2015. május 27-30., 2015
Péter Sántha, Szandra Lakatos, Ágnes Horváth, Dániel Segesdi, Gábor Jancsó: New method for longitudinal examination of the cutaneous sensory reinnervation and its regulation in the denervated rat skin, MÉT 79. vándorgyűlése, Szeged, 2015. május 27-30., 2015
Gábor Jancsó: Plasticity of C-fibre spinal afferent neurons, Magyar Anatómus Társaság XIX. Kongresszusa Szeged, 2015 június 11-13., 2015
Péter Sántha, Orsolya Oszlács, Ivett Szeredi, Hajnalka Hegedűs, Gábor Jancsó: Spinal microgliosis induced by peripheral nerve lesions: the role of A- and C-fiber primary afferent neurons, Magyar Anatómus Társaság XIX. Kongresszusa Szeged, 2015 június 11-13., 2015
Gábor Jancsó, Péter Sántha: The foundation of sensory pharmacology: Nicholas (Miklós) Jancsó and the Szeged contribution, Temperature 2:2, 1-6, 2015



Back »