Investigation of the role of polysulfides, TRPA1 receptors and somatostatin sst4 receptors in animal models of inflammatory and neuropathic pain, as well as rheumatoid arthritis
A poliszulfidok, a TRPA1 receptor és a szomatosztatin sst4 receptor szerepének vizsgálata gyulladásos és neuropathiás fájdalom, valamint rheumatoid arthritis állatmodelljeiben
Title in English
Investigation of the role of polysulfides, TRPA1 receptors and somatostatin sst4 receptors in animal models of inflammatory and neuropathic pain, as well as rheumatoid arthritis
Experimental pharmacology, drug discovery and design (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology
Department or equivalent
Institute of Pharmacology and Pharmacotherapy (University of Pécs)
Starting date
2014-09-01
Closing date
2018-08-31
Funding (in million HUF)
8.268
FTE (full time equivalent)
2.80
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A neuropathiás fájdalom kezelése nem teljes mértékben megoldott és a gyulladás okozta fájdalom esetében is csak kevés új gyógyszer áll rendelkezésre. A rheumatoid arthritis (RA) krónikus gyulladással járó betegség, ami gyakran rokkantsághoz vezet. A RA jelenlegi kezelése súlyos mellékhatásokkal járhat. A TRPA1 a tranziens receptor potenciál ankyrin receptor alcsalád egyetlen emlősökben megtalálható tagja. A TRPA1 receptor a peptiderg érző idegsejtek egy csoportjában expresszálódik. Aktivációjának jelentősége igazolódott neuropathiás és gyulladásos fájdalom, valamint RA állatmodelljeiben. Irodalmi adatok alapján a receptor aktivációnak gyulladás- és fájdalomkeltő szerepe van, de számos tanulmány ezzel ellenkező következtetést von le. A poliszulfidok endogén jelátvivő anyagok. Kimutatták, hogy befolyásolják az idegi ingerületátvitelt és védik az idegsejteket az oxidatív károsodástól. Nemrég felfedezték a TRPA1 receptorok poliszulfidok általi aktivációját. A TRPA1-et expresszáló neuronok aktivációja szomatosztatin (SOM) felszabaduláshoz vezethet. A szakirodalom alapján az idegi eredetű SOM sst4 receptoron keresztül szisztémás antinociceptív és gyulladásgátló hatással bír. Mivel a poliszulfid általi TRPA1 receptor aktivációnak és következményes SOM felszabadulásnak gyulladásban és fájdalomérzékelésben betöltött szerepéről nem állnak rendelkezésre tudományos adatok, a jelen pályázat ezeket a folyamatokat szeretné vizsgálni a nocicepció és RA állatmodelljeiben.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Bizonyított a TRPA1 receptornak és szomatosztatinnak (SOM) a neuropathiás és gyulladás okozta fájdalom, valaimnt a rheumatoid arthritis állatmodelljeiben – teljes Freund adjuvánssal (CFA) kiváltott krónikus több ízületi gyulladás – való részvétele. Az elfogadott tudományos álláspont szerint a TRPA1 receptor aktivációja gyulladás- és fájdalomkeltő hatású, míg a SOM antinociceptív és gyulladásgátló hatással rendelkezik, amit sst4 receptor közvetít. A SOM ingerület hatására felszabadulhat TRPA1-et expresszáló szenzoros neuronokból. Nemrég igazolódott, hogy a poliszulfidok aktiválni képesek az astrocyták TRPA1 receptorait. A pályázat első hipotézise, hogy a poliszulfidok a peptiderg érző idegsejtek TRPA1 receptorait is aktiválhatják. A pályázat második hipotézise, hogy a poliszulfid általi idegi TRPA1 receptor aktiváció SOM felszabadulásához vezethet. A pályázat harmadik hipotézise, hogy poliszulfid általi TRPA1 receptor aktiváció vagy a köetkezményes SOM felszabadulás csillapíthatja a neuropathiás és gyulladás okozta fájdalmat. A pályázat negyedik hipotézise, hogy a TRPA1-en kívül más molekulák is (pl. T-típusú kalcium csatornák) közvetíthetik az analgetikus hatást. Az ötödik hipotézis szerint a poliszulfid általi TRPA1 receptor aktiváció vagy a következményes SOM felszabadulás csökkentheti a CFA-val kiváltott krónikus polyarthritist kísérő fájdalmat és gyulladást. A pályázat ezeket a poliszulfidok antinociceptív és gyulladásgátló szerepét érintő kérdéseket szeretné megválaszolni transzgén állatok felhasználásával, a fájdalomérzékelés viselkedésbeli és molekuláris, valamint a gyulladás molekuláris, strukturális és szövettani jellemzőinek mérésével.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A neuropathiás és gyulladás okozta fájdalom, valamint krónikus autoimmun gyulladásos betegségek – pl. rheumatoid arthritis (RA) – nagy terhet rónak a betegekre és a társadalomra egyaránt. Ezeknek a kórképeknek a kezelése egyrészt nem teljesen megoldott, másrészt súlyos mellékhatásokat okozhat. Régóta alkalmaznak kéntartalmú gyógyvizet és a peptiderg érzőidegeket ingerlő növényi kivonatokat neuropathiás fájdalom és arthritis kezelésére. A jelen pályázat ezeknek a hagyományos gyógymódoknak a hatásmechanizmusát szeretné vizsgálni a neuropathiás és gyulladás okozta fájdalom, valamint RA állatmodelljeiben a legújabb tudományos eredményekre alapozva mind a fájdalom, mind a gyulladás vonatkozásában. Eredményeink fényt deríthetnek a TRPA1 receptor aktiváció összetett szerepére, a poliszulfidok hatását közvetítő különböző struktúrákra, valamint a szomatosztatin (SOM) sst4 receptorok által közvetített hatásra ezekben az állatmodellekben. Amennyiben a TRPA1 receptor aktiváció döntően gyulladás- és fájdalomkeltő befolyása igazolódik, adataink hozzájárulhatnak a TRPA1 receptor antagonisták mielőbbi klinikai alkalmazásához. Ha a TRPA1 receptor meghatározóan gyulladást és fájdalomérzékelést gátló hatására találunk bizonyítékot, az a TRPA1 receptor agonisták klinikai jelentőségét támaszthatja alá. A SOM fájdalomcsillapító és gyulladásgátló hatását bizonyító eredmények az sst4 receptor agonisták klinikai használatban való megjelenését segíthetik elő. A poliszulfidok gyulladásos folyamatokat és fájdalomérzékelést befolyásoló hatásának tisztázása elősegítheti poliszulfid vegyületek elterjedését a klinikumban.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A neuropathiás fájdalmat az idegrendszer sérülése okozza. A gyulladás is fájdalommal jár. A rheumatoid arthritis (RA) az immunrendszer kóros működése által előidézett hosszú lefolyású progresszív ízületi gyulladással járó betegség, ami gyakran rokkantsághoz vezet. Ezeknek az állapotoknak a kezelése csak tüneti, illetve súlyos mellékhatásokat okozhat. Kéntartalmú gyógyvizet és csípős növényi kivonatokat régóta alkalmaznak fájdalom és ízületi gyulladás kezelésére. Az ilyen gyógyvizek poliszulfidokat tartalmaznak. Poliszulfidok az emberi testben is megtalálhatók, ahol az agyi idegsejtek működését befolyásolják és védik őket a károsodástól. A csípős növényi kivonatok hatóanyagai az érző idegek egy részét aktiválják és olyan peptidek felszabadulásához vezetnek, mint a szomatosztatin (SOM). A SOM testszerte fájdalomcsillapító és gyulladásgátló hatást fejt ki. Ezeket a hatásokat valószínűleg az ún. sst4 receptor közvetíti. A csípős növényi kivonatok által aktivált idegrostok ún. TRPA1 receptort tartalmaznak. A receptor aktiválódása ingerli az idegeket. A TRPA1 segítségével érzékelünk számos fűszert és köhögésre ingerlő anyagot. A TRPA1 receptort a poliszulfidok is aktiválják. Új tudományos eredmények alapján a TRPA1 és SOM szerepet játszanak a fájdalomérzékelésben és gyulladásban. A jelen pályázat a poliszulfidok, TRPA1 és SOM részvételét szeretné megvizsgálni a gyulladásban és fájdalomérzékelésben az idegsérülés és gyulladás okozta fájdalom, valamint a RA állatmodelljeinek felhasználásával. Eredményeink hozzájárulhatnak ezen kórképek új kezelési módszereinek kifejlesztéséhez, mint pl. TRPA1 receptoron ható szerek, poliszulfid vegyületek és az sst4 receptort aktiváló szerek.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Therapy of neuropathic pain is still unresolved and only few new drugs are available for the treatment of inflammatory pain. Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic painful inflammatory disease often leading to disability. Its current therapy might cause substantial side effects. TRPA1 is the sole mammalian member of transient receptor potential ankyrin receptor subfamily. TRPA1 receptor is expressed in a population of peptidergic sensory neurons. Importance of TRPA1 receptor activation has been documented in animal models of neuropathic and inflammatory pain, as well as RA. Pro-inflammatory and pro-algesic influence is proposed by literature. Though, contradictory data can easily be found. Polysulfides are endogenous mediators. They have been reported to modulate neurotransmission and protect neurons from oxidative stress. Activation of TRPA1 receptors by polysulfides has been discovered recently. Excitation of TRPA1-expressing neurons might result in the release of somatostatin (SOM). Nerve-derived SOM was shown to possess systemic antinociceptive and anti-inflammatory effects mediated via sst4 receptors. Given the lack of scientific contributions on the role of polysulfide-induced TRPA1 activation and consequent SOM release in inflammation and nociception, the present application aims to investigate these processes in animal models of nociception and RA.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Involvement of TRPA1 receptors and somatostatin (SOM) in animal models of neuropathic and inflammatory pain, as well as rheumatoid arthritis (RA) – complete Freund’s adjuvant (CFA)-induced chronic polyarthritis – is well documented. General scientific opinion attributes TRPA1 activation pro-inflammatory and pro-algesic role, whilst SOM is thought to have antinociceptive and anti-inflammatory properties mediated via sst4 receptors. SOM might be released from TRPA1-expressing sensory neurons upon excitation. Recently, polysulfides have been reported to activate TRPA1 receptors on astrocytes. The first hypothesis of the application is that polysulfides might activate TRPA1 receptors on peptidergic sensory neurons. The second hypothesis of the application is that activation of neuronal TRPA1 receptors by polysulfides might lead to release of SOM. The third hypothesis of the application is that TRPA1 receptor activation by polysulfides or subsequent SOM release might attenuate neuropathic and inflammatory pain. The fourth hypothesis of the application is that structures other than TRPA1 (e.g. T-type calcium channels) might be of importance as mediators of the analgesic effects. According to the fifth hypothesis TRPA1 receptor activation by polysulfides or subsequent SOM release might abolish nociception and inflammatory changes in CFA-evoked chronic polyarthritis. The present application aims to adress these questions regarding antinociceptive and anti-inflammatory features of polysulfides utilizing transgenic animals, behavioural and molecular markers of nociception, as well as molecular, structural and histological markers of inflammation.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Neuropathic and inflammatory pain, as well as chronic autoimmune inflammatory disease – such as rheumatoid arthritis (RA) – represent great burden to patients and society. Pharmacotherapy of these pathologies is either unresolved or might evoke severe potential side effects. Sulfur-containing natural water and plant extracts exciting peptidergic sensory neurons have traditionally been used to relieve symptoms of neuropathic pain and arthritis. Based on novel scientific results, the present application aims to investigate mechanism of action of these traditional therapies in animal models of neuropathic and inflammatory pain, as well as RA regarding both nociceptive and inflammatory features. Our data might further elucidate intricate role of TRPA1 receptor activation, different mediators of polysulfide effect and somatostatin (SOM) sst4 receptors in these animal models. Verification of critical pro-inflammatory and pro-algesic influence of TRPA1 receptor activation could contribute to translation of TRPA1 receptor antagonists into clinical application. Possible anti-inflammatory and antinociceptive effects of TRPA1 activation might prove clinical significance of TRPA1 receptor agonists. Data supporting analgesic and anti-inflammatory effects of SOM might promote appearance of sst4 receptor agonists in clinical use. Confirmation of modulation of inflammatory and nociceptive processes by polysulfides might facilitate clinical application of polysulfide compounds.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Neuropathic pain is pain induced by nerve injury. Inflammatory conditions cause pain, too. Rheumatoid arthritis (RA) is a long term progressive inflammatory disease driven by the immune system and often resulting in disablitiy. Treatment of these maladies is only symptomatic and might evoke serious side effects. Sulfur-containing spring water and pungent plant extracts have traditionally been used to treat pain and arthritis. These natural waters contain polysulfides. Polysulfides are also found in the human body, where they modulate the function of brain cells and protect them from damage. Pungent plant derivatives contain compounds that excite certain sensory nerve fibres leading to the release of peptides, such as somatostatin (SOM). SOM exerts analgesic and anti-inflammatory effects throughout the body. The so called sst4 receptor might mediate these effects. Nerve fibres activated by pungent plant extracts contain the so called TRPA1 receptor. Activation of the receptor excites the nerve cells. Various spices and airway irritants are detected by TRPA1. TRPA1 is also activated by polysulfides. Recent scientific data suggest involvement of TRPA1 and SOM in pain sensation and inflammation. The present application aims to investigate the role of polysulfides, TRPA1 and SOM in inflammation and pain using animal models of nerve injury and infallamtion-induced pain, as well as RA. Results might contribute to development of novel therapeutic approaches of these diseases including drugs acting on TRPA1 receptors, polysulfide compounds and drugs activating sst4 receptors.
Final report
Results in Hungarian
Poliszulfid vegyületek TRPA1 ioncsatorna közvetítette hatásait vizsgáltuk. Tanulmányoztuk a szerves dimetil-triszulfidot (DMTS) és a nátrium-poliszulfidot (POLY). TRPA1 et kifejező CHO sejteken és egér trigeminális neuronokon igazoltuk a TRPA1 aktiválódását DMTS hatására kalcium-imaginggel és patch-clamppel. A POLY általi aktivációt CHO sejteken igazoltuk kalcium imaginggel. Mindkét vegyület TRPA1 aktiválás révén szomatosztatint szabadított fel egér idegvégződésekből radioimmunoassay módszerrel detektálva. Akut és krónikus fájdalom/gyulladás modelleket is tanulmányoztunk. Égés okozta fájdalomban a DMTS antinociceptív hatását TRPA1 aktiváció és felszabaduló szomatosztatin közvetítette sst4 receptoron. Mind a DMTS, mind a POLY enyhítette a mechanikai érzékenységet karragénnel kiváltott lábgyulladásban, de eltérő mechanizmussal. A DMTS a gyulladásos paramétereket is mérsékelte a TRPA1-től és sst4 receptortól függetlenül. Traumás mononeuropátia modellben akut DMTS és POLY kezelést alkalmaztunk. Az égési fájdalomhoz hasonlóan a DMTS TRPA1 és sst4 függő módon csillapította a mechanikai túlérzékenységet. A POLY kezelés hatástalan volt ebben a modellben. Krónikus gyulladás modellünk a teljes Freund-adjuvánssal előidézett ízületi gyulladás volt. Ebben a modellben sem a DMTS, sema POLY kezelés nem mutatott antinociceptív vagy gyulladásgátló hatást. Részt vettünk egy potenciometriás elven működő szelektív szulfid detektor fejlesztésében.
Results in English
TRPA1 ion channel mediated effects of polysulfide compounds were investigated. Organic dimethyl trisulfide (DMTS) and sodium polysulfide (POLY) were examined. DMTS-driven TRPA1 activation was confirmed in TRPA1-expressing CHO cells and murine trigeminal neurons by calcium imaging and patch-clamp. Activation by POLY was detected in CHO cells by calcium imaging. Somatostatin, measured by radioimmunoassay, was released by both compounds via TRPA1 activation from murine nerve endings. Acute and chronic models of pain/inflammation were investigated. Antinociceptive effect of DMTS in burn injury-evoked pain was mediated by TRPA1 activation and somatostatin liberation via sst4 receptors. Mechanical hyperalgesia in carrageenan-induced hind paw inflammation was ameliorated by both DMTS and POLY, but by different mechanisms. DMTS suppressed inflammatory parameters independently from TRPA1 and sst4 receptors. Acute DMTS and POLY treatments were administered in traumatic mononeuropathy model. Similarly to the burn-induced pain, mechanical hyperalgesia was inhibited by DMTS in a TRPA1 and sst4-dependent manner. POLY treatment was ineffective in this model. As modle of chronic inflammation, complete Freund’s adjuvant induced arthritis was utilized. Neither DMTS, nor POLY exhibited any antinociceptive or anti-inflammatory effects in this model. We contributed to the development of selective potentiometric sulfide detector.
Filotás D, Bátai IZ, Pozsgai G, Nagy L, Pintér E, Nagy G: Highly sensitive potentiometric measuring method for measurement of free H2S in physiologic samples, SENSOR ACTUAT B CHEM 243: 326-331, 2017
Pozsgai G, Payrits M, Saghy E, Sebestyen-Batai R, Steen E, Szoke E, Sandor Z, Solymar M, Garami A, Orvos P, Talosi L, Helyes Z, Pinter E: Analgesic effect of dimethyl trisulfide in mice is mediated by TRPA1 and sst4 receptors, NITRIC OXIDE-BIOL CH 65: 10-21, 2017
Filotás D, Bátai IZ, Pozsgai G, Nagy L, Pintér E, Nagy G: Highly sensitive potentiometric measuring method for measurement of free H2S in physiologic samples, SENSOR ACTUAT B CHEM 243: 326-331, 2017
Pozsgai G, Payrits M, Saghy E, Sebestyen-Batai R, Steen E, Szoke E, Sandor Z, Solymar M, Garami A, Orvos P, Talosi L, Helyes Z, Pinter E: Analgesic effect of dimethyl trisulfide in mice is mediated by TRPA1 and sst4 receptors, NITRIC OXIDE-BIOL CH 65: 10-21, 2017
Bátai IZ, Horváth Á, Pintér E, Helyes Z, Pozsgai G: Role of transient receptor potential ankyrin 1 ion channel and somatostatin sst4 receptor in the antinociceptive and anti-inflammatory effects of sodium polysulfide and dimethyl trisulfide, FRONT ENDOCRINOL 9: Paper 55. 12 p., 2018
