Nav and thermosensitive TRP ion channels as a key molecular and functional landmark for neuropathic pain transduction in subsets of somatosensory neurons

Abstract

El dolor crónico, especialmente el dolor neuropático, afecta aproximadamente a 1.500 millones de personas en todo el mundo, causando un sufrimiento intenso e imponiendo importantes cargas económicas a través de los costes de atención médica, pagos por discapacidad y pérdida de productividad. A pesar de su prevalencia, los tratamientos disponibles muestran una efectividad variable debido a la falta de herramientas diagnósticas y terapéuticas. Esta investigación forma parte del proyecto PIANO, un gran consorcio internacional cuyo objetivo es mejorar nuestra comprensión y tratamiento del dolor neuropático que afecta a unos 1.500 millones de personas en todo el mundo. PIANO tiene como objetivo superar estos obstáculos focalizando el tratamiento en las primeras etapas de la vía del dolor, los ganglios de la raíz dorsal (DRG), minimizando los efectos secundarios. Entre los objetivos de PIANO destaca la neuropatía periférica inducida por quimioterapia (CIPN), un efecto secundario grave producido por los medicamentos contra el cáncer como el paclitaxel, para la que no se ha encontrado un tratamiento eficaz. Esta tesis se alinea con investigaciones en curso dentro de PIANO para explorar el papel de los canales termo TRP (TRPV1, TRPM8, TRPA1) en la sensibilización de las neuronas sensitivas, crucial para comprender la fisiopatología molecular de la neuropatía. Estos canales actúan como detectores moleculares de estímulos térmicos y químicos y son potenciados por agentes proinflamatorios, un proceso que aumenta el reclutamiento de canales TRP a la membrana y modifica sus propiedades de activación. La investigación sobre estos canales ha abierto nuevas vías para el desarrollo de analgésicos innovadores. En esta tesis se estudian los efectos de la exposición secuencial al paclitaxel sobre la excitabilidad y la integridad de las neuronas sensitivas utilizando un cultivo primario a largo plazo de neuronas nociceptivas de ratón (15 DIV). Se realizaron dos aplicaciones de paclitaxel de 24 horas, administradas de manera cíclica para imitar los ciclos de quimioterapia en humanos. Se observó un aumento en la actividad espontánea y la frecuencia de disparo de los potenciales de acción en neuronas sensitivas IB4(+) e IB4(-). Los efectos neurotóxicos tras la primera exposición al agente quimioterapéutico fueron notorios y persistentes 96h después de la segunda dosis. Se observaron cambios significativos en el umbral de disparo y en la fase de hiperpolarización posterior, junto con una mayor actividad de los canales Nav y TRP termo sensibles (TRPV1, TRPM8, TRPA1). Además, se observó una notable retracción axonal tras la segunda dosis, subrayando el impacto duradero del paclitaxel en la estructura y la función neuronal. Este estudio avanza el estado del arte al investigar cómo la neuropatía inducida por paclitaxel altera la expresión y función de TRPV1, TRPM8 y de los canales de sodio, con el objetivo de mapear los cambios de activación en las vías de dolor, lo cual podría dirigir nuevas terapias para la CIPN y otras formas de dolor neuropático. Adicionalmente, se han probado diversos moduladores de TRPV1 y TRPM8 para evaluar su capacidad de aliviar la neuropatía periférica inducida por quimioterapia. Los moduladores se seleccionaron específicamente por su potencial para disminuir la hipersensibilidad y mejorar los efectos neuroprotectores en los DRG afectados. Estos moduladores buscan estabilizar el estado inactivo de los canales TRP y reducir la actividad anómala de las neuronas sensitivas, lo que podría resultar en un tratamiento más eficaz y menos invasivo para el dolor neuropático.

Chronic pain, especially neuropathic pain, affects approximately 1.5 billion people worldwide, causing intense suffering and imposing significant economic burdens through healthcare costs, disability payments, and lost productivity. Despite its prevalence, available treatments show variable effectiveness due to the lack of diagnostic and therapeutic tools. This research is part of the PIANO project, a large consortium aimed at improving our understanding and treatment of neuropathic pain affecting about 1.5 billion people worldwide. PIANO aims to overcome these obstacles by localizing treatment at the first stations of the pain pathway, the dorsal root ganglia (DRG), minimizing side effects. Among PIANO's objectives is chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN), a severe and poorly resolved side effect of cancer drugs like paclitaxel, for which no effective treatment has been found. This thesis aligns with ongoing PIANO research to explore the role of thermo TRP channels (TRPV1, TRPM8, TRPA1) in sensory neuron sensitization, crucial for understanding the molecular pathophysiology of neuropathy. These channels act as molecular detectors of thermal and chemical stimuli and are potentiated by proinflammatory agents, a process that increases TRP channel recruitment and modifies their activation properties. Research on these channels has opened new avenues for developing innovative analgesics. This project studies the effects of sequential paclitaxel exposure on the excitability and integrity of sensory neurons using a long-term primary culture of mouse nociceptive neurons (15 DIV). Two 24-hour applications of paclitaxel, administered cyclically to mimic chemotherapy cycles, increased spontaneous activity and action potential firing frequency in IB4(+) and IB4(-) sensory neurons. Although the neurotoxic effects of the first exposure were noticeable, they persisted 96 hours after the repeated dose, with significant changes observed in firing threshold and the second phase of after-hyperpolarization, along with increased activity in thermo-sensitive Nav and TRP channels (TRPV1, TRPM8, TRPA1). Additionally, notable axonal retraction was observed after the second dose, underscoring the lasting impact of paclitaxel on neuronal structure and function. This project advances the state of the art by investigating how paclitaxel-induced neuropathy alters the expression and function of TRPV1, TRPM8, and sodium channels, aiming to map activation changes in pain pathways, which could lead to new therapies for CIPN and other forms of neuropathic pain. In this study, various modulators of TRPV1 and TRPM8 were examined to evaluate their ability to relieve chemotherapy-induced peripheral neuropathy. Modulators of these ionotropic channels, which regulate sensory neuron excitability, were specifically selected for their potential to decrease hypersensitivity and improve neuroprotective effects in affected DRG. These modulators aim to stabilize the inactive state of TRP channels and reduce abnormal sensory neuron activity, potentially resulting in a more effective and less invasive treatment for neuropathic pain.