Mechano- and thermosensitivity of muscle afferents 4 hours to 7 days after nerve injury and their responsiveness to TRP agonists

Kirillova, Irina

Injury of limb nerves leading to neuropathic pain mostly affects also deep somatic nerves including muscle nerves. The role of the afferent and efferent innervation of deep somatic tissues in triggering and maintaining neuropathic pain remains unclear and has not been studied so far. Ectopic impulses in the injured myelinated and unmyelinated afferents occurring spontaneously or being evoked by mechanical or thermal stimulation are considered to be crucial for the development of neuropathic pain. Functional discharge characteristics and molecular transduction mechanisms underlying the mechano- and thermosensitivity of injured muscle afferents have to date not been systematically studied and are practically unknown. This study on rats concentrates on the discharge characteristics of myelinated (A-fibers) and unmyelinated (C-fibers) muscle afferent neurons using neurophysiological techniques in vivo, 4-13 hours or 4-7 days following crush lesion of the lateral gastrocnemius-soleus nerve. The injured muscle afferent neurons were studied for: (a) their responsiveness to mechanical and thermal stimulation; the rate and pattern of spontaneous activity; the conduction velocity of the injured axons with respect to their response properties to the physiological stimuli and to the spontaneous activity; the response pattern (combinations of responses) to physiological stimuli; (b) their responsiveness to local application of the transient receptor potential (TRP) agonists capsaicin (TRPV1), menthol (TRPM8) and mustard oil (TRPA1); (c) their responsiveness to activation of postganglionic axons by electrical stimulation of the sympathetic chain; and (d) their afterdischarge to electrical stimulation of the muscle nerve. (1) Four to 13 hours after muscle nerve injury ectopic activity is almost absent in A-fibers but already present in many C-fibers. Four to 7 days after lesion of the muscle nerve almost all injured afferent A- and C-fibers develop ongoing and/or evoked activity originating at the injury site. Mechanosensitivity is prominent in the majority of A- and C-fibers. Heat and cold sensitivity in injured A-fibers and cold sensitivity in injured C-fibers appear to be novel functional properties. In the first two weeks after a nerve injury the proportion of A-and C-fibers exhibiting ectopic activity are double as high in a muscle nerve then in a skin nerve. (2) Capsaicin dose-dependently activates most heat-sensitive C- and some heat-sensitive A-fibers and desensitizes almost all heat-sensitive muscle afferents for heat stimuli without affecting cold- or mechanosensitivity. Thus heat-sensitivity of most C- and some A- muscle afferents may be dependent on the TRPV1 channel. Heat-sensitivity of the capsaicin-insensitive A-fibers might be mediated by other channels (e.g., the TRPV2 channel, which is reported to be present mainly in medium- to large-diameter primary afferent neurons). Menthol dose-dependently activates all cold-sensitive C-fibers and sensitizes their cold response. Most cold-sensitive A-fibers are depressed in their activity and desensitized in their responses to cold stimuli by menthol. Cold-sensitivity of injured unmyelinated muscle afferents is probably mediated by the TRPM8 channel. However, other channels (e.g., the TRPA1 channel) may be involved in the novel cold- sensitivity of injured muscle A- afferents. (3) Sympathetic-afferent coupling is probably absent 4-7 days after the lesion of the muscle nerve. Longer regenerating time periods are probably required to accomplish this afferent-efferent cross-talk. (4) About 20% of the myelinated muscle afferents, but no afferent C-fibers, show afterdischarges in response to suprathreshold electrical stimulation of the muscle nerve with a few impulses at 1 Hz. Lidocaine without causing conduction block or affecting the rate of spontaneous activity, dose-dependently decreases the afterdischarge arguing that the afterdischarge is probably mediated by specific sodium channels. Whether and to what degree the discharge properties of injured muscle afferents contribute to deep neuropathic pain, dysesthesias and paresthesias as well as other functional changes in patients with nerve injury has to be explored.

Schädigung von Extremitätennerven, welche zu neuropathischen Schmerzen führen, betreffen meistens tiefe somatische Nerven einschließlich Muskelnerven. Die Rolle der afferenten und efferenten Innervation tiefer somatischer Gewebe in der Erzeugung und Aufrechterhaltung neuropathischer Schmerzen ist unklar und wurde bisher experimentell mit neurophysiologischen Methoden wenig untersucht. Die spontane oder evozierte ektop erzeugte Impulsaktivität in geschädigten afferenten Neuronen mit myelinisierten oder unmyelinisierten Axonen ist wichtig in der Erzeugung und Aufrechterhaltung neuropathischer Schmerzen. Das funktionelle Entladungsverhalten und die molekularen Transduktionsmechanismen, welche der Mechano- und Thermosensibilität geschädigter Muskelafferenzen zugrunde liegen, sind bisher nicht systematisch untersucht worden und praktisch unbekannt. Die vorliegende experimentelle Arbeit an der Ratte beschreibt das Entladungsverhalten myelinisierter (A-Fasern) und unmyelinisierter (C-Fasern) Muskelafferenzen, welches mit neurophysiologischen Methoden in vivo 4-13 Stunden und 4-7 Tage nach Quetschläsion des Nervus gastrocnemius-soleus zu lateralen Wadenmuskulatur der Rattenhinterextremität herausgearbeitet worden ist. Folgende Merkmale der geschädigten afferenten Muskelneurone wurden untersucht: (a) Die Entladungen auf mechanische und thermische Reizung; die Höhe und das Muster der Spontanaktivität; die Leitungsgeschwindigkeiten der Afferenzen aufgeteilt nach ihrem Entladungsverhalten. (b) Die Erregbarkeit der Afferenzen auf die lokale Applikation der transient receptor potential (TRP) Agonisten Capsaicin (TRPV1), Menthol (TRPM8) und Senföl (TRPA1). (c) Die Erregbarkeit der Afferenzen bei Aktivierung der postganglionären Neurone, die in den geschädigten Muskelnerven projizieren, durch elektrische Reizung des (sympathischen) lumbalen Grenzstranges. (d) Die Nachentladung der Muskelafferenzen auf elektrische Reizung des Muskelnerven. (1) Vier bis 13 Stunden nach Nervenläsion sind A-Fasern fast nicht ektop aktiv, während viele C-Fasern schon ektope Aktivität zeigen. Vier bis 7 Tage nach Nervenläsion zeigenpraktische alleafferenten A- und C-Fasern Spontanaktivität und/oder mechanisch oder thermisch erzeugte Aktivität, die am Läsionsort entsteht. Die meisten A- und C-Fasern sind mechanosensibel. Hitze- und Kaltsensibilität sind neue funktionelle Eigenschaften der geschädigten afferenten A- und C-Fasern. Die Zahl von afferenten A- und C-Fasern mit ektop erzeugter Aktivität ist doppelt so hoch in den geschädigten Muskelnerven als im geschädigten Hautnerven. (2) Capsaicin aktiviert dosisabhängig die meisten hitzesensible C-Fasern und einige hitzesensiblen A-Fasern und desensibilisiert praktisch alle hitzesensiblen Afferenzen für Hitzereize ohne die Antworten auf Kaltreize oder mechanische Reize zu beeinflussen. Die Hitzesensibilität der geschädigten Afferenzen scheint deshalb durch den TRPV1-Kanal vermittelt zu werden. Bei Capsaicin-insensiblen aber hitzesensiblen A-Fasern kann der TRPV2-Kanal, der in afferenten Neuronen mit großen Zellkörpern nachwiesen worden ist, eine Rolle spielen. Menthol aktiviert dosisabhängig alle kaltsensiblen C-Fasern und sensibilisiert sie für Kaltreize. Menthol hemmt die ektope Aktivität in den meisten kaltsensiblen A-Fasern und desensibilisiert diese Fasern für Kaltreize. Die Kaltsensibilität geschädigter C-Fasern wird wahrscheinlich durch den TRPM8-Kanal vermittelt. Andere TRP-Kanäle (z.B. der TRPA1-Kanal) können die Kaltsensibilität in geschädigten A-Fasern vermitteln. (3) Eine funktionelle Kopplung von sympathischen efferenten Fasern zu geschädigten Muskelafferenzen ist 4 bis 7 Tage nach Nervenläsion praktisch nicht nachweisbar. Längere Zeitintervalle nach Nervenläsion sind vermutlich nötig für die Entwicklung dieser pathologischen Kopplung nach Nervenläsion. (4) Überschwellige elektrische Reizung des Muskelnerven mit wenigen Impulsen erzeugt Nachentladungen in etwa 20% der myelinisierten Afferenten, jedoch nicht in unmyelinisierten Afferenzen. Diese Nachentladung ist abhängig von der Reizstärke and kann vollständig blockiert werden durch Applikation von Lidokain an den Reizelektroden in Konzentrationen, die weder die Fortleitung noch die evozierten Aktivitäten blockieren. Die Nachentladungen werden vermutlich durch spezielle Natriumkanäle vermittelt. Ob und in welchem Ausmaß das ektope Entladungsverhalten mechanisch geschädigter Muskelafferenzen zu neuropathischen Schmerzen, Dysästhesien, Parästhesien und sonstigen funktionellen Störungen bei Patienten mit Nervenläsionen beiträgt, werden zukünftige Untersuchungen zeigen müssen.

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Kirillova, Irina: Mechano- and thermosensitivity of muscle afferents 4 hours to 7 days after nerve injury and their responsiveness to TRP agonists.

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