Remodeling of medial prefrontal cortex (mPFC) glutamatergic pathways in experimental monoarthritis: role of the ventral mPFC in descending nociceptive modulation

Abstract

The understanding of pain mechanisms and the development of novel therapies relies mostly on our knowledge of neurotransmitter pharmacology in nociceptive processing. These neurotransmitter pathways have been extensively characterized at the peripheral nervous system, spinal cord and brainstem levels; however, our knowledge is less comprehensive regarding frontal brain regions. The beginning of the XXI century brought the conventionalization of brain imaging technologies and the uncovering of the major involvement of cortico-limbic structures in pain phenomena. Imaging studies showed that continuous noxious peripheral inputs elicit profound morphological and functional changes in areas such as the prefrontal cortex (PFC), contributing to the emotional and cognitive imbalances occurring in chronic pain. However, contrary to well-studied brainstem pain modulatory areas, such as the rostral ventromedial medulla (RVM) or the dorsal reticular nucleus (DRt), the molecular mechanisms in frontal regions of the brain remain understudied. Hence, we propose to clarify the role of two medial PFC (mPFC) areas, the prelimbic and infralimbic cortices (PL and IL, respectively) towards nociceptive modulation in normal conditions, as well as in prolonged inflammatory pain. The long-term effects of intra-articular injection of kaolin and carrageenan (K/C; four weeks after induction) upon nociceptive behavior and knee joint structure consisted of the development of severe lesions in the articular joint concomitantly to sustained primary hyperalgesia and altered gait. Using a behavioral approach, the tonic and phasic actions of the PL and IL were evaluated in healthy (SHAM, saline intra-articular injection) animals by locally microinjecting lidocaine and glutamate, respectively. This approach uncovered the opposing effects of glutamate in the PL and IL: fast antinociception resulted from PL activation, while slow pronociception resulted from IL activation. The use of metabotropic glutamate receptor (mGluR) agonists and antagonists allowed to dissect the slow effect of glutamate in the IL and to conclude that it acts preferentially upon mGluR5 to facilitate nociception in both SHAM and K/C animals. Interestingly, mGluR5 has no tonic nociceptive input in healthy animals, as observed by the lack of effect of an mGluR5 antagonist. After four weeks of K/C, however, mGluR5 antagonist exerted antinociception, an effect dependent on intact astrocyte function, as shown by the loss of mGluR5 antagonist effect after astrocyte ablation with a specific gliotoxin, L-α-aminoadipate. The contribution of mGluR5 to IL-mediated pronociception was also evaluated by performing electrophysiological recordings of the nociceptive modulatory cells of the RVM and the DRt, as well as in the nociceptive neurons of the spinal dorsal horn. Pronociception from the IL was relayed through the DRt in healthy animals; however, the relay shifted to the RVM after prolonged inflammatory pain. In the dorsal horn, the heat-evoked responses of both wide-dynamic range (WDR) and nociceptive specific (NS) neurons were exacerbated by IL application of mGluR5 agonist in SHAM and K/C animals. Finally, there is also evidence that spinal TRPV1 are possible mediators of IL-induced pronociception. In conclusion, mGluR5 in the IL exacerbates nociceptive behavior, as well as the electrophysiological responses of DRt and spinal nociceptive neurons to peripheral noxious stimulation in rodents. Long-term exposure to inflammatory pain leads to plastic changes in the IL, which promote astrocytic dependent nociceptive modulation and the remodeling of IL-mediated pronociceptive descending pathways from a DRt to a RVM-dependent pathway. Further studies should focus on modulation of the motivational/affective aspects of pain modulation by the IL, for a better understanding of the mechanisms that underlie the development of chronic pain and its associated comorbidities.

A compreensão dos mecanismos de dor e o desenvolvimento de novas terapias para o seu tratamento depende principalmente do nosso conhecimento da farmacologia dos neurotransmissores implicados no processamento nociceptivo. Estas vias de neurotransmissores estão extensamente caracterizadas ao nível do sistema nervoso periférico, da medula espinhal e do tronco cerebral; em relação às áreas frontais do cérebro, no entanto, o nosso conhecimento é menos abrangente. No início do século XXI o uso de tecnologias de imagiologia cerebral tornou-se mais corrente e levou à descoberta do enorme envolvimento de estruturas cortico-límbicas em fenómenos de dor. Estudos de imagiologia mostraram que estímulos periféricos nóxicos contínuos provocam alterações morfológicas e funcionais profundas em áreas como o córtex pré-frontal (PFC) e contribuem para o desenvolvimento de distúrbios emocionais e cognitivos em dor crónica. No entanto, ao contrário de áreas moduladoras da dor bem caracterizadas como o bolbo rostral ventromedial (RVM) ou o núcleo reticular dorsal (DRt), os mecanismos moleculares das áreas frontais do cérebro permanecem pouco estudados. Consequentemente, propusemo-nos a clarificar o papel de duas áreas do PFC medial (mPFC), os córtices pré-límbico e infralímbico (PL e IL, respetivamente), na modulação da nocicepção em condições normais, bem como em dor inflamatória prolongada. Os efeitos a longo prazo da injeção intra-articular de caulino e carragenina (K/C; quatro semanas depois da indução) no comportamento nociceptivo e na estrutura articular do joelho consistiram no desenvolvimento de lesões severas na articulação concomitantemente com hiperalgesia primária persistente e alterações na marcha. Através do uso de uma abordagem comportamental e da microinjeção local de lidocaína e de glutamato, avaliaram-se os efeitos nociceptivos tónicos e fásicos, respetivamente, do PL e do IL em animais normais (SHAM, injeção intra-articular de solução salina). Esta abordagem revelou os efeitos opostos exercidos pelo glutamato no PL e no IL: a ativação do PL promoveu um efeito antinociceptivo rápido, enquanto a ativação do IL resultou num efeito pronociceptivo lento. Para examinar o efeito comportamental lento do glutamato no IL usaram-se agonistas e antagonistas de recetores metabotrópicos de glutamato (mGluR), concluindo-se que o glutamato atua preferencialmente nos recetores mGluR5 do IL para facilitar a nocicepção em animais SHAM e K/C. Curiosamente, os mGluR5 não exercem uma ação tónica em animais normais, tal como pôde ser observado pela falta de alterações comportamentais após a injeção de um antagonista de mGluR5. Pelo contrário, após quatro semanas de dor inflamatória o antagonista do mGluR5 promoveu um efeito antinociceptivo. Este efeito é dependente do funcionamento normal dos astrócitos, já que o antagonista de mGluR5 perdeu o efeito após a ablação dos astrócitos com uma gliotoxina específica, o L-α-aminoadipato, injetada no IL. A contribuição dos mGluR5 para o efeito pronociceptivo mediado pelo IL foi também estudado através da avaliação eletrofisiológica de alterações na atividade das células moduladoras da nocicepção do RVM e do DRt, bem como dos neurónios nociceptivos do corno dorsal da medula espinhal. Em animais normais, a pronocicepção desencadeada pelo IL foi mediada através do DRt, mas em animais com dor inflamatória esta mediação descendente passou a ser feita através do RVM. No corno dorsal, as respostas evocadas por estímulos quentes nóxicos em neurónios widedynamic range (WDR) ou nociceptive specific (NS) foram exacerbadas pela aplicação de um agonista do mGluR5 no IL quer em animais SHAM, quer em animais K/C. Finalmente, existem também indícios de que os recetores TRPV1 da medula espinhal podem ser mediadores do efeito pronociceptivo do IL. Em conclusão, os mGluR5 no IL promovem a facilitação do comportamento nociceptivo, assim como das respostas eletrofisiológicas do DRt e de neurónios nociceptivos da medula espinhal a estímulos periféricos nóxicos em roedores. A exposição prolongada a dor inflamatória causou alterações plásticas no IL, promovendo a modulação da nocicepção por parte dos astrócitos, e levando à reorganização das vias descendentes do IL de uma via mediada pelo DRt para uma via mediada pelo RVM. Em trabalhos futuros, deverá ser explorada a modulação por parte do IL dos aspetos motivacionais e afetivos da dor, de modo a promover um melhor entendimento dos mecanismos subjacentes ao desenvolvimento de dor crónica e das comorbidades a ela associadas.