Immunological mechanisms of inflammatory pain control

Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen und Danksagung Einleitung und Stand der Forschung Hypothesen, Experimentelle Strategien und Ergebnisse Diskussion Zusammenfassung Literatur und SonderdruckeIm entzündeten Gewebe werden aus Leukozyten Opioidpeptide freigesetzt, binden an Opioidrezeptoren auf peripheren sensorischen Neuronen und hemmen so den Entzündungs-schmerz. Diese periphere opioidvermittelte Schmerzhemmung stellt eines der wesentlichen körpereigenen schmerzhemmenden Systeme im entzündeten Gewebe dar, dessen Relevanz sowohl in experimentellen Entzündungsmodellen als auch bei Patienten mit akuten postoperativen oder chronischen Schmerzen nachgewiesen wurde. In dieser Habilitationsschrift wurden wesentliche immunologische und molekularbiologische Mechanismen dieser Schmerzhemmung in einem experimentellen Entzündungsmodell charakterisiert. Ausgehend von den ursprünglich formulierten Hypothesen können fünf Schlussfolgerungen gezogen werden: Hypothese A: In der frühen Phase einer Entzündung (< 24 h) sind Granulozyten die quanti-tativ größte Population opioidhaltiger Leukozyten und für eine periphere opioidvermittelte Schmerzhemmung verantwortlich. In späteren Phasen (> 24 h) sind Monozyten/Makro-phagen die dominante Population und tragen zu einer Schmerzhemmung bei. Ergänzend zeigen andere Arbeiten, dass opioidhaltige Lymphozyten ebenfalls schmerzhemmend wirken können. Eine Schmerzhemmung durch Freisetzung von Opioidpeptiden ist also eine weit verbreitete Fähigkeit verschiedener Leukozytenpopulationen und damit bei einer Vielzahl immunologischer Prozesse von potentieller Bedeutung. Hypothese B: Die Rekrutierung opioidhaltiger Leukozyten wird durch Adhäsionsmoleküle (ICAM-1, Selektine, Integrine) und Chemokine (CXCR2 Liganden) gesteuert. Die Blockade dieser Komponenten führt neben der verminderten Rekrutierung opioidhaltiger Leukozyten zu einer verminderten peripheren Schmerzhemmung. In verschiedenen entzündlichen Erkrankungen (z. B. rheumatoide Arthritis) werden derzeit antiinflammatorische Therapie-ansätze evaluiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Strategien die Rekrutierung opioid-haltiger Leukozyten beeinträchtigen und die körpereigene Schmerzhemmung unterdrücken könnten. Hypothese C: In der frühen Entzündung ist die Anzahl opioidhaltiger Leukozyten niedrig und die periphere opioidvermittelte Schmerzhemmung gering ausgeprägt. Eine vermehrte Rekrutierung opioidhaltiger Leukozyten durch zusätzliche Injektion von granulozytenspezifi-schen Chemokinen (CXCR2 Liganden) hemmt jedoch Schmerzen nicht stärker. Diese Ergebnisse unterstützen ein Modell, nach dem die periphere Schmerzhemmung in der frühen Entzündung nicht nur durch Liganden, sondern auch durch die Anzahl und Funktion der Opioidrezeptoren auf den peripheren sensorischen Neuronen begrenzt wird. Hypothese D: Eine selektive Einwanderung von Granulozyten durch lokale Injektion granulozytenspezifischer Chemokine (CXCR2 Liganden) ruft im Gegensatz zur CFA- Entzün-dung keine Schmerzen hervor, obwohl die rekrutierten Granulozyten in gleichem Maße aktiviert sind. Granulozyten scheinen also für die Entstehung von Entzündungsschmerz eine allenfalls untergeordnete Bedeutung zu spielen. Hypothese E: CXCR2 Liganden können die Rekrutierung von opioidhaltigen Granulozyten beeinflussen. Darüber hinaus führen sie zur Freisetzung von Opioidpeptiden aus Granulo-zyten und hierdurch zu einer peripheren Schmerzhemmung. Die Opioidpeptidfreisetzung ist abhängig von einer durch Inositoltriphosphat getriggerten intrazellulären Kalziummobilisation. Die durch CXCR2 Liganden ausgelöste Opioidpeptidfreisetzung aus Granulozyten erfolgt also nach ähnlichen Mechanismen wie die Sekretion anderer Proteine aus Granula. Die Relevanz dieser Signaltransduktionswege für eine Schmerzhemmung lässt sich in einem Transfermodell von Granulozyten in vivo bestätigen. Da dieselben Signaltransduktionswege in Granulozyten und in peripheren Neurone aktiviert werden, muss auch hier bei thera-peutischen Blockadestrategien mit unerwarteten Interaktionen gerechnet werden.At the site of an inflammation, infiltrating leukocytes can secrete opioid peptides that bind to opioid receptors on peripheral sensory neurons and, thereby, inhibit inflammatory pain. Peripheral opioid-mediated analgesia is one of the key endogenous counter regulatory systems in inflamed tissue. Its relevance has been demonstrated in experimental pain models in rodents as well as in humans with acute or chronic pain. In this thesis, both immunological and molecular biological mechanisms of this endogenous pain control were characterized in an experimental model of inflammation. Based on the initial five hyptheses the following conclusions can be drawn: Hypothesis A: In the early phase (< 24 h) granulocytes are the predominant opioid-containing leukocyte subpopulation at the site of inflammation and are responsible for peripheral opioid-mediated analgesia. In the later phase (> 24h) monocytes/macrophages are the predominant opioid-containing leukocyte subpopulation and they contribute to analgesia. Taken together, various leukocyte subpopulations have the capacity to induce opioid-mediated analgesia. This pathway could, therefore, be of functional relevance for a wide variety of inflammatory models. Hypothesis B: The recruitment of opioid- containing leukocytes is orchestrated by adhesion molecules (i.e. ICAM-1, selectins, integrins) and chemokines (CXCR2 ligands). If these steps are blocked, recruitment of leukocytes is reduced and peripheral opioid-mediated analgesia is impaired. At present, novel experimental therapeutic strategies for the treatment of inflammatory diseases (e.g. rheumatoid arthritis) involve the blockade of adhesion molecules or chemokines. Based on our experimental data, these strategies might unexpectedly increase pain since endogenous pain control might be impaired. Hypothesis C: In early inflammation (2 h) the number of opioid-containing leukocytes at the site of inflammation is low and opioid-mediated analgesia is weaker than at later time points. Recruitment of opioid-containing leukocytes can be augmented by local injection of chemokines (CXCR2 ligands) but this does not increase peripheral analgesia. This supports a model whereby analgesia is limited by peripheral opioid receptor expression or functions, but not by the availability of its ligands. Hypothesis D: Local injection of granulocyte-specific chemokines (i.e. CXCR2 ligands) induces recruitment of granulocytes without induction of pain. In contrast, inoculation of an inflammatory agent (i.e. complete Freund´s adjuvant) induces pain and a similar degree of granulocyte recruitment. In both cases, recruited granulocytes express a comparable degree of activation. Thus, granulocytes seem to play a minor role in the induction of inflammatory pain. Hypothesis E: In addition to granulocyte recruitment, CXCR 2 ligands also induce release of opioid peptides from granulocytes. This CXCR2 ligand triggered release induces peripheral analgesia. It depends on inositol-3-phosphate triggered release of calcium from internal stores. The in vivo relevance of this pathway was demonstrated by an adoptive transfer model. Since similar signal transduction pathways are active in granulocytes and neurons, interference with these pathways might inadvertently block neuronal or granulocyte function