Mechanosensitive ion channels in osteoarthritis pain

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease affecting nearly 5 million of Canadians, with aneconomic impact of over $30 billion each year in direct and indirect costs. Pain is the prominent symptom of OA, yet its underlying mechanisms are not completely understood, leading to a lack of effective pain therapies. OA pain is manifested by a hypersensitivity to mechanical stimuli such as joint movement or palpation. Although the mechanical sensitization of pain-sensing nerve fibers, known as nociceptors, innervating the joint has been documented, the molecular and cellular mechanisms underlying this sensitization are currently unknown. The peripheral terminals of nociceptors express mechanosensitive ion channels (MSCs) that convert mechanical stimuli into depolarizing potentials. Our central hypothesis is that the sensitization of nociceptors to mechanical stimuli in OA can be explained by changes in the properties of these MSCs, whereby their activation threshold is reduced during the disease. Using the monoiodoacetate model of OA in mice, we demonstrate that mice develop chronic mechanical allodynia. Furthermore, cell–attached electrophysiological recordings of nociceptors isolated from OA mice indicate an increase in the current elicited by mechanical stimuli, as well as a reduced activation threshold of MSCs, when compared to naïve mice. An understanding of the molecular bases for these changes is presently impossible because the identity of the genes encoding MSCs isunknown. Interestingly, in a previous screen for MSC candidates, we identified five transmembrane proteins of unknown function (TMEMs). Our results indicate these candidates are expressed in sensory neurons and the mRNA of three of them is increased in OA. When expressed in COS-7 cells, two of these candidates, TMEM5B and TMEM1, caused an increase and decrease in cellular mechanosensitivity. This project will lead to a better understanding of the molecular mechanisms underlying arthritis pain.L'ostéoarthrite (OA) est une maladie débilitante affectant près de 5 millions de Canadiens et ayant un impact économique de plus de 30 milliards de dollars en coûts directs et indirects. Bienque le symptôme principal de l'OA est la douleur, les mécanismes qui en sont responsables ne sont pas compris, et par conséquent, les thérapies effectives contre la douleur sont manquantes. La douleur causée par l'OA est manifestée par une hypersensibilité aux stimuli mécaniques tels le mouvement des jointures ou la palpation. Bien que la sensibilisation mécanique des fibres nerveuses qui détectent la douleur (nocicepteurs) innervant la jointure ait été documentée, les mécanismes moléculaires et cellulaires de base de la sensibilisation ne sont pas compris. Les terminaisons périphériques des nocicepteurs expriment des canaux ioniques mécanosensibles (MSCs) responsables de la conversion des stimuli mécaniques en potentiels dépolarisants. Notrehypothèse centrale est que durant l'OA, la sensibilisation des nocicepteurs aux stimulimécaniques peut être attribuée aux changements des propriétés de base des MSCs, où leur seuil d'activation est réduit lors de la maladie. Nous démontrons, en utilisant le modèle de monoiodoacetate de l'OA chez la souris, que cette dernière développe une allodynie mécaniquechronique. De plus, les enregistrements électrophysiologiques en configuration cellule-attachée faites à partir des nociceptors isolés des souris OA indiquent une augmentation du courant élicitépar les stimuli mécaniques, ainsi qu'une réduction dans le seuil d'activation des MSCs encomparaison aux souris naïves. Une compréhension de la base moléculaire de ces changements est présentement impossible car l'identité des gènes qui encodent les MSCs n'est pas connue. Dans des expériences antérieures, au cours desquelles nous avons fait un criblage différentiel afin d'identifier des candidats de MSC, nous avons identifié cinq protéines transmembranaires de fonctions inconnues (TMEMs). Nos résultats indiquent que ces candidats sont exprimés dans les neurones sensoriels et que l'ARNm de trois de ces derniers augmente durant l'OA. Lorsqu'exprimés dans les cellules COS-7, deux des candidats (TMEM5B et TMEM1) ont causé une augmentation et une diminution de la mécanosensibilité cellulaire. Ce projet nous donnera une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de base de la douleur arthritique