The role of mechano-sensitive ion channels in osteoarthritis pain

Osteoarthritis (OA) is a disabling and prevalent condition affecting 27 million US citizens and 4.2 million Canadians. Pain is the primary symptom of OA and it is manifested as mechanical hypersensitivity to joint palpation/movement, although the underlying mechanisms are poorly understood. This project aims to examine changes that occur in mechanosensitive ion channels (MSCs) of joint innervating pain-sensing neurons (nociceptors) during OA. These channels transduce mechanical stimuli into electrical signals. Using a mouse model that produces OA-like joint pathophysiology and pain, we assess if alteration in the gating properties of MSCs in joint-innervating nociceptors is a contributor to OA pain. We hypothesize that MSCs are sensitized to mechanical stimulation in OA and blocking their activity will reduce pain behaviours in OA mice. Using acutely dissociated neurons from healthy and OA mice, we performed electrophysiology on knee-innervating nociceptors to examine the properties of MSCs. Our data shows that MSCs from OA nociceptors have a reduced mechanical activation threshold, which results in an increased mechanically-evoked current. Analysis of the frequency of patches containing MSCs demonstrates that nociceptors of OA mice do not have an increased density of active MSCs at the membrane. Furthermore, single channel iV curves demonstrate that it is likely that the same MSC is present in both naïve and disease states. Lastly, GsTMx4, a blocker of MSCs, blocks MSCs present in knee-innervating nociceptors. Finally, in behavioral experiments, intra-articular injection of GsMTx4 in the OA knee produces significant analgesia. In summary, our model for OA pain shows that in nociceptors, MSCs are sensitized to mechanical stimuli and contribute to OA pain. Furthermore, targeting these channels in OA knees may be a valuable therapeutic strategy for managing OA pain.L’arthrose est une maladie invalidante touchant 27 millions de personnes aux États-Unis et 4.2 millions de Canadiens. Elle est caractérisée principalement par une douleur, qui se manifeste par une hypersensibilité aux stimulations mécaniques suite à un mouvement ou à la palpation des jointures. Les mécanismes sous-jacents cette hypersensibilité demeurent cependant inexpliqués. Le présent projet vise à examiner les changements induits par l’arthrose dans l’activité des canaux mécanosensibles (MSCs) exprimés dans les neurones répondant aux stimuli douloureux (nocicepteurs) qui innervent les articulations. Ces canaux convertissent les stimuli mécaniques en signaux électriques. A l’aide d’un modèle murin d’arthrose, qui reproduit la physiopathologie et la douleur articulaire, nous examinons si des altérations dans l’activité des MSCs présents dans les nocicepteurs des articulations est un facteur important pour la douleur arthritique. Notre hypothèse est que l’arthrose sensibilise les MSCs aux stimulations mécaniques, et que de bloquer l’activité de ces canaux chez les souris arthritiques réduira non-seulement cette hypersensibilité au niveau cellulaire, mais également leurs comportements associés à la douleur. En utilisant des neurones dissociés provenant de souris en santé et de souris arthritiques, nous avons effectué des enregistrements électrophysiologiques sur les nocicepteurs des genoux. Nos données démontrent que ces nocicepteurs, dont l’activation est mécanique, ont un seuil d’excitabilité minimum réduit, et que cette hypersensibilité accroit également les courants engendrés par les stimuli mécaniques. L’analyse des courbes iV des canaux ioniques indiquent que les MSCs présents dans les cellules en santé soient les mêmes que ceux des cellules arthritiques. De plus, nous avons démontré que le peptide GsTMx4 (extrait de l’araignée Grammostola spatulata et qui a pour propriété de bloquer les MSCs) est efficace pour bloquer les MSCs des récepteurs nociceptifs des genoux. Finalement, une injection de GsMTx4 avant la flexion ou l’extension de l’articulation réduit de façon significative les scores de douleurs des souris arthritiques. En résumé, notre modèle de douleur arthritique démontre donc que les MSCs exprimés par les nocicepteurs sont hypersensibilisés aux stimuli mécaniques et contribuent significativement à la douleur arthritique. Nos données suggèrent qu’un traitement ciblant spécifiquement les MSCs pourrait avoir des effets bénéfiques chez les patients souffrant d’arthrose en réduisant leurs douleurs