Microglia and macrophages in different types of chronic pain

Chronic pain is a complex and multifaceted disorder associated with considerable disabilities, burden to patients, their families, the health care system and society. Current treatment options are few and inadequate for complete relief. Emerging evidence suggests that the interaction between the immune system and the nervous system plays critical roles in the development and maintenance of pathological pain. Macrophages in peripheral nerves and in the central nervous system also termed as microglia are the key players in the neuroimmune crosstalk. In this thesis, we aim to characterize functional phenotype of macrophages in the nerves and microglia in the brain/spinal cords of rodents associated with different chronic pain conditions. We demonstrated that in aged mice where pain sensation was altered, their spinal microglia were activated by displaying a pro-inflammatory phenotype. Such phenotype was further exacerbated with obesity, where a concomitant enhanced mechanical hyposensitivity and thermal hypersensitivity were observed. While trigeminal nerve injury triggered long lasting neuropathic oro-facial pain, microglia in the brainstem where injured nerve fibers terminate became highly activated, with increased cell density, expression of inflammatory mediators, and morphological alterations. Local LPS induced infection and CFA induced inflammation were also associated with hypersensitivity; however, microglia response was moderate which was not restricted to neuronal pathway, instead mainly in the circumventicular organs where blood brain barrier were absent. We further revealed heterogenous characteristics of macrophages in injured nerves and their potential contribution to neuropathic pain. We found that cytokine-expressing small and round-shaped macrophages were usually distributed close to the injury sites, whereas phagocytic macrophages were spread widely along damaged nerve fibers. CD86+, M1-like macrophages were predominant over CD206+, M2-like macrophages at either acute or chronic phase of neuropathic pain following nerve injury. The majority of these CD86+ macrophages were derived from blood circulation. We also showed that blocking CSF1R signaling can reduce the number of macrophages, mainly CD86+ cells, in injured nerves, with the decreased levels of local inflammatory cytokines. As consequences, CSF1R inhibitor was able to alleviate neuropathic pain in both prevention and reversal paradigms. To conclude, detailed analysis of macrophage/microglia phenotype in association with various abnormal pain conditions provides a novel perspective in understanding potential contribution of macrophages/microglia in the establishment and maintenance of chronic pain.La douleur chronique est une maladie complexe et multidimensionnelle, associée à des handicaps considérables autant pour les patients que pour leurs familles, pour le système de santé et pour la société en général. Les traitements actuels sont peu diversifiés et ne garantissent pas un soulagement total. De nouveaux résultats démontrent que l'interaction entre le système immunitaire et le système nerveux pourrait jouer un rôle essentiel dans le développement et le maintien de la douleur pathologique. D'ailleurs, les macrophages dans les nerfs périphériques et dans le système nerveux central, aussi appelée microglie, sont des joueurs clés dans la diaphonie neuro-immunitaire. Le but de notre recherche est de déterminer les phénotypes fonctionnels des macrophages dans les nerfs, ainsi que les microglies dans le cerveau/moelle épinière chez les rongeurs associés avec différentes conditions de douleur chronique. Nos travaux démontrent que les microglies s'activent en exprimant un phénotype pro-inflammatoire, chez les souris vieillissantes ayant une sensation de douleur anormale. L'obésité a aggravé ce phénotype. En meme temps, ces souris âgés et obese souffrent une hypo-sensibilité mécanique et une hypersensibilité thermale accrue. Une blessure au nerf trijumeau a provoqué de la douleur neuropathique oro-faciale de longue durée, tandis qu'aux terminaisons des nerfs blessés dans le tronc cérébral, les microglies sont devenues fortement activées, exhibant des médiateurs inflammatoires, des altérations morphologiques et une densité cellulaire augmentée. L'infection locale incitée par des LPS et l'inflammation amenée par CFA ont aussi été observées en relation avec l'hypersensibilité. Par contre, la réaction des microglies a été modérée et ne s'est pas limitée à la voie neuronale, diffusant plutôt dans les organes circumventriculaires où la barrière hémato-encéphalique est absente. Nous avons également révélé différentes caractéristiques des macrophages dans les nerfs blessés, ainsi que leur contribution potentielle à la douleur neuropathique. Selon nos résultats, les petits macrophages ronds produisant des cytokines sont distribués près des sites de lésion, alors que les macrophages phagocytiques se répandent tout au long des nerfs endommagés. La majorité des macrophages CD86+ étaient dérivés du système circulatoire. Nous avons aussi démontré que l'inhibition des CSF1R peut réduire le nombre de macrophages, surtout les cellules CD86+, dans les nerfs blessés, diminuant ainsi le niveau de cytokines inflammatoires locaux. Bref, l'inhibiteur du CSF1R est capable d'alléger la douleur neuropathique dans les modèles préventifs et les modèles de traitement. Pour conclure, une analyse approfondie du phénotype des microglies/macrophages dans différentes conditions de douleur anormale offre une nouvelle perspective dans la façon de comprendre le rôle potentiel des macrophages/microglies dans le développement et le maintien de la douleur chronique