Interaction between chronic stress and pain: the HPA axis and potential hypothalamic-medulla-spinal pathways involved

Tese de doutoramento em Ciências da SaúdePain is an essential tool for survival, but equally important is the ability to overcome pain in life threatening events, allowing us to react. Stress-induced analgesia exemplifies this concept as a strong acute stressor activates the hypothalamic-pituitary-adrenal glands (HPA) axis and leads to the release of adrenaline, dampening pain processing and resulting in transient analgesia. This initial response is followed by the release of corticosteroids in order to re-establish physiological homeostasis. On the other hand, the effects of chronic stress upon pain perception are not consensual as both inhibition (analgesia) and facilitation (hyperalgesia) of nociception has been reported in different contexts. Additionally, several studies showed that patients suffering from chronic pain display altered HPA axis function, suggesting an intricate relationship between the stress and pain modulatory systems. To assess the effect of chronic stress upon nociception, a chronic unpredictable stress (CUS) paradigm was used in order to warranty a strong and sustained corticosteroid release throughout the experimental period. The specific contribution of each corticosteroid receptor towards spinal nociception was also evaluated by mimicking CUS through prolonged administration of corticosterone [mineralocorticoid- (MR) and glucocorticoid-receptor (GR) agonist] and dexamethasone (GR agonist alone), while the influence of CUS upon the supraspinal pain control system was assessed by behavioural and electrophysiological approaches. The tract-tracing anatomical identification of the pain modulatory areas targeted by the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVN), the coordinator of the stress response, set the basis for the electrophysiological evaluation of a direct role for the PVN upon descending antinociception in a normal and chronic pain (arthritis) scenario. In parallel, the role in pain modulation of the dorsomedial nucleus of the hypothalamus (DMH), a contributor to stress-induced hyperalgesia, was also evaluated in normal and arthritic rats using the same behavioural and electrophysiological approaches. Our results show that the unpredictability of stressor application is essential for a strong HPA axis activation and subsequent behavioural analgesia. The spinal antinociceptive effect of sustained corticosteroid levels appears to be mediated by GR receptor activation, through the decreased expression of nociceptive neurotransmitters and enhanced availability of GABAB2 receptors. At the supraspinal level, CUS decreased both the number and the spontaneous and noxious-evoked activity of rostral ventromedial medulla (RVM) pronociceptive ON-cells, thus indicating a role for the RVM in chronic stress-induced analgesia. The anatomical analysis of the PVN brain connections confirmed that this nucleus is part of an intricate bi-directional neuronal network that comprises several supraspinal areas involved in pain modulation, amongst which are the RVM and caudal ventromedial medulla (CVLM). The pharmacological manipulation of the PVN demonstrated that it has an antinociceptive role, mediated by descending serotonergic and noradrenergic pathways (but not opioidergic). The serotonergic PVN-mediated effects were depressed following the development of arthritis, which suggests that plastic changes in the pain control system should contribute to chronic nociceptive pain. Additionally, we demonstrated that the PVN has a tonic and phasic descending antinociceptive effect upon nociceptive modulation, which is partly mediated through the RVM and CVLM. Interestingly, hyperalgesia induced by stress shares at least a common denominator with antinociceptive descending modulatory pathways, as RVM nociceptive cells are also modulated by the DMH. The manipulation of the DMH demonstrated its facilitatory nociceptive effect in normal animals. However, the DMH is not involved in the pain-induced hyperalgesia occurring during chronic nociceptive pain, as its nociceptive facilitatory drive is absent in arthritic animals. Finally, the descending drive from the PVN, but not the DMH, is maintained in the presence of arthritis, which points to a stronger involvement of the HPA axis in chronic inflammatory disorders. In conclusion, analgesia induced by CUS is the reflex of profound changes in the neurochemistry of the spinal dorsal horn and descending pain modulatory pathways. In chronic inflammation, the HPA axis enhanced activity could contribute to the comorbidities associated with pain due to the detrimental effects of corticosteroid hypersecretion that occur during its activation. Future studies should evaluate the role of limbic (emotional and cognitive) areas, like the amygdala, upon CUS and the PVN, and the potential alterations in these areas triggered by the development of chronic inflammatory pain. This will elucidate on the mechanisms of emotional alterations associated with chronic stress and chronic pain.A capacidade de percepcionar estímulos dolorosos é uma ferramenta essencial para a sobrevivência de um indíviduo, apenas ultrapassada pela capacidade de conseguir inibir a dor em situações de risco nas quais é necessário reagir para sobreviver. A analgesia induzida pelo stress é um exemplo deste mecanismo uma vez que numa situação stressante aguda, capaz de activar o eixo hipotálamo-hipófise-suprarrenais (HPA), a imediata secreção de adrenalina interfere com a transmissão nociceptiva e resulta numa analgesia intensa mas temporária. Posteriormente e como resultado da activação do eixo HPA, ocorre a libertação de corticosteróides cuja função é re-estabelecer a homeostasia fisiológica. Por outro lado, o efeito do stress crónico na percepção dolorosa não é consensual uma vez que, dependendo do contexto experimental, foi já descrita tanto uma diminuição da dor (analgesia) como o seu incremento (hiperalgesia). Para além disto, diversos estudos clínicos demonstram que pacientes com dor crónica sofrem de disfunção do eixo HPA, o que realça a existência de uma interacção importante e complexa entre os mecanismos que modulam a resposta à dor e ao stress. Na avaliação do efeito do stress crónico sobre a nocicepção usou-se um paradigma de stress crónico imprevisível (CUS) por forma a garantir uma secrecção sustentada de corticosteróides ao longo de todo o período experimental. A contribuição específica de cada um dos receptores de corticosteróides na modulação espinhal da nocicepção foi avaliada através da administração prolongada de corticosterona [agonista dos receptores mineralocorticóides (MR) e glucocorticóides (GR)] e de dexametasona (agonista específico de receptores GR), que mimetizaram fisiologicamente os efeitos do CUS. A influência do CUS sobre o sistema supraspinhal de controlo da dor foi avaliada em termos comportamentais e pela caracterização electrofisiológica da actividade neuronal destas áreas. A posterior identificação, através de traçadores anatómicos retrógrados e anterogrados, de áreas moduladoras da dor que recebem projecções por parte do núcleo paraventricular do hipotálamo (PVN), a área coordenadora da resposta fisiológica ao stress, serviu de base para a avaliação electrofisiológica do envolvimento directo deste núcleo na modulação descendente da dor em animais normais ou com dor crónica (artrítica). Em paralelo, procedeu-se à avaliação comportamental e electrofisiológica do papel do núcleo dorsomedial do hipotálamo (DMH) na modulação da dor, já que este núcleo parece mediar a hiperalgesia induzida pelo stress. Os nossos resultados demonstram que a aleatoriedade na aplicação prolongada do stress é um factor determinante na sustentação da activação do eixo HPA e na subsequente analgesia. O efeito antinociceptivo do stress crónico ao nível da medula espinhal parece ser mediado pela activação de receptores GR, os quais diminuem a expressão de neurotransmissores nociceptivos e aumentam a disponibilidade dos receptores GABAB2 no corno dorsal da medula espinhal. A nível supraspinhal, o CUS induziu uma diminuição do número, uma diminuição da actividade espontânea e uma diminuição da resposta a estímulos nóxicos das células pronociceptivas ON do bolbo rostroventromedial (RVM), evidenciando a participação desta área na analgesia induzida pelo stress crónico. A avaliação anatómica das projecções do PVN confirmou que este núcleo faz parte de uma extensa rede neuronal que compreende conexões recíprocas com várias áreas encefálicas envolvidas na modulação da dor, como sejam o RVM e o bolbo caudoventrolateral (CVLM). Adicionalmente, a manipulação farmacológica do PVN demonstrou que esta área exerce uma acção antinociceptiva através de vias descendentes serotonérgicas e noradrenérgicas (mas não opioidérgicas). O efeito antinociceptivo serotonérgico do PVN está deprimido após o desenvolvimento de artrite, o que sugere a ocorrência de alterações plásticas no sistema de controlo da dor que deverão contribuir para a dor crónica nociceptive. A acção antinociceptiva tónica e fásica do PVN sobre a transmissão nociceptiva espinhal, é parcialmente mediada pelo RVM e CVLM. Curiosamente, a hiperalgesia induzida pelo DMH partilha parcialmente as vias anatómicas com o sistema antinociceptivo descendente da dor, uma vez que as células do RVM também são moduladas pelo DMH. A manipulação do DMH confirmou o seu papel pronociceptivo em animais normais. No entanto, o DMH não participa na hiperalgesia induzida pela dor crónica pois a acção facilitatora deste núcleo desaparece nos animais artríticos. Mais ainda, a acção moduladora do PVN (mas não do DMH) é mantida na presença de artrite, o que sugere um maior envolvimento do eixo HPA nas doenças inflamatórias crónicas. Em conclusão, a analgesia induzida pelo CUS é o espelho de alterações profundas na neuroquímica da medula espinhal e das vias descendentes intervenientes no sistema endógeno supraspinhal de controlo da dor. Em patologias inflamatórias crónicas, o aumento da actividade do eixo HPA poderá contribuir para as comorbidades associadas à dor como consequência dos efeitos deletérios da hipersecreção prolongada de corticosteróides que daí resultam. Estudos futuros poderão avaliar o papel das áreas do sistema límbico (emocional-cognitivo), como a amigdala, sobre o CUS e o PVN e as alterações plásticas nestas mesmas áreas resultantes do desenvolvimento de dor crónica inflamatória. Os dados resultantes contribuirão para elucidar os mecanismos das alterações emocionais associados ao stress crónico e à dor crónica