Modulation of sensory neuron excitability by functionally altered NaV1.9 channels

Voltage-gated sodium channels (NaV channels) are essential for the electrical signaling of nociceptive afferents because they trigger action potentials which transmit nociceptive information to the central nervous system. Consequently, gene mutations affecting the functions of NaV channels are associated with a whole spectrum of pain disorders. For example, an increase in the activity of NaV1.7 and NaV1.8 channels is known to cause severe neuropathic pain phenotypes, whereas the complete loss of functional NaV1.7 channels is associated with congenital analgesia. However, C-fiber-specific NaV1.9 channels seem to be unique among the group of nociceptor-specific NaV isoforms because gain-of-function variants of NaV1.9 were recently associated not only with neuropathic pain conditions, but – paradoxically – also with congenital analgesia. Although intensively discussed, the mechanisms underlying the opposing phenotypes, have thus far not been precisely defined. This project aims to identify cellular as well as molecular mechanisms underlying the opposing NaV1.9-dependent phenotypes congenital analgesia and neuropathic pain. A combination of molecular biology and electrophysiological methods will be employed to study the impact of disease-causing NaV1.9 variants on the electrical activity of sensory neurons and to identify functional alterations of NaV1.9 channels associated specifically with either analgesia or neuropathic pain conditions.

Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (NaV-Kanäle) spielen eine tragende Rolle für die elektrische Signalgebung nozizeptiver Afferenzen, denn sie initiieren Aktionspotentiale, mit deren Hilfe die Information in das zentrale Nervensystem übermittelt wird. In nozizeptiven Neuronen sind vor allem drei NaV-Subtypen von Bedeutung: NaV1.7, NaV1.8 und NaV1.9. Im Menschen sind genetisch bedingte Funktionsveränderungen dieser Kanäle mit einem ganzen Spektrum von Schmerzerkrankungen assoziiert. Während beispielsweise Überfunktionen der NaV1.7- und NaV1.8-Kanäle neuropathische Schmerzsyndrome verursachen, bewirkt der Funktionsverlust von NaV1.7 eine kongenitale Analgesie. Die C-Faser-spezifischen NaV1.9-Kanäle scheinen jedoch eine Sonderstellung einzunehmen, denn Überfunktionen dieser Kanäle können paradoxerweise sowohl neuropathische Schmerzzustände als auch eine kongenitale Analgesie und ausgeprägte Darmfunktionsstörungen hervorrufen. Im Projekt wurde untersucht, welche Funktionsveränderungen pathogener NaV1.9-Varianten mit dem klinischen Bild der Schmerzinsuffizienz und welche mit neuropathischen Schmerzen korrelieren. Da die heterologe Expression von NaV1.9 in immortalisierten neuronalen Zellen notorisch schwierig ist, wurden im Projektverlauf NaV1.8/NaV1.9-defiziente Mäuse erzeugt und die sensorischen Neurone aus den dorsalen Hinterwurzelganglien der Tiere (DKO-DRG-Neurone), als Expressionssystem eingesetzt. Die Zellen erwiesen sich als ideales Tool für systematische Struktur-Funktionsanalysen humaner NaV1.9-Kanäle. Die quantitative elektrophysiologische Analyse bekannter und im Projektverlauf neu identifizierter pathogener NaV1.9-Varianten ergab, dass Schmerz-assoziierte Varianten entweder durch eine verstärkte Aktivierung oder eine defekte Inaktivierung charakterisiert sind, während die mit Schmerzinsuffizienz einhergehenden Varianten beide Funktionsveränderungen aufweisen. Die Daten sprechen dafür, dass wahrscheinlich eine Kombination aus verstärkter Aktivierung und defekter Inaktivierung der Kanäle die Grundlage der NaV1.9-abhängigen Analgesie darstellt. Um die Rolle pathogener NaV1.9-Varianten im enterischen Nervensystem untersuchen zu können, wurde zudem ein Verfahren zur Isolation von Neuronen aus dem myenterischen Plexus von Mäusen entwickelt, dass die transiente Expression und elektrophysiologische Analyse humaner Kanalvarianten in diesen Zellen ermöglicht. Zusammenfassend zeigt das Projekt die Bedeutung der NaV1.9-Kanäle für die humane Schmerzphysiologie und identifiziert diejenigen Funktionsveränderungen der Kanäle, die mit kongenitaler Analgesie bzw. neuropathischen Schmerzzuständen korrelieren.