Modulation der elektrischen Erregbarkeit sensorischer Neurone durch Funktionsveränderungen von NaV1.9-Kanälen

• Antragsteller: Professor Dr. Enrico Leipold
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Anatomie und Physiologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263323902

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Exon 11 skipping ofSCN10Acoding for voltage-gated sodium channels in dorsal root ganglia. Channels, 8(3), 210-215.
  Schirmeyer, Jana; Szafranski, Karol; Leipold, Enrico; Mawrin, Christian; Platzer, Matthias & Heinemann, Stefan H.
  
• Cold-aggravated pain in humans caused by a hyperactive NaV1.9 channel mutant. Nature Communications, 6(1).
  Leipold, Enrico; Hanson-Kahn, Andrea; Frick, Miya; Gong, Ping; Bernstein, Jonathan A.; Voigt, Martin; Katona, Istvan; Oliver, Goral R.; Altmüller, Janine; Nürnberg, Peter; Weis, Joachim; Hübner, Christian A.; Heinemann, Stefan H. & Kurth, Ingo
  
• Heterologous expression of NaV1.9 chimeras in various cell systems. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, 467(12), 2423-2435.
  Goral, R. Oliver; Leipold, Enrico; Nematian-Ardestani, Ehsan & Heinemann, Stefan H.
  
• Reactive species modify NaV1.8 channels and affect action potentials in murine dorsal root ganglion neurons. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, 468(1), 99-110.
  Schink, Martin; Leipold, Enrico; Schirmeyer, Jana; Schönherr, Roland; Hoshi, Toshinori & Heinemann, Stefan H.
  
• New Insight in Cold Pain: Role of Ion Channels, Modulation, and Clinical Perspectives. The Journal of Neuroscience, 36(45), 11435-11439.
  Lolignier, Stéphane; Gkika, Dimitra; Andersson, David; Leipold, Enrico; Vetter, Irina; Viana, Felix; Noël, Jacques & Busserolles, Jérôme
  
• Sodium channel dysfunctions affecting temperature sensation. Neuroscience, San Diago, USA
  Leipold et al.
  
• Pain insensitivity: distal S6-segment mutations in NaV1.9 emerge as critical hotspot. neurogenetics, 18(3), 179-181.
  King, Margaret K.; Leipold, Enrico; Goehringer, Jessica M.; Kurth, Ingo & Challman, Thomas D.
  
• Voltage-gated sodium channels and pain. e-Neuroforum, 23(3), 123-130.
  Nau, Carla & Leipold, Enrico
  
• NaV1.9 Potentiates Oxidized Phospholipid-Induced TRP Responses Only under Inflammatory Conditions. Frontiers in Molecular Neuroscience, 11.
  Martin, Corinna; Stoffer, Carolin; Mohammadi, Milad; Hugo, Julian; Leipold, Enrico; Oehler, Beatrice; Rittner, Heike L. & Blum, Robert
  
• Funktionsveränderungen spannungsgesteuerter NaV1.8-Kanäle sind mit peripherin Schmerzen assoziiert. 32. Norddeutsche Anästhesie-Tage, Hamburg
  Loose et al.
  
• Inaktivierungsdefiziente NaV1.9-Kanäle sind mit peripheren Schmerzattacken assoziiert. Wissenschaftliche Arbeitstage Schmerzmedizin der DGAI, Göttingen
  Teege et al.
  
• Die SCN11A-abhängige Analgesie basiert auf einer Kombination aus verstärkter Aktivierung und beeinträchtigter Inaktivierung von NaV1.9-Kanälen. Wissenschaftliche Arbeitstage Schmerzmedizin der DGAI, Göttingen
  Teege et al.
  
• Isolation and transfection of myenteric neurons from mice for patch-clamp applications. Frontiers in Molecular Neuroscience, 15.
  Kuehs, Samuel; Teege, Laura; Hellberg, Ann-Katrin; Stanke, Christina; Haag, Natja; Kurth, Ingo; Blum, Robert; Nau, Carla & Leipold, Enrico
  
• N-terminale Mutation in NaV1.9 mit kombinierter gain-of-function-/loss-of-function-Charakteristik verursacht periphere neuropathische Schmerzen. Wissenschaftliche Arbeitstage der DGAI, Würzburg
  Kuehs et al.
  
• Genetic landscape of congenital insensitivity to pain and hereditary sensory and autonomic neuropathies. Brain, 146(12), 4880-4890.
  Lischka, Annette; Eggermann, Katja; Record, Christopher J.; Dohrn, Maike F.; Laššuthová, Petra; Kraft, Florian; Begemann, Matthias; Dey, Daniela; Eggermann, Thomas; Beijer, Danique; Šoukalová, Jana; Laura, Matilde; Rossor, Alexander M.; Mazanec, Radim; Van Lent, Jonas; Tomaselli, Pedro J.; Ungelenk, Martin; Debus, Karlien Y.; Feely, Shawna M. E. ... & Kurth, Ingo
  
• Multielektrodenarray-basierte funktionelle Analyse muriner nozizeptiver Neurone. 35. Norddeutsche Anästhesie-Tage, Hamburg
  Kemper et al.
  
• Peripheral temperature dysregulation associated with functionally altered NaV1.8 channels. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, 475(11), 1343-1355.
  Loose, Simon; Lischka, Annette; Kuehs, Samuel; Nau, Carla; Heinemann, Stefan H.; Kurth, Ingo & Leipold, Enrico
  
• Reaktive Sauerstoffspezies modulieren die Funktion Nozizeptor-spezifischer NaV1.8-Kanäle. Wissenschaftliche Arbeitstage der DGAI, Würzburg
  Kuehs et al.
  
• Satellite glial cells from adult DRG dedifferentiatein vitroand can be reprogrammed into nociceptor-like neurons.
  Sodmann, Annemarie; Köhler, Niels; Esfahani, Nastaran M.; Schukraft, Nina; Aue, Annemarie; Jager, Sara E.; Bischler, Thorsten; Imdahl, Fabian; Gräfenhan, Tom; Leipold, Enrico; Rittner, Heike L. & Blum, Robert