Activity-dependent treatments for neuropathic pain

Abstract

El inicio y el mantenimiento del dolor neuropático después de una lesión de nervio periférico implica muchos mecanismos tales como cambios en la transducción, sensibilización central o periférica y numerosos cambios plásticos a nivel central. Los tratamientos farmacológicos habituales no son suficientes para aliviar los efectos de la hiperalgesia o alodinia producida por el dolor neuropático. Es por ello que en esta tesis se estudian dos tratamientos dependientes de actividad como son el ejercicio en cinta rodante y la estimulación eléctrica para observar los efectos hipoalgésicos obtenidos y los mecanismos moleculares implicados en estos beneficiosos cambios. En los dos primeros capítulos de esta tesis se muestra un nuevo protocolo de ejercicio en cinta rodante en el que aumentamos la velocidad progresivamente durante una hora (iTR). Se ha demostrado que otros protocolos de cinta rodante mejoran la recuperación funcional después de una lesión del sistema nervioso periférico, pero dependiendo de la intensidad y la duración, se han descrito diferentes efectos. En el primer capítulo, utilizando un modelo experimental de dolor neuropático consistente en la sección y reparación del nervio ciático en una rata (SNTR), se encontró que el protocolo de iTR reduce la hiperalgesia por recodificación neural espontánea, reducción de niveles de neurotrofinas para contrarrestar la reinervación colateral nociceptiva, prevención de la disrupción de cotransportadores de cloruro como NKCC1 y KCC2 para mantener la inhibición central y por contrarresto de la reactividad microglial en áreas centrales. iTR también redujo positivamente la hiperalgesia en el área ciática lateral, demostrando que el efecto hipoalgésico de iTR no se limita exclusivamente al bloqueo de la reinervación colateral nociceptiva en la periferia. Los cambios en los circuitos sensoriales centrales también son importantes. Es por ello que en el segundo capítulo encontramos que el iTR también aumentó la actividad de las proyecciones serotonérgicas y noradrenérgicas desde los centros del tronco encefálico restaurando parcialmente la desinhibición central inducida después de la lesión del nervio. En el tercer capítulo de esta tesis, evaluamos el uso de la estimulación nerviosa periférica (PNS) como tratamiento pasivo dependiente de actividad para el dolor neuropático. El resultado terapéutico junto con el patrón de activación del nervio periférico, están estrechamente relacionados con las diferencias en el tipo y ubicación del electrodo y la intensidad o frecuencia de estimulación. Para ello evaluamos dos modelos experimentales diferentes como candidatos. El modelo de lesión de nervio intacto (SNI) fue la elección inicial, pero la estimulación electrica tuvo efectos muy discretos en la reducción de la hiperalgesia mecánica en comparación con el modelo SNTR. En un trabajo preliminar, se discernió la frecuencia de estimulación que produjese la mejor reducción de la hiperalgesia con estimulación aguda después de la lesión. Posteriormente, mejoramos el tipo de electrodo y la ubicación de éste mediante el diseño de un sistema para hacer estimulación crónica. Se presentaron algunos resultados para los protocolos agudos y repetitivos de estimulación aguda y crónica pero el mejor protocolo de estimulación para reducir la hiperalgesia mecánica fue el protocolo iCES. De forma similar a iTR, iCES consiste en un patrón de estimulación de frecuencia creciente. Se encontró que iCES desencadena una serie de cambios a nivel central, como la restauración de la expresión de KCC2 y el receptor β2 que actúan directamente sobre el aumento de la liberación de GABA en la médula espinal facilitando junto con la disminución de la actividad microglial y astrocitaria, la reducción de hiperalgesia mecánica producida después de SNTR.

The onset and maintenance of neuropathic pain following a peripheral nerve injury involves many mechanisms such as changes in transduction, central or peripheral sensitization, and numerous plastic changes at the central level. Usual pharmacological treatments are not sufficient to alleviate the effects of hyperalgesia or allodynia produced by neuropathic pain. Therefore, in this thesis two activity-dependent treatments such as treadmill exercise and electrical stimulation are studied to observe the hypoalgesic effects produced and the molecular mechanisms involved in these beneficial changes. In the first two chapters of this thesis a novel protocol of treadmill exercise is shown, by increasing the velocity progressively during one hour (iTR). It has been shown that other protocols of treadmill ameliorate functional recovery after peripheral nervous system injury but, depending on intensity and duration, different effects have been described. In the first chapter, using an experimental model of neuropathic pain consisting in the section and repair of the sciatic nerve in a rat (SNTR), we found that iTR protocol reduces hyperalgesia by recoding of spontaneous neural activity, reducing neurotrophins levels to counteract nociceptive collateral sprouting, preventing the disruption of chloride cotransporters like NKCC1 and KCC2 to maintain central inhibition and counteracting microglial reactivity at central areas. iTR also positively reduced hyperalgesia in the lateral sciatic area demonstrating that the iTR hypoalgesic effect is not exclusively limited to the blockade of collateral sprouting in the periphery. Changes at central sensory circuits are also important. At the second chapter we found that iTR also increased the activity of serotonergic and noradrenergic projections from brainstem centers partially restoring the central disinhibition induced after the nerve injury. In the third chapter of this thesis, we evaluate the use of peripheral nerve stimulation (PNS) as a passive activity-dependent treatment for neuropathic pain. The therapeutic outcome together with the pattern of peripheral nerve activation, are closely related to the differences in the type and location of electrode, intensity and frequency of stimulation. For this purpose we evaluated two different experimental models as candidates. The spared nerve injury model (SNI) was the initial choice but PNS had very discrete effects in the reduction of mechanical hyperalgesia compared to SNTR. In a preliminary work, we discerned the frequency of stimulation producing the better reduction of hyperalgesia with acute stimulation after injury. Then, we improved the type of electrode and location by designing a system to make chronic stimulation available. We show some results for acute, repetitive acute and chronic stimulation protocols but the best stimulation protocol in reducing mechanical hyperalgesia was iCES protocol. Similarly to iTR, iCES consists of an increasing-frequency pattern of stimulation. We found that iCES triggers a series of changes at central levels, such as the restoration of expression of KCC2 and β2 receptor that act directly on the increase of GABA release in spinal cord facilitating together with the decrease of microglial and astrocytic reactivity, the reduction of mechanical hyperalgesia produced after SNTR.