Characterization of the 5-HT(7) receptor as a new therapeutic target for the treatment of pain

Abstract

The work showed in this Thesis has been part of the “5-HT7 and neuropathic pain” project in the pharmaceutical company Esteve. Thus, the aim of this Thesis was in line with the goal of the 5-HT7 project at Esteve, focused on drug discovery of 5-HT7 receptor ligands for the treatment of neuropathic pain.

Taking the advantage of a genetic approach (5-HT7 receptor knockout mice) and pharmacological tools (5-HT7 receptor ligands) we investigated at the preclinical level the role of 5-HT7 receptors in nociception and the therapeutic interest of 5-HT7 receptor ligands on pain treatment. The 5-HT7 receptor ligands used were SB-258719 and SB-269970 as 5- HT7 receptor antagonists, and AS-19, MSD-5a, E-55888 and E-57431 as 5-HT7 receptor agonists. E-55888 and E-57431 developed by Esteve were described for the first time and their binding profile and functionality (cAMP formation) were examined. In vivo behavioural studies were performed in mice and rats subjected to nociceptive, inflammatory, neurogenic or neuropathic pain conditions.

Our results showed that 5-HT7 receptors per se were not involved in the nociceptive response to a normally noxius stimulus, although when co-activated together with opioid receptors potentiated the opioidergic analgesic response in nociceptive pain conditions. Indeed, 5-HT7 receptor knockout and wild-type mice showed similar sensitivity to a noxious heat stimulus, and systemic administration of the 5-HT7 receptor agonist E-55888 or the 5-HT7 receptor antagonist SB-258719 showed no effects on acute nociceptive pain using the tail flick test in mice. However, the 5-HT7 receptor agonist E-55888 enhanced the morphine-induced analgesia in this test and this potentiation was significantly reversed by the 5-HT7 receptor antagonist SB-258719.

On the other hand, we studied the role of 5-HT7 receptors in pain conditions involving central sensitization. We showed that the 5-HT7 receptor agonists AS-19, E-55888 and E-57431 inhibited capsaicin-induced mechanical hypersensitivity, nerve injury-induced mechanical and thermal hypersensitivity and reduced the phase II formalin-induced nociception. In contrast, a promotion of mechanical hypersensitivity after administration of the 5-HT7 receptor antagonists SB-258719 and SB-269970 was observed. This reduction of hypersensitivity by agonists and promotion of hypersensitivity by antagonists was reversed by antagonists and agonists, respectively. It is important to note that effectiveness of the treatment with 5-HT7 receptor agonists was not masked by non-specific motor effects, as no motor incoordination was found in the rota-rod test at the doses used and no tolerance to the effect was evidenced following repeated systemic administrations.

The antinociceptive effects exerted by systemic 5-HT7 receptor agonists seemed to be mediated by 5-HT7 receptors localized in the spinal cord. We found that intrathecal administration of the 5-HT7 receptor agonist E-57431 inhibited mechanical hypersensitivity secondary to capsaicin injection and nerve injury-induced mechanical hypersensitivity. In contrast, a pronociceptive effect was observed after local intraplantar injection of the selective 5-HT7 receptor agonist E-57431 in the capsaicin model. Thus, the antinociceptive role mediated by central 5-HT7 receptors seems to predominate over their pronociceptive role at the periphery, resulting in an overall analgesic effect when 5-HT7 receptor agonists are administered by a systemic route. In line with these spinal antinociceptive effects, we found an increased immunoreactivity of 5-HT7 receptors in the ipsilateral dorsal horn of the spinal cord in sciatic nerve-injured mice. This increased 5-HT7 receptor expression in the dorsal horn induced by nerve injury could represent a physiological, compensatory, protective spinal mechanism relevant to the control of nociception in neuropathic pain conditions.

We observed that 5-HT7 receptors co-localized with GABAergic neurons in the ipsilateral dorsal horn of the spinal cord. Therefore, we suggested that an indirect action through activation of 5-HT7 receptors localized on inhibitory interneurons may be responsible of the antinociceptive effects observed after administration of 5-HT7 receptor agonists.

Finally, using 5-HT7 receptor knockout mice, we demonstrated that the 5-HT7 receptor agonists AS-19, E-55888 and E-57431 exerted in vivo target specific effects on pain control. We observed that systemic administration of these 5-HT7 receptor agonists reduced phase II formalin-induced nociception in wild-type but not in 5-HT7 receptor knockout mice. Taken together, these data add a piece of knowledge to the role played by 5-HT7 receptors in the control of pain and point to a new potential use of 5-HT7 receptor agonists as promising drugs for the treatment of neuropathic pain.

El treball mostrat en aquesta Tesi ha format part del projecte “5-HT7 i dolor neuropàtic” de l’empresa farmacèutica Esteve. Per tant, els objectius d’aquesta Tesi estan en línea amb l’objectiu del projecte 5-HT7 d’Esteve focalitzat en el descobriment de compostos amb afinitat pel receptor 5-HT7 pel tractament del dolor neuropàtic.

A partir de l’aproximació genètica amb l’ús de ratolins genoanul•lats pel receptor 5-HT7 i d’eines farmacològiques com compostos amb afinitat pel receptor 5-HT7, vàrem investigar a nivell preclínic el paper dels receptors 5-HT7 en el dolor i l’interès terapèutic dels lligands del receptor 5-HT7 en dolor. Entre els compostos utilitzats hi trobem el SB-258719 i el SB- 269970 com antagonistes pel receptor 5-HT7, i el AS-19, MSD-5a, E-55888 i el E-57431 com agonistes pel receptor 5-HT7. E-55888 i E-57431 van ser descrits per primera vegada i es va estudiar el seu perfil d’afinitat, selectivitat i funcionalitat. Es van realitzar estudis de comportament in vivo en ratolí i rata sotmesos a unes condicions de dolor nociceptiu, inflamatori, neurogènic i neuropàtic.

Els nostres resultats van mostrar que els receptors 5-HT7 per si mateixos no estaven implicats en la resposta a un estímul nociu, mentre que sí interaccionen amb el sistema opiodèrgic en condicions de dolor nociceptiu. Ratolins genoanul•lats pel receptor 5-HT7 van mostrar la mateixa sensibilitat enfront un estímul tèrmic nociu. L’administració sistèmica de l’agonista del receptor 5-HT7 E-55888 o l’antagonista del receptor 5-HT7 SB-258719 no van mostrar efecte en el dolor agut nociceptiu. En canvi, vàrem observar que els efectes antinociceptius de la morfina per via oral obtinguts en resposta a l’estímul tèrmic nociu del tail-flick, eren potenciats amb l’administració sistèmica conjunta de l’agonista del receptor 5-HT7 E-55888. Aquesta potenciació va ser revertida al mateix temps amb la coadministració de l’antagonista del receptor 5-HT7 SB-258719.

També vàrem estudiar el paper dels receptors 5-HT7 en condicions de dolor i sensibilització central. L’administració sistèmica d’agonistes selectius pel receptor 5-HT7 inhibia la hipersensibilitat mecànica induïda per capsaicina, la hipersensibilitat mecànica i tèrmica induïda per la lesió del nervi ciàtic, i el dolor induït per la fase II del model de la formalina. Això suggeria la implicació dels receptors 5-HT7 en condicions de sensibilització central. En canvi, es va observar una promoció de la hipersensibilitat mecànica amb els antagonistes del receptor 5-HT7. Tant els efectes dels agonistes i antagonistes del receptor 5-HT7 es van revertir amb la coadministració d’antagonistes i agonistes del receptor 5-HT7, respectivament. És important senyalar que les dosis amb eficàcia analgèsica dels agonistes del receptor 5-HT7 eren inferior a les dosis que produïen efectes adversos amb el test del rota-rod. A més, no es va observar tolerància de l’efecte analgèsic amb l’administració de dosis repetides de l’agonista del receptor 5-HT7 E-57431.

L’efecte analgèsic obtingut amb l’administració sistèmica dels agonistes pel receptor 5-HT7 semblava ser degut a l’activació de receptors 5-HT7 localitzats a nivell espinal. Vàrem trobar que l’administració intratecal de l’agonista del receptor 5-HT7 E-57431 inhibia la hipersensibilitat mecànica secundària a la injecció de capsaicina i la induïda per la lesió del nervi ciàtic. En canvi, es va observar un increment de la hipersensibilitat mecànica induïda per capsaicina amb la injecció local intraplantar de l’agonista del receptor 5-HT7 E-57431. En resum, l’efecte antinociceptiu obtingut a través de l’activació dels receptors 5-HT7 a nivell espinal sembla predominar respecte l’efecte pronociceptiu de la perifèria quan s’administra sistèmicament un agonista pel receptor 5-HT7. En línea amb l’efecte antinociceptiu observat a nivell espinal, vàrem trobar un increment de la immunoreactivitat dels receptors 5-HT7 de l’asta dorsal de la medul•la espinal en ratolins amb lesió del nervi ciàtic. Aquest increment en l’expressió del receptor 5-HT7 en l’asta dorsal induït per la lesió del nervi podria representar un mecanisme espinal fisiològic, compensatori i protector rellevant pel control de dolor en condicions de dolor neuropàtic.

Vàrem observar una col•localització dels receptors 5-HT7 en cèl•lules GABAèrgiques. En aquest sentit, l’activació dels receptors 5-HT7 col•localitzats en interneurones inhibitòries de l’asta dorsal de la medul•la espinal podria ser el mecanisme d’acció implicat en els efectes antinociceptius observats amb els agonistes del receptor 5-HT7.

Finalment, utilitzant ratolins genoanul•lats pel receptor 5-HT7, vàrem demostrar que els agonistes pel receptor 5-HT7 AS-19, E-55888 i E-57431 exercien efectes diana específics em el control de dolor. L’administració subcutània d’aquests agonistes pel receptor 5-HT7 reduïren la nocicepció induïda per formalina de la fase II en ratolins salvatges però no en ratolins genoanul•lats, suggerint una especificitat dels efectes obtinguts in vivo a través del receptor 5-HT7.

Aquest treball aporta un millor coneixement del paper del receptor 5-HT7 en el control del dolor i suggereix un nou potencial ús terapèutic dels agonistes pel receptor 5-HT7 com a fàrmacs prometedors pel tractament del dolor neuropàtic.