A critical role of transient receptor potential canonical 3 in the peripheral sensory neurons for mitochondrial reactive oxygen species-induced itch

Abstract

Aging increases dry skin-induced chronic itch and causes both mitochondrial dysfunction and an increase of reactive oxygen species (ROS). However, whether mitochondrial ROS (mROS) overproduction contributes to itching has not been explored. Although it is well known that transient receptor potential ankyrin 1 (TRPA1) and transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) mediate itch, the role of transient receptor potential canonical 3 (TRPC3) in itch is unknown. Therefore, this study aimed to identify a functional link between mROS-induced itch and TRPC3. The results of this study demonstrate that TRPC3 may be relevant to chronic itch and suggest it may be a potential therapeutic target for this disease. Antimycin A (AA) can cause mROS overproduction in cells by inhibiting the mitochondrial electron transport chain complex III, thereby inducing mitochondrial malfunction. AA was intradermally injected into mouse cheek skin to determine whether AA-induced mROS caused acute itch. After AA injection, the overproduction of mROS resulted in scratching behavior, which was alleviated by the administration of MitoTEMPO, a mitochondria-selective ROS scavenger or Pyr10, a TRPC3-selective inhibitor. Moreover, the ROS intensities were increased in both epidermal and dermal tissues. Overproduction of mROS activated small trigeminal ganglion (TG) neurons, and MitoTEMPO or Pyr10 suppressed AA-induced inward currents. mROS-induced currents and scratching behaviors in TRPA1 knockout (KO) mice or TRPV1 KO mice were not different compared to wild type mice. Moreover, mROS-induced currents and scratching behaviors were mediated by TRPC3 but not TRPA1 or TRPV1. TRPC3 was co-expressed with itch-related mediators and receptors in small TG neurons. mROS overproduction also mediated dry skin-induced chronic itch through TRPC3. In conclusion, mROS elicit acute itch and dry skin-induced chronic itch via TRPC3. This shows that TRPC3 could be a potential target for treating chronic itch and that inhibition of TRPC3 may be effective in relieving chronic itch.

노화로 인해 피부는 건조해지며 활성산소도 증가한다. 이때 동반되는 피부질환이 가려움증이며, 이러한 가려움증이 만성화될수록 삶의 질이 떨어진다. 히스타민 이외에도 가려움 유발 매개체가 많이 보고되고 있으며 그 기전이 매우 복잡하고 아직 불분명하기 때문에 만성 가려움증 치료에 어려움이 많다. 지금까지 밝혀진 가려움증 기전은 통증 기전과 매우 관련되어 있다. 비록 미토콘드리아의 기능 장애로 인해 증가된 활성산소종인 mROS가 통증을 유발시킨다는 연구는 보고된 바 있으나, 이 mROS가 가려움증에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 뿐만 아니라, 통증과 가려움증을 매개하는 대표적인 이온채널인 TRPV1과 TRPA1에 대한 연구는 많으나, TRP 채널의 subfamily 중 하나인 TRPC3 채널에 대한 연구는 미비한 실정이다. 그러므로 본 연구에서, mROS가 가려움증을 유도한다면 mROS가 유도한 가려움증과 TRPC3 채널 사이의 기능적 연관성을 확인하고 TRPC3 채널의 활성 억제가 가려움증을 완화시킬 수 있는지를 검증하고자 하였다. 세포 내 미토콘드리아 전자전달계 복합체 III를 억제하여 mROS의 과잉 생성을 유도하는 것으로 알려져 있는 Antimycin A (AA)를 생쥐 뺨에 피내 주사하여 가려움에 의한 긁기 행동을 유발할 수 있었고, 이러한 긁기 행동이 MitoTEMPO (mROS 제거제) 및 Pyr10 (TRPC3 억제제)에 의해 현저히 완화됨을 확인하였다. AA에 의해 증가된 mROS는 작은 크기의 삼차신경절 단일신경세포에서 활동전위와 내향전류를 발생시켰으며 이 역시 MitoTEMPO 및 Pyr10에 의해 억제되었다. HC-030031 (TRPA1 억제제) 또는 AMG-9810 (TRPV1 억제제) 피내 주사 시, AA에 의해 유도된 긁기 행동이 대조군과 비교하여 차이가 없었으며, TRPA1 KO 및 TRPV1 KO 생쥐에서 보인 긁기 행동도 대조군과의 차이가 없었을 뿐만 아니라, 이들 세포의 내향전류에서도 차이가 없음을 확인하여, mROS에 의해 유도된 가려움증에 TRPC3 채널이 관여함을 알 수 있었다. 더욱이, 작은 크기의 삼차신경절 단일신경세포에서 단일세포 역전사 중합효소 연쇄반응 기술 (scRT-PCR)을 수행한 결과, TRPC3는 기존에 알려진 가려움과 관련된 매개체 및 수용체들과 함께 발현되어 있음을 확인함으로써 TRPC3 채널의 가려움증 매개의 가능성을 제시할 수 있었다. 또한, 건조한 피부 유래 만성 가려움증 모델의 만성 가려움증에서도 mROS 증가 및 TRPC3가 관여함을 조직학적, 행동학적으로 확인하였다. 요약하면, 이 연구는 미토콘드리아 기능 장애로 인한 mROS 증가가 피부의 가려움증을 유발하며, 국지적으로 mROS 증가를 보인 피부건조에서 유래된 만성 가려움증이 TRPC3 채널을 통해 매개된다는 것을 입증하였다. 그러나, mROS가 어떻게 TRPC3를 매개하여 가려움을 유발하는지에 대한 추가적 연구가 필요하다. 이 연구는 TRPC3를 표적으로 작용하는 억제제가 미토콘드리아 기능 이상 및 mROS 증가로 인한 만성 가려움증을 억제하고 치료할 수 있을 것이라는 새로운 가능성을 확인하였다는 점에서 의미가 있다.