Pain-relieving mechanisms of vinpocetine in an animal model of chemotherapy-induced peripheral neuropathy

Abstract

Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN) is a major dose-limiting side effect of cancer treatment, characterized by sensory disturbances, chronic pain, and motor dysfunction. Despite its high prevalence, effective treatment options remain limited due to the complex and multifactorial nature of CIPN pathophysiology. Among the key contributors, oxidative stress and mitochondrial dysfunction play critical roles in neuronal damage and pain sensitization. Increased reactive oxygen species (ROS) production, mitochondrial dysfunction, and impaired antioxidant defense contribute to CIPN development, making mitochondria a promising therapeutic target for CIPN. Vinpocetine, a synthetic derivative of vincamine, exhibits neuroprotective effects, including antioxidant, anti-inflammatory, and mitochondrial-enhancing properties. While widely used in neurological disorders, such as stroke and dementia, the role of vinpocetine in CIPN remains unclear. This study aimed to evaluate the analgesic effects and underlying mechanisms of vinpocetine in a CIPN model. Mice were treated with paclitaxel to induce CIPN and received either single or repeated vinpocetine administration. Behavioral tests were conducted to assess mechanical, thermal, and cold hypersensitivity. Western blot analysis was performed to examine mitochondrial function via the PGC-1α/NRF1/TFAM pathway and SOD2 expression. Furthermore, ROS levels were examined by MitoSOX staining. Voltage-sensitive dye imaging (VSDI) was used to evaluate neuronal activity in the spinal cord, while Western blot was used to examine changes in the expression of AMPA, NMDA receptors (NR2A and NR2B), and associated kinases (PKC-α, CaMKII-α, and PKA). Furthermore, immunohistochemistry was performed to evaluate the intensity of AMPA and PKC-α expression in the spinal cord dorsal horn, as well as their colocalization with NeuN. The results demonstrated that vinpocetine effectively reduced oxidative stress-induced pain. Administration of vinpocetine at a dose of 20 mg/kg significantly alleviated pain symptoms, with repeated treatment producing cumulative analgesic effects. Vinpocetine exhibited antinociceptive effects at the spinal cord level during both the early and late stages of CIPN. Repeated vinpocetine treatment reduced mitochondrial ROS levels, upregulated the PGC-1α/NRF1/TFAM signaling pathway, and restored SOD2 expression. VSDI results identified the stimulation threshold in the CIPN model as 0.3 mA. Additionally, VSDI analysis confirmed a reduction in neuronal hyperexcitability following vinpocetine treatment, with the effect lasting for more than two hours. Downregulation of AMPA and NR2B receptors, along with PKC-α inhibition, suggested a reduction in central sensitization. Furthermore, immunohistochemistry revealed a decrease in the intensity of AMPA and PKC-α expression, as well as reduced colocalization with NeuN-positive neurons. These findings highlight vinpocetine as a promising therapeutic candidate for CIPN, which acts through mitochondrial protection and modulation of central sensitization. By restoring mitochondrial homeostasis, reducing oxidative stress, and regulating neuronal excitability, vinpocetine could be used as a potential strategy for CIPN management.항암화학요법으로 유발된 말초신경병증(chemotherapy-induced peripheral neuropathy, CIPN)은 항암 치료 과정에서 감각 이상, 만성 통증 및 운동 기능 장애를 유발하는 주요 부작용 중 하나이다. CIPN은 높은 유병률에도 불구하고 질병 기전이 복잡하고 다요인적인 특성을 가지므로, 효과적인 치료법이 제한적이다. 특히, 산화 스트레스(oxidative stress)와 미토콘드리아 기능 장애는 신경 손상과 통증 과민화의 주요 원인으로 작용한다. 과도한 활성산소(reactive oxygen species, ROS) 생성, 미토콘드리아 기능 저하 및 항산화 방어 기전의 손상은 CIPN의 진행을 촉진하며, 이에 따라 미토콘드리아는 중요한 치료 표적으로 주목받고 있다. 빈포세틴(vinpocetine)은 빈카민(vincamine)의 합성 유도체로, 항산화, 항염증 및 미토콘드리아 보호 효과를 보이며 신경 보호 작용을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 뇌졸중 및 치매와 같은 신경계 질환에서 널리 활용되고 있으나, CIPN에서의 역할은 아직 명확히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 CIPN 모델에서 빈포세틴의 진통 효과 및 그 기전을 규명하고자 하였다. CIPN을 유도하기 위해 마우스에 파클리탁셀(paclitaxel)을 투여한 후, 빈포세틴을 1회 또는 반복 투여하였다. 이후 기계적 통각과민(mechanical hypersensitivity), 열통각과민(thermal hypersensitivity), 냉통각과민(cold hypersensitivity)을 평가하기 위해 행동 실험을 수행하였다. 미토콘드리아 기능과 관련된 기전을 분석하기 위해 웨스턴 블롯(Western blot)을 이용하여 PGC-1α/NRF1/TFAM 경로 및 SOD2 발현 수준을 측정하였으며 MitoSOX 염색을 통해 미토콘드리아 내 ROS 수준을 평가하였다. 또한, 척수 신경 활성 변화를 평가하기 위해 전압 감수성 염색 영상(voltage-sensitive dye imaging, VSDI)을 적용하였다. AMPA, NMDA 수용체(NR2A, NR2B) 및 관련 키나아제(PKC-α, CaMKII-α, PKA)의 발현 변화를 웨스턴 블롯을 통해 조사하였으며, 면역조직화학법을 이용하여 척수 후각(spinal cord dorsal horn)에서 AMPA 및 PKC-α의 발현 강도와 NeuN과의 공동 발현(colocalization)을 분석하였다. 연구 결과, 빈포세틴은 산화 스트레스로 유발된 통증을 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 빈포세틴의 적절한 통증 완화 농도를 테스트한 결과, 20 mg/kg 용량에서 통증 증상이 유의미하게 완화되었으며, 반복 투여 시 누적적인 진통 효과가 확인되었다. 또한, 빈포세틴은 CIPN의 초기 및 후기 단계에서 척수 수준에서의 진통 효과를 보였다. 반복적인 빈포세틴 투여는 미토콘드리아 내 활성산소 생성을 감소시키고, PGC-1α/NRF1/TFAM 신호 경로를 활성화하며, SOD2 발현을 회복시켰다. VSDI 분석 결과, CIPN 모델에서 척수 후각 자극 시 대조군과 유의미한 차이를 보이는 임계값이 0.3 mA임을 확인하였다. 또한, VSDI 분석을 통해 빈포세틴 처리 후 신경 과흥분성이 감소하였으며, 그 효과가 2시간 이상 지속됨을 확인하였다. 반복적인 빈포세틴 투여 후 AMPA 및 NR2B 수용체의 발현 감소와 PKC-α 억제는 중추 감작(central sensitization) 감소를 시사하였다. 면역조직화학 분석을 통해 AMPA 및 PKC-α의 발현 강도가 감소하였으며, 척수 후각 뉴런과의 공동 발현 또한 줄어든 것을 확인하였다. 본 연구는 빈포세틴이 미토콘드리아 보호 및 중추 감작 조절을 통해 CIPN 치료의 유망한 후보 물질이 될 가능성이 있음을 시사한다. 또한, 빈포세틴은 미토콘드리아 항상성을 회복하고, 산화 스트레스를 감소시키며, 신경 흥분성을 조절함으로써 CIPN 관리에 효과적인 전략이 될 수 있다.