חקירת התנהגות דמוית מיגרנה באמצעות סלידה קלה בעכברים
Summary
מכרסמים אינם מסוגלים לדווח על תסמיני מיגרנה. כאן, אנו מתארים פרדיגמת בדיקה הניתנת לניהול (בדיקות שדה בהירות/כהות ופתוחות) למדידת סלידה קלה, אחד הסימפטומים הנפוצים והמטרידים ביותר בחולים עם מיגרנות.
Abstract
מיגרנה היא הפרעה נוירולוגית מורכבת המאופיינת בכאבי ראש וחריגות חושיות, כגון רגישות יתר לאור, שנצפתה כפוטופוביה. אמנם אי אפשר לאשר כי עכבר חווה מיגרנה, סלידה קלה יכולה לשמש תחליף התנהגותי עבור סימפטום מיגרנה של פוטופוביה. כדי לבדוק סלידה קלה, אנו משתמשים בבדיקה הבהירה/כהה כדי למדוד את הזמן שעכברים בוחרים בחופשיות לבלות בסביבה בהירה או חשוכה. הבדיקה שופרה על ידי החדרת שני שינויים קריטיים: חשיפות מוקדמות לתא לפני הפעלת הליך הבדיקה ותאורה תאית מתכווננת, המאפשרת שימוש במגוון עוצמות אור מ-55 לוקס ל-27,000 לוקס. מכיוון שהבחירה לבלות יותר זמן בחושך מעידה גם על חרדה, אנו משתמשים גם במבחן חרדה עצמאי לאור, בדיקת השדה הפתוח, כדי להבחין בין חרדה להתנהגות מרתיעה לאור. כאן, אנו מתארים פרדיגמת בדיקה שונה עבור בדיקות שדה אור / כהה ופתוח. היישום של בדיקות אלה מתואר להזרקה תוך-אפריטונית של פפטיד הקשור לגן קלציטונין (CGRP) בשני זני עכבר ולמחקרי גירוי מוחי אופטוגנטי.
Introduction
מיגרנה היא מחלה נוירולוגית נפוצה, המשפיעה על כ -17% מהאמריקאים1 והיא הגורם המוביל השני לנכות ברחבי העולם 2,3. חולים חווים כאב ראש שנמשך 4-72 שעות מלווה לפחות באחד מהתסמינים הבאים: בחילה ו /או הקאות, או פוטופוביה ופונופוביה4. ההתפתחויות האחרונות בפיתוח נוגדני פפטיד הקשורים לגן קלציטונין (CGRP) שאושרו כעת על ידי ה-FDA החלו עידן חדש לטיפול במיגרנה5,6,7. נוגדנים אלה חוסמים את CGRP או את הקולטן שלו ומונעים תסמיני מיגרנה בכ -50% מחולי המיגרנה7. בשנה האחרונה, שני אנטגוניסטים מולקולות קטנות של קולטן CGRP אושרו גם ה-FDA לטיפול בהפלה של מיגרנה, ושניים נוספים נמצאים בצנרת8. למרות התקדמות טיפולית זו, מנגנונים שבאמצעותם מתרחשים התקפי מיגרנה עדיין נשארים חמקמקים. לדוגמה, האתרים של פעולת CGRP אינם ידועים. היעילות של נוגדנים טיפוליים שאינם חוצים באופן ניכר את מחסום הדם – מוח מרמזת כי CGRP פועל באתרים היקפיים, כגון קרום המוח ו / או הגרעינים הטריגמינליים. עם זאת, איננו יכולים לשלול פעולות מרכזיות באיברים עקיפים, אשר חסרים מחסום דם – מוח9. לפחות עבור פוטופוביה, אנחנו חושבים שזה פחות סביר בהתחשב בתוצאות שלנו עם סלידה קלה באמצעות עכברי nestin / hRAMP1 מהונדסים שבהם hRAMP1 מתבטא יתר על המידה ברקמת העצבים10. הבנת מנגנונים של מיגרנה פתופיזיולוגיה תספק אפיקים חדשים להתפתחות של טיפולי מיגרנה.
מודלים פרה-קליניים של בעלי חיים הם קריטיים להבנת מנגנוני המחלה ופיתוח תרופות חדשות. עם זאת, הערכת מיגרנה בבעלי חיים היא מאתגרת שכן בעלי חיים אינם יכולים לדווח מילולית על תחושות הכאב שלהם. בהתחשב בעובדה כי 80-90% מחולי המיגרנה מפגינים פוטופוביה11, סלידה קלה נחשבת אינדיקטור למיגרנה במודלים של בעלי חיים. זה הוביל לצורך לפתח בדיקה כדי להעריך סלידה אור בעכברים.
הבדיקה הבהירה/כהה מכילה אזור אור ואזור חשוך. הוא נמצא בשימוש נרחב למדידת חרדה בעכברים בהתבסס על המחקר הספונטני שלהם של סביבות חדשניות כי הוא נגד על ידי הסלידה המולדת שלהם לאור12. מחקרים מסוימים מגדירים 1/3 של התא כאזור החשוך, בעוד שאחרים להגדיר 1/2 של התא כאזור החשוך. ההגדרה הקודמת משמשת לעתים קרובות כדי לזהות חרדה13. בעוד שבתחילה בחרנו בתאים בהירים/כהים בגודל שווה, לא השווינו את שני הגדלים היחסיים. אנו יכולים לציין כי הגודל הכולל של שני התאים אינו גורם מרכזי מאז תיבת הבדיקה הראשונית14 היה גדול בהרבה מאשר המנגנון הבא15, עדיין התוצאות היו זהות במהותן.
שני שינויים קריטיים בבדיקה בהירה/כהה זו להערכת סלידה מאור היו: מצב הבדיקה ועוצמת האור (איור 1). ראשית, עכברים נחשפים מראש לתא הבהיר/כהה כדי להפחית את כונן האקספלורציה16 (איור 1A). הצורך והזמנים של חשיפות מוקדמות תלויים בזני עכברים ובדגמים. עכברי Wildtype C57BL/6J דורשים בדרך כלל שתי חשיפות מוקדמות10, בעוד שרק חשיפה מוקדמת אחת לעכברי CD1 מספיקה17. באופן זה, התנהגות מרתיעה קלה יכולה להיות חשוף בשני זני עכבר אלה. שנית, התאורה התאית הותאמה כך שתכלול מגוון מתכוונן של עוצמות אור מעומעם (55 לוקס) ועד בהיר (27,000 לוקס) שבו 55 לוקס דומים ליום מעונן כהה, ו-27,000 לוקס דומים ליום שמש בהיר בצל10. מצאנו שעוצמת האור הנדרשת משתנה בהתאם לזן ולמודל הגנטי. מסיבה זו, אנשים צריכים תחילה להעריך את עוצמת האור המינימלית עבור הפרדיגמה הניסיונית שלהם.
אפילו עם שינויים אלה לבדיקה, אשר יכול לחשוף פנוטיפ מרתיע אור, יש צורך לבדוק התנהגות דמוית חרדה כדי להבחין בין סלידה אור עקב אור לבד לעומת עקב חרדה. בדיקת השדה הפתוח היא דרך מסורתית למדוד חרדה המבוססת על חקר ספונטני של סביבות חדשניות. זה שונה מן הבדיקה הבהירה / כהה בכך שכונן האקספלורציה מנוגד לסלידה המולדת לשטחים פתוחים לא מוגנים. הן המרכז והן הקצוות של החדר נמצאים באור, כך שבדק השדה הפתוח הוא בדיקת חרדה עצמאית לאור. לפיכך, השילוב של בדיקות השדה הבהיר/הכהה והפתוח מאפשר לנו להבחין בין סלידה מאור עקב הימנעות מאור לעומת עלייה כוללת בחרדה.
CGRP הוא נוירופפטיד רב תכליתי המווסת את התרחבות כלי הדם, nociception, ודלקת18. זה בא לידי ביטוי נרחב במערכות העצבים ההיקפיות והמרכזיות. זה ממלא תפקיד חשוב מיגרנה פתופיזיולוגיה18. עם זאת, המנגנון שבבסיס פעולת CGRP במיגרנה אינו ברור. על-ידי שימוש בבדיקות השדה הבהירות/הכהות והפתוחות עם פרדיגמת בדיקה שונה זו, הצלחנו לזהות התנהגות מרתיעה של אור בעכברים בעקבות 10,16 (איור 2) ומרכזי 14,15,15,16,19 ניהול CGRP. בנוסף לנוירופפטידים, זיהוי אזורי המוח המעורבים בסלידה קלה חשוב גם בהבנת פתולוגיה של מיגרנה. הגרעינים התלמיים האחוריים הם אזור מוחי אינטגרטיבי לכאב ועיבוד אור19, והתלמוס מופעל במהלך מיגרנה20. לכן, התמקדנו גרעינים תלמיים אחוריים על ידי הזרקת וירוס הקשור אדנו (AAV) המכיל channelrhodopsin-2 (ChR2) או eYFP לאזור זה. על ידי שילוב גישה אופטוגנטית זו עם שתי הבדיקות הללו, הדגמנו כי גירוי אופטי של נוירונים המבטאים ChR2 בגרעין התלמי האחורי עורר סלידה מאור19 (איור 3). בניסוי זה, בהתחשב בהשפעה הדרמטית על הסלידה האורית המעוררת בעכברים האופטוגנטיים האלה שעברו מניפולציה אופטוגנטית, דילגו על חשיפות מוקדמות לתא.
Protocol
Representative Results
Discussion
הבדיקה האור/כהה נמצאת בשימוש נרחב להערכת התנהגות דמוית חרדה12. הבדיקה מסתמכת על הסלידה המולדת של עכברים מאור ועל הדחף שלהם לחקור כאשר הם ממוקמים בסביבה חדשנית (אזור אור). עם זאת, כפי שאנו מדווחים כאן, בדיקה זו יכולה לשמש גם כדי להעריך התנהגות מרתיעה אור גם כן.
חשוב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מ- NIH NS R01 NS075599 ו- RF1 NS113839. התוכן אינו מייצג את התצוגות של VA או ממשלת ארצות הברית.
Materials
| Activity monitor | Med Assoc. Inc | Software tracking mouse behavior | |
| Customized acrylic shelf | For adjusting the height of the LED panel | ||
| Dark box insert | Med Assoc. Inc | ENV-511 | |
| DC power supply | Med Assoc. Inc | SG-500T | |
| DC regulated power supply | Med Assoc. Inc | SG-506 | |
| Fiber-optic cannula | Doric | MFC_200/ 240-0.22_4.5mm_ZF1.25_FLT | |
| Germicidal disposable wipes | Sani-Cloth | SKU # Q55172 | |
| Heat Sink | Wakefield | 490-6K | Connecting to LED panel |
| IR controller power cable | Med Assoc. Inc | SG-520USB-1 | |
| IR USB controller | Med Assoc. Inc | ENV-520USB | |
| Mating sleeve | Doric | SLEEVE_ZR_1.25 | |
| Modified LED light panel | Genaray Spectro | SP-E-360D | Daylight-balanced color (5600K) |
| Power supply | MEAN WELL USA | SP-320-12 | Connecting to LED panel |
| Seamless open field chamber | Med Assoc. Inc | ENV-510S | |
| Sound-attenuating cubicle | Med Assoc. Inc | ENV-022MD-027 | |
| Stand and clamp | |||
| Three 16-beam IR arrays | Med Assoc. Inc | ENV-256 |
References
- Loder, S., Sheikh, H. U., Loder, E. The prevalence, burden, and treatment of severe, frequent, and migraine headaches in US minority populations: statistics from National Survey studies. Headache. 55 (2), 214-228 (2015).
- Collaborators, G. B. D. H. Global, regional, and national burden of migraine and tension-type headache, 1990-2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. Lancet Neurology. 17 (11), 954-976 (2018).
- GBD 2017 Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 354 diseases and injuries for 195 countries and territories, 1990-2017: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017. Lancet. 392 (10159), 1789-1858 (2018).
- international headache society. Headache classification committee of the international headache society (IHS). The international classification of headache disorders, 3rd edition. Cephalalgia. 38 (1), 1 (2018).
- Edvinsson, L., Haanes, K. A., Warfvinge, K., Krause, D. N. CGRP as the target of new migraine therapies – successful translation from bench to clinic. Nature Reviews Neurology. 14 (6), 338-350 (2018).
- Rapoport, A. M., McAllister, P. The headache pipeline: Excitement and uncertainty. Headache. 60 (1), 190-199 (2020).
- Maasumi, K., Michael, R. L., Rapoport, A. M. CGRP and Migraine: The role of blocking calcitonin gene-related peptide ligand and receptor in the management of Migraine. Drugs. 78 (9), 913-928 (2018).
- Caronna, E., Starling, A. J. Update on calcitonin gene-related peptide antagonism in the treatment of migraine. Neurologic Clinics. 39 (1), 1-19 (2021).
- Eftekhari, S., Edvinsson, L. Possible sites of action of the new calcitonin gene-related peptide receptor antagonists. Therapeutic Advances in Neurological Disorders. 3 (6), 369-378 (2010).
- Mason, B. N., et al. Induction of migraine-like photophobic behavior in mice by both peripheral and central cgrp mechanisms. Journal of Neuroscience. 37 (1), 204-216 (2017).
- Russell, M. B., Rasmussen, B. K., Fenger, K., Olesen, J. Migraine without aura and migraine with aura are distinct clinical entities: A study of four hundred and eighty-four male and female migraineurs from the general population. Cephalalgia. 16 (4), 239-245 (1996).
- Crawley, J. N. Exploratory behavior models of anxiety in mice. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 9 (1), 37-44 (1985).
- Crawley, J., Goodwin, F. K. Preliminary report of a simple animal behavior model for the anxiolytic effects of benzodiazepines. Pharmacology, Biochemistry and Behavior. 13 (2), 167-170 (1980).
- Recober, A., et al. Role of calcitonin gene-related peptide in light-aversive behavior: implications for migraine. Journal of Neuroscience. 29 (27), 8798-8804 (2009).
- Recober, A., Kaiser, E. A., Kuburas, A., Russo, A. F. Induction of multiple photophobic behaviors in a transgenic mouse sensitized to CGRP. Neuropharmacology. 58 (1), 156-165 (2010).
- Kaiser, E. A., Kuburas, A., Recober, A., Russo, A. F. Modulation of CGRP-induced light aversion in wild-type mice by a 5-HT(1B/D) agonist. Journal of Neuroscience. 32 (44), 15439-15449 (2012).
- Kuburas, A., et al. PACAP induces light aversion in mice by an inheritable mechanism independent of CGRP. Journal of Neuroscience. , (2021).
- Russo, A. F. Calcitonin gene-related peptide (CGRP): a new target for migraine. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 55, 533-552 (2015).
- Sowers, L. P., et al. Stimulation of Posterior Thalamic Nuclei Induces Photophobic Behavior in Mice. Headache. 60 (9), 1961-1981 (2020).
- Afridi, S. K., et al. A positron emission tomographic study in spontaneous migraine. Archives of Neurology. 62 (8), 1270-1275 (2005).
- Mason, B. N., et al. Vascular actions of peripheral CGRP in migraine-like photophobia in mice. Cephalalgia. 40 (14), 1585-1604 (2020).
- Guo, S., Vollesen, A. L. H., Olesen, J., Ashina, M. Premonitory and nonheadache symptoms induced by CGRP and PACAP38 in patients with migraine. Pain. 157 (12), 2773-2781 (2016).
- Christensen, C. E., et al. Migraine induction with calcitonin gene-related peptide in patients from erenumab trials. Journal of Headache and Pain. 19 (1), 105 (2018).
- Younis, S., et al. Investigation of distinct molecular pathways in migraine induction using calcitonin gene-related peptide and sildenafil. Cephalalgia. 39 (14), 1776-1788 (2019).
- Asghar, M. S., et al. Evidence for a vascular factor in migraine. Annals of Neurology. 69 (4), 635-645 (2011).
- Ueno, H., et al. Effects of repetitive gentle handling of male C57BL/6NCrl mice on comparative behavioural test results. Scientific Reports. 10 (1), 3509 (2020).
- Campos, A. C., Fogaca, M. V., Aguiar, D. C., Guimaraes, F. S. Animal models of anxiety disorders and stress. Revista Brasileira De Psiquiatria. 35, 101-111 (2013).
- Kuburas, A., Thompson, S., Artemyev, N. O., Kardon, R. H., Russo, A. F. Photophobia and abnormally sustained pupil responses in a mouse model of bradyopsia. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 55 (10), 6878-6885 (2014).
- Goadsby, P. J., Edvinsson, L., Ekman, R. Vasoactive peptide release in the extracerebral circulation of humans during migraine headache. Annals of Neurology. 28 (2), 183-187 (1990).
- Lassen, L. H., et al. CGRP may play a causative role in migraine. Cephalalgia. 22 (1), 54-61 (2002).
- Cernuda-Morollon, E., et al. Interictal increase of CGRP levels in peripheral blood as a biomarker for chronic migraine. Neurology. 81 (14), 1191-1196 (2013).
- Chanda, M. L., et al. Behavioral evidence for photophobia and stress-related ipsilateral head pain in transgenic Cacna1a mutant mice. Pain. 154 (8), 1254-1262 (2013).
- Mahmoudi, J., et al. Cerebrolysin attenuates hyperalgesia, photophobia, and neuroinflammation in a nitroglycerin-induced migraine model in rats. Brain Research Bulletin. 140, 197-204 (2018).
- Farajdokht, F., Babri, S., Karimi, P., Mohaddes, G. Ghrelin attenuates hyperalgesia and light aversion-induced by nitroglycerin in male rats. Neuroscience Letters. 630, 30-37 (2016).
- Jacob, W., et al. Endocannabinoids render exploratory behaviour largely independent of the test aversiveness: Role of glutamatergic transmission. Genes, Brain, and Behavior. 8 (7), 685-698 (2009).
- Thiels, E., Hoffman, E. K., Gorin, M. B. A reliable behavioral assay for the assessment of sustained photophobia in mice. Current Eye Research. 33 (5), 483-491 (2008).
- Ramachandran, R., et al. Role of Toll-like receptor 4 signaling in mast cell-mediated migraine pain pathway. Molecular Pain. 15, 1744806919867842 (2019).
- Marek, V., et al. Implication of Melanopsin and Trigeminal Neural Pathways in Blue Light Photosensitivity in vivo. Frontiers in Neuroscience. 13, 497 (2019).
- Christensen, S. L. T., Petersen, S., Sorensen, D. B., Olesena, J., Jansen-Olesen, I. Infusion of low dose glyceryl trinitrate has no consistent effect on burrowing behavior, running wheel activity and light sensitivity in female rats. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 80, 43-50 (2016).
- De Vera Mudry, M. C., Kronenberg, S., Komatsu, S., Aguirre, G. D. Blinded by the light: retinal phototoxicity in the context of safety studies. Toxicologic Pathology. 41 (6), 813-825 (2013).
- White, D. A., Fritz, J. J., Hauswirth, W. W., Kaushal, S., Lewin, A. S. Increased sensitivity to light-induced damage in a mouse model of autosomal dominant retinal disease. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 48 (5), 1942-1951 (2007).
- Song, D., et al. Retinal pre-conditioning by CD59a knockout protects against light-induced photoreceptor degeneration. PloS One. 11 (11), 0166348 (2016).
- Matynia, A., et al. Light aversion and corneal mechanical sensitivity are altered by intrinscally photosensitive retinal ganglion cells in a mouse model of corneal surface damage. Experimental Eye Research. 137, 57-62 (2015).
