Исследование мигреноподобного поведения с использованием легкого отвращения у мышей
Summary
Грызуны не могут сообщать о симптомах мигрени. Здесь мы описываем управляемую тестовую парадигму (анализы светлого/темного и открытого поля) для измерения легкого отвращения, одного из наиболее распространенных и надоедливых симптомов у пациентов с мигренью.
Abstract
Мигрень является сложным неврологическим расстройством, характеризующимся головной болью и сенсорными аномалиями, такими как гиперчувствительность к свету, наблюдаемая как светобоязнь. Хотя невозможно подтвердить, что мышь испытывает мигрень, легкое отвращение может быть использовано в качестве поведенческого суррогата симптома мигрени светобоязни. Чтобы проверить отвращение к свету, мы используем анализ света / темноты для измерения времени, которое мыши свободно выбирают для проведения в светлой или темной среде. Анализ был усовершенствован путем введения двух критических модификаций: предварительного воздействия на камеру перед запуском процедуры испытания и регулируемого освещения камеры, позволяющего использовать диапазон интенсивности света от 55 люкс до 27 000 люкс. Поскольку выбор проводить больше времени в темноте также свидетельствует о тревоге, мы также используем светонезависимый тест на беспокойство, анализ открытого поля, чтобы отличить беспокойство от светоаверсивного поведения. Здесь мы описываем модифицированную тестовую парадигму для анализов света/тьмы и открытого поля. Применение этих анализов описано для внутрибрюшинной инъекции пептида, связанного с геном кальцитонина (CGRP), в двух штаммах мышей и для исследований оптогенетической стимуляции мозга.
Introduction
Мигрень является распространенным неврологическим заболеванием, затрагивающим примерно 17% американцев1, и является второй по значимости причиной инвалидности во всем мире2,3. Пациенты испытывают головную боль, которая длится 4-72 часа, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из следующих симптомов: тошнота и / или рвота или светобоязнь и фонофобия4. Недавние достижения в разработке антител к пептидам, связанным с геном кальцитонина (CGRP), которые в настоящее время одобрены FDA, начали новую эру для лечения мигрени5,6,7. Эти антитела блокируют либо CGRP, либо его рецептор и предотвращают симптомы мигрени примерно у 50% пациентов с мигренью7. В течение прошлого года два низкомолекулярных антагониста рецептора CGRP также были одобрены FDA для абортивного лечения мигрени, и еще два находятся в стадии разработки8. Несмотря на этот терапевтический прогресс, механизмы, с помощью которых происходят приступы мигрени, все еще остаются неуловимыми. Например, сайты действия CGRP неизвестны. Эффективность терапевтических антител, которые заметно не пересекают гематоэнцефалический барьер, предполагает, что CGRP действует на периферические участки, такие как мозговые оболочки и / или тройничные ганглии. Однако нельзя исключать центральных действий на обходные органы, у которых отсутствует гематоэнцефалический барьер9. По крайней мере, для светобоязни мы думаем, что это менее вероятно, учитывая наши результаты со световым отвращением с использованием трансгенных мышей nestin / hRAMP1, у которых hRAMP1 чрезмерно экспрессируется в нервной ткани10. Понимание механизмов патофизиологии мигрени предоставит новые возможности для развития терапии мигрени.
Доклинические животные модели имеют решающее значение для понимания механизмов заболевания и разработки новых лекарств. Тем не менее, оценка мигрени у животных является сложной задачей, поскольку животные не могут устно сообщать о своих ощущениях боли. Учитывая тот факт, что 80-90% пациентов с мигренью проявляют светобоязнь11, легкое отвращение считается показателем мигрени на животных моделях. Это привело к необходимости разработки анализа для оценки отвращения к свету у мышей.
Анализ светлый/темный содержит светлую зону и темную зону. Он широко используется для измерения тревоги у мышей на основе их спонтанного исследования новых сред, которому противостоит их врожденное отвращение к свету12. Некоторые исследования устанавливают 1/3 камеры в качестве темной зоны, в то время как другие устанавливают 1/2 камеры в качестве темной зоны. Прежняя настройка часто используется для обнаружения тревоги13. Хотя мы изначально выбрали одинаковые светлые / темные камеры, мы не сравнивали два относительных размера. Мы можем отметить, что общий размер обеих камер не является основным фактором, поскольку первоначальный испытательный бокс14 был значительно больше, чем последующий аппарат15, но результаты были по существу одинаковыми.
Двумя критическими модификациями этого анализа света/темноты для оценки отвращения к свету были: условие тестирования и интенсивность света (рисунок 1). Во-первых, мышей предварительно подвергают воздействию светло-темной камеры, чтобы уменьшить исследовательский драйв16 (рисунок 1A). Необходимость и время предварительной экспозиции зависят от штаммов и моделей мышей. Мышам дикого типа C57BL/6J обычно требуется два предварительных воздействия10, в то время как для мышей CD1 достаточно только одного предварительного воздействия17. Таким образом, светоносное поведение может быть разоблачено в этих двух штаммах мыши. Во-вторых, освещение камеры было адаптировано для включения регулируемого диапазона интенсивности света от тусклого (55 люкс) до яркого (27 000 люкс), где 55 люкс сравнимы с темным пасмурным днем, а 27 000 люкс сравнимы с ярким солнечным днем в тени10. Мы обнаружили, что требуемая интенсивность света варьируется в зависимости от штамма и генетической модели. По этой причине люди должны сначала оценить минимальную интенсивность света для своей экспериментальной парадигмы.
Даже с этими модификациями анализа, которые могут выявить светоносный фенотип, необходимо проверить тревожное поведение, чтобы различать отвращение к свету из-за одного только света и из-за тревоги. Анализ в открытом поле — это традиционный способ измерения тревоги, основанный на спонтанном исследовании новых сред. Он отличается от анализа света / темноты тем, что исследовательскому драйву противостоит врожденное отвращение к незащищенным открытым пространствам. Как центр, так и края камеры находятся на свету, поэтому анализ открытого поля является светонезависимым анализом тревоги. Таким образом, сочетание анализа светлого/темного и открытого поля позволяет нам различать отвращение к свету из-за избегания света и общее увеличение тревоги.
CGRP является многофункциональным нейропептидом, который регулирует расширение сосудов, ноцицепцию и воспаление18. Широко выражен в периферической и центральной нервной системах. Он играет важную роль в патофизиологии мигрени18. Однако механизм, лежащий в основе действия CGRP при мигрени, неясен. Используя анализы светлого/темного и открытого поля с этой модифицированной тестовой парадигмой, мы смогли идентифицировать светоаверсивное поведение у мышей после периферийного 10,16 (рисунок 2) и центрального введения CGRP14,15,16,19. В дополнение к нейропептидам, идентификация областей мозга, участвующих в неприятии света, также важна для понимания патофизиологии мигрени. Задние таламические ядра представляют собой интегративную область мозга для обработки боли и света19, а таламус активируется во время мигрени20. Таким образом, мы нацелились на задние таламические ядра, введя в эту область аденоассоциированный вирус (AAV), содержащий каналродопсин-2 (ChR2) или eYFP. Объединив этот оптогенетический подход с этими двумя анализами, мы продемонстрировали, что оптическая стимуляция ChR2-экспрессирующих нейронов в задних таламических ядрах вызывает отвращение к свету19 (рисунок 3). В этом эксперименте, учитывая драматическое влияние на вызванное отвращение к свету у этих оптогенетически манипулируемых мышей, предварительное воздействие камеры было пропущено.
Protocol
Representative Results
Discussion
Анализ светлый/темный широко используется для оценки тревожного поведения12. Анализ опирается на врожденное отвращение мышей к свету и их стремление исследовать при помещении в новую среду (зону света). Однако, как мы сообщаем здесь, этот анализ также может быть использован…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантами NIH NS R01 NS075599 и RF1 NS113839. Содержание не отражает точку зрения VA или правительства Соединенных Штатов.
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).
