自発および誘発単膝痛症マウスモデルでの痛み対策

Summary

関節炎の痛みの誘発尺度を開発し、異なる化学物質誘発関節炎モデルマウスにおける自発痛を測定するための標準化された方法と相まっています。これらの措置は敏感で、関節痛の種類ごとに再現です。

Abstract

痛みは、関節炎から障害の主な原因です。現在、関節炎の痛みの適切な処置のための満たされていない必要性があります。前臨床モデルが必要かつ有用な痛みのメカニズムを勉強して、関節炎治療の効果を評価するためです。関節炎の動物モデルにおける痛みの測定は困難です。マウス関節炎の 3 つのモデルの誘発電位と自然の痛みを測定する方法を開発しました。膝の痛みのしっかりした触診を受けるマウスの誘発疼痛反応我々 量的に表わします。我々 はまた重量の割合で自発痛を評価、時間の量は 1 つの膝の関節炎の痛みの誘導後 4 手足の各に配置。これらマウス モデルの関節痛は、誘発疼痛反応の有意な増加と荷重の変化を生成します。マウスは四足獣であるので彼らは前肢、またはいくつかの組み合わせに、対側の下肢に痛みを伴う手足をオフロードします。これらのメソッド簡単、最小限の設備を必要とする、再現性、痛みの検出に敏感。彼らは関節炎治療の疾患修飾とマウスにおける解熱鎮痛薬の両方の研究に適しています。

Introduction

痛みは、関節炎^1,2から障害の主な原因です。現在利用可能な鎮痛薬は有毒で、効果がないことが多いし、全国的な麻薬問題³に貢献する可能性があります。手術は、常に末期関節炎、特に複数の併存があります、高齢者のためのオプションではありません。関節内ステロイドと従って初期の疾患に有効であるが通常遅い段階病⁴でその有効性を失います。現在利用可能な治療法では対処できません関節炎の痛みのため効果的な鎮痛薬の偉大な満たされていない必要性があります。

前臨床モデルは疼痛治療の作用機序を理解し、制限毒性予測に役立ちますが、動物の苦痛の測定は⁵に挑戦します。痛み対策が直接、自発的にすることができます (静的または動的荷重、足の姿勢、歩行分析、自発運動、機械的あるいは熱的感度) または間接/誘発 (後肢撤退テスト、膝圧縮力または脳イメージング)⁶。 拇の穏やかな形態は、歩行分析は敏感と一貫性⁷を欠いています。静的荷重は、ラット後肢の痛みを測定するため便利ですが、マウスでは難しいことができます。Von Frey test などの機械的感度測定間接的膝関節炎の設定で足のパッドの感作性を検出が、膝の痛みを直接測定しないし、実行するは面倒です。ラットでは, デザイナーデュオ。 アプリケーションの (計測) 装置で測定した膝圧縮力を使用できますが、大型の装置が痛み⁸を必ずしも反映していない否定的な行動を生じることがなくマウス使いにくい。

機密性の高い、痛みの重症度と関節内治療^9,の鎮痛効果を測定するため再現性のあるマウス関節炎の 3 つの異なるモデルで測定自発および誘発の痛みのための方法を開発した¹⁰. 我々 も人間でことはできません痛みや画面の治験薬の他の組織学的マーカーと痛みの軽減を関連付けることができます。効果的な併用療法を識別するために控えめな効果的な鎮痛薬の相乗効果を評価できます。誘発電位と自発的な痛みのための実証済みの方法を活用することにより、1 種類の疼痛行動がない、他とより密接に人間¹¹ミラー痛み測定に反映されている痛みを識別するために失敗の落とし穴を避けてください。2 つの方法の痛み評価を制限すると、疼痛行動に影響を与えることが研究室の生産性を最大化できる動物へのストレスを最小化します。

Protocol

すべての動物の手順とプロトコル ミネアポリス退役軍人庁医療システム (VAHCS) 機関動物ケアおよび使用委員会によって承認され、ケアおよび実験動物の使用の「ガイド」に適合 (国立アカデミック プレス、米国)12。 1. 動物の選択 注: C57Bl6 マウスは、3 つすべての関節炎モデルに使用されます。 オスかメスのマウスを使用して、しかし、性別およびテストされているモデルの発症原因によって関節炎の痛みへの対応が異なることがあります。 性成熟に達している急速に成長は、もはや、痛み測定を混同可能性があります自然の関節炎を開発しているのに十分な年齢ではない、マウスを選択します。注: 12 週間は前述のモデルが、これで痛み測定のための理想的な年齢は研究デザインによって異なります。関節炎の開始時の年齢は、モデルを開発する時間の期間に依存します。急性炎症性関節炎 (カラギーナン モデル) を開発する 3 h が必要です、従って動物は 12 週齢時に誘導。慢性炎症性関節炎 (CFA モデル) を開発する 3 週間を必要とする、従って動物は 9 週間誘導の時点で古い。慢性退行性関節炎 (コラゲナーゼ モデル) を開発する 4 週間を必要とする、従って動物は誘導の時に 8 週間。さらに慢性退行性関節炎モデルは 6 週齢で関節炎を誘導することによって使用できます。これにより関節の損傷の開発の 6 週間です。ただし、慢性退行性関節炎マウスでは、重要な誘発痛が生成されません。 国家の商業繁殖動物のソースから動物を取得します。 アドリブの齧歯動物の食事と水と標準のポリカーボネート製ケージで最大 8 動物のグループの動物の家。 72 ° C ± 1 ° C の環境条件と 12 時間の明暗サイクルと 33% ± 1% の湿度を維持します。 2 膝に関節内注射 内部にポリエチレン管の作られた鞘で 0.5 インチ針の長さを覆うことによって滅菌 30 G 2.5 mm を作成 0.38 mm と外径針突のわずか 2.5 mm を残して、1.09 mm の直径。これは、針を深く挿入して後方関節を終了を防ぎます。 注入、あらゆる市販の電動顔の毛トリマーを使用してひげをそるに単一の膝を選択し、providone ヨウ素のスクラブで滅菌します。 100% O2 1l/分 3 分 ± 1 分維持麻酔手順で、ノーズを使って 3% イソフルランとマウスを麻酔します。つま先ピンチして麻酔の深さを確認します。呼吸状態をモニターし、適切な呼吸を維持するために麻酔の露出を最小限に抑えるように注意します。 マウスは完全に麻酔後滅菌シース針を使って膝蓋骨の下縁にだけ劣る膝蓋腱を介して正中線で接合部を入力します。この前正中線方法は、関節を入力し、目的の物質を注入するための精度を最大化します。 関節炎を誘発する物質、鎮痛物質を注入するためには、同じアプローチを使用します。偽のコントロールは、任意の物質を注入することがなく上記として針を挿入することによって生成されます。 3. 関節炎の生産 上記のステップ 2.3 のように動物を麻酔します。 カラギーナン、Freund 完全アジュバント、タイプ IV コラゲナーゼの適切な量 (下記参照) の重量を量るし、安全性と不妊の層流フードの生食による適切な濃度に希釈します。 ハミルトンの注射器を使用して急性の炎症性関節炎を生成する上記として膝に 0.9% 滅菌生理食塩水で希釈した 2.5% カラギーナンの 10 μ l を注入します。関節注射後 3 h をピークします。 30 μ L (30 μ g) の Freund 完全アジュバント (CFA) 膝に慢性的な炎症性の関節炎を生成するを挿入します。1 週間、3 週間の投与でピーク慢性期でピーク初期の急性炎症期があります。 慢性退行性関節炎を生成する 10 IU タイプ IV コラゲナーゼを含む 10 μ L を注入します。関節炎の痛みは、注射後 4 週間をピークします。 4. 誘発関節痛の測定 常に最初から膝の痛み13クロス オーバー痛み応答 (ワインド アップ) を最小限に抑えるために通常コンパレータ膝を調べます。 700 の gf/cm2の一貫性があり、しっかりした圧力を適用する審査官を訓練 Palpometer レベル 4; を使用して 10 の psi を =圧力のこのレベルが適用されるとき、デバイスは 4 のビープ音を出力します。圧力のこの量は一貫して通常の関節から、関節炎よりも関節からより大きい痛み応答を引き出すでしょう。注: デバイスを圧力の適切なレベルを適用すると、ビープ音 4 回を引き出すために工場出荷時に校正します。のみの訓練のためのデバイスを使用します。動物を使用しないが、動物を調べると、トレーニングを通じて学んだ圧力の量が適用されます。 人差し指と親指で首の首筋を押し尾を抑制する 4番目と 5番目の指を使用してカジュアルな動きを防ぐためにしっかりと十分なマウスを抑制します。マウスは離散、簡単な動き刺激と努力をすることができるはずが、自由にまたは連続的に移動することができるはずないです。 約親指と人差し指マウスを抑制しながら 1 分で 1 秒あたり 1 回フリーハンドの継ぎ目で各膝の外側と内側の両側に繰り返される会社 (Palpometer レベル 4) palpations を同時に管理します。マウス試験のため、Palpometer を使用しないでください。それは訓練にのみ使用されます。 動物アカオノリスし、1 分この期間中に拘束を脱出する戦いの回数をカウント 2 番目のオブザーバーがあります。戦いと発声の合計は誘発疼痛スコアです。 私たちは常に研究を通して同じ審査官と審査官と観察者実験条件に関して盲目になることを確認します。 5. 自然共同痛みの測定。 メモ: 高度な動的重量軸受 (ADWB) デバイスは、各肢の動物が費やしている時間の合計の割合と総重量各肢の負担の割合を計算します。 プラスチック ビーカーを 2 L の水で満たしなさい。泡パッド、実験室規模で満たされたビーカーと一緒に機器に含まれている、合計の重量を記録中密度繊維板を配置します。 ADWB プログラムを開き、マウスセンサー タイプを選択します。 各実験の前にシステムを調整します。 校正メニューの下で校正を選択します。風袋値とフォーム パッド、中密度繊維板、プラスチック ビーカー、校正用分銅水の重量として 0.00 を入力し、次へを選択します。 センサーに何かを置く前に風袋を選択します。選択するとプレビューを得る、する前に指定されたフォーム パッド、中密度繊維板、2 リットルの水、その順番が入ったプラスチック ビーカーとセンサー パッドをカバーします。校正用分銅がセンサー上にプレビューを得るを選択します。 個々 のセンサーや校正インジケーターの値が 95 以上の場合は均等に校正用分銅を調整、定義を得るを選択します。このプロセスは、個々 のセンサーの正規化された平均を生成し、個々 のセンサーの整合性を確認します。最後に、次を選択します。 校正フォルダーに校正ファイルを保存します。 新規を選択、プロジェクト名とテストする最初のマウスの動物名を入力を提供します。 参照を選択し、校正作成されたプロジェクトのファイルを開きます。ビデオ キャプチャを有効にするを選択し、[ ok]をことを確認、次へを選択します。 動物の重量を量る、キャプチャをを選択し、ソフトウェアに重量を記録します。[Ok]を選択します。 このデバイスは、自発的な行動を測定するため、データの収集前に商工会議所にマウスを順応させるはないです。 テスト 5 分の期間に室の中にマウスを置く。動物は、商工会議所の場合は、起動を選択します。ソフトウェアがこの時間の間に動物の活動を記録、ビデオ キャプチャしセンサー データと同期して自動的にこのビデオを分析できると非解析可能なセグメントに分割します。注: ソフトウェア考慮セグメント分析可能な少なくとも 1 つの安定したゾーンが検出されたとき。センサー検出 ≥2 g ≥ 1 g とゾーンの重量配分が 0.38 より多くの安定しているとき検出 1 つの隣接するセンサーの最低 1 つのセンサーで、安定したゾーンを作成 s。 シリーズの最初の分析の前に簡単な得点と独立した足の設定を選択します。注: 簡単スコア安定のゾーンは変わりませんセグメントのイテレーションの検証は、そのセグメントの最初の安定したゾーンの検証に基づくことができます。独立した足の設定は、各足の個体識別のできるキーボード ショートカットへのアクセスと共に、オブザーバーを提供します。右後肢として最低限の基準を満たす、左後肢、右手前、手前、左両方の前足は、他の身体の部分またはセグメントごとのビデオ ・ スケールの地図上のカーソルを押しながらキーボード ショート カットを使用して、ゾーンを無視するオブザーバー割り当てゾーンのアクティブ化センサー。 オン>>最初の解析可能なセグメントに移動します。安定したゾーンはない識別正しい足を持ってそのゾーンにカーソルを置くし、ショートカット キーを押して場合 (右後肢、 s;左後脚、; 右手前、 w; 左前、 q; 両方の前足e; 他のセクション体、 z、 xゾーンを無視する) 正しいボディ部に対応します。注: 分析のしきい値を満たすために 1.5 分の分析可能な時間の最小値が必要です。分析されたセグメントは、ソフトウェアによって paw(s) あたりの出力の平均を自動的に追加。 ADWB ソフトウェア、自動的に分析時間の割合と計算の各 4 つの肢オプションに置かれるボディ重量 (g) の割合。最初の 5 つの集計行をエクスポートする場合にのみ結果をエクスポートを選択はいプロンプトの質問を選択して出力先の場所を選択するには、新しいスプレッドシートにこれらの値をエクスポートします。 研究期間の終わりに開胸による CO2 吸入によって動物を安楽死します。 同じグループ内の各追加動物の上等の新しいユニークな動物の名前を入力して、プロジェクト名を変更しないでください。ビデオ キャプチャを有効にするを選択し、[ ok]をことを確認、次へを選択します。最初の動物は 5.5 に 5.12 の手順に従います。

Representative Results

急性および慢性炎症や慢性退行性関節の痛みは、上記プロトコルを使用して痛みの評価前に c57bl/6 j 雌雄マウスの左膝に IA 注入によって製作されました。関節の痛みは誘発疼痛スコア (EPS) と自発痛挙動測定を測定した高度な動的重量軸受 (ADWB) デバイス。この報告書の目的、学生の t テストを使用して個々 の比較が行われました。鎮痛用量が比較される実験の分散分析より適切な統計比較があります。 関節痛 (図 1) の 3 種類のすべての EPS (集計の戦いに加えて、発声の合計) が増加しました。素朴なマウスに比べて左後肢 % 荷重の ADWB 措置は、急性および慢性炎症性関節痛の減少しました。女性がいない男性慢性退行性関節 ADWB 対策 (図 2A) の痛み (COL) を示したと同様削減。急性炎症性関節痛と男性より多くの重量を素朴な動物よりも前肢に転送されます。前肢に体重増加慢性退行性関節痛 (COL) (図 2B) と男性ではなく素朴なに比べて雌マウスで。ADWB 対策と急性および慢性の炎症性関節痛が、このマウスにおけるナイーブと比較して減少した影響を受ける左後肢の時間の割合は、統計的に有意でした。これらの動物は、右後肢により左後肢に大幅に短い時間を費やすでした。男女ともに慢性退行性関節痛とで世間知らずと比較して左後肢に費やされる時間の違いはありませんでした。女性の慢性退行性関節痛 nonarthritic 右後肢ナイーブ (図 3A) と比較してより多くの時間を過ごした。マウス急性炎症性共同痛みと女性と素朴な動物 (図 3B) よりも前肢に多くの時間を費やし、慢性退行性関節痛。 図 1.左 (青列) と右 (赤柱) 後肢の疼痛スコアを誘発。右後肢は、内部統制を務め、すべての IA の注射を受けていません。次の条件で測定された: uninjected 素朴な (男性と女性)、急性炎症性カラゲニン誘発関節炎 (車)、慢性的な炎症性完全フロイントアジュ アジュバント誘発関節炎 (CFA)、慢性的な noninflammatoryコラゲナーゼ誘発関節炎 (COL – 男性と女性)。素朴な動物で左後肢の膝の EPS はなかった男性で右から統計的に異なると女性で最低限だけ異なる (* *P = 0.038) 可能性が高いいくつかのため検査した膝の痛み応答を増加 (左) は 2 番目のクロス オーバーの痛み応答。関節炎のすべてのグループで EPS 関節左膝だった nonarthritic の反対側の右膝より有意に大きかった。素朴な動物に関節炎のグループの左の膝の EPS を比較すると、関節炎のすべてのグループは、素朴な左膝と比較して関節の左右の膝で大きくの EPS スコアを持っていた。これは、男性と女性の両方で本当だった。P < 0.05 素朴な男性と比較して、#P < 0.05 素朴な女性と比較して。すべての誤差範囲は、すべての数字の SEM です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2: 自発痛動作を用いて手足に負担パーセント体重です。(A) 自発痛の動作左側 (青列) と右 (赤柱) 後肢の総パーセント体重から測定します。両方の男性と女性の素朴な動物で、左と右後肢に負担割合の重量に有意差はなかった。車と CFA の雄マウスによる関節痛と女性でコルによる関節痛のナイーブと比較して左後肢に大幅軽量。P < 0.05 素朴な男性と比較して、#P < 0.05 素朴な女性と比較して。合計パーセント体重測定 (B) 自発痛動作は、前肢に配置されます。車による急性の関節痛と男女ともコルによる慢性的な関節痛で、前肢に負担重量の量の大幅な増加があった。CFA の男性では見られなかったコルによる関節痛や。素朴な女性が naïve の男性よりも前肢のより多くの重量を負担する傾向があった (P = 0.02)。付加的な重量は、尾や臀部など他の体の部分が負担する場合があります。これらは通常最小限に抑えていたと痛みの反応の理解に大きく貢献しなかったし、は表示されません。P < 0.05 素朴な男性と比較して、#P < 0.05 素朴な女性と男性 4 週間コル前肢荷重で比較しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 3:の時間の割合によって測定される自発痛動作を手足に過ごしたです。(A) 自発痛動作を左 (青列) と右 (赤柱) 後肢に費やされた合計のパーセント時間によって測定されます。手足に費やされる時間に関して男性と女性の素朴なマウスの右と左後肢の間に有意差はありませんでした。車と CFA の雄マウス誘発関節炎、関節炎と少ない時間荷重を過ごすに素朴なしかし、これと比較して左後肢が統計的に有意ではなかった、これらのマウスにこの測定のばらつきを増やすために可能性が高いが登場します。これらの動物は、右後肢を過ごした左よりもより多くの時間の合計荷重と右から左への比較で有意差があった。コル誘発関節炎を持つ女性、右後肢は荷重時と素朴な女性の割合が大きい。P < 0.05 左、#P < 0.05 素朴な女性と男性 4 週間コル時間で比較する権利の比較を前肢で過ごした。合計時間によって測定される (B) 自発痛動作を前肢で過ごした。車誘導関節炎を持つ男性と女性コル誘発関節炎マウスは前面の手足に素朴な動物よりもかなり多くの時間荷重を過ごした。女性の素朴なマウスは、男性の素朴な動物よりも前肢に多くの時間を過ごした。P < 0.05 素朴な男性と比較して、#P < 0.05 素朴な女性と比較して。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

炎症性関節炎、退行性関節疾患の前臨床モデルで関節痛の測定は、関節炎の痛みと関節機能^9,10を復元するための新しい治療法を評価するますます貴重なツールです。慢性退行性関節疾患を持つマウスの痛み行動を測定することは困難です。四肢、として彼らは、他の 3 つの手足や尾の任意の組み合わせに痛みを伴う手足をオフロードできます。1 下肢の機能の低下を明らかに、これは、二足歩行の人間として表示されないがあります。動物を獲物としてマウス痛み行動を最小限に抑えるために延命効果があります。

このレポートは、シンプルで比較的安価な方法で、異なる病理学的メカニズムから関節痛がマウスの測定を示しています。炎症性関節痛は、荷重分布の大きな変化を引き起こす、したがって鎮痛の検出より敏感なモデルがあります。ただし、関節の痛みの他のモデルになります重要な痛みの開始と維持のメカニズムがあるので、新しい潜在的な鎮痛薬を評価するとき別の病理学と異なる。男女間や関節炎の痛みの異なるモデル間でオフロード パターンに違いがみられました。

あることができますひずみ同様マウス^14,,1516疼痛行動における性差を認識することが重要です。痛閾値における異なる系統差があることをまた知られています。C57/Bl6 マウスにおける女性示した慢性退行性関節痛 (図 2および図 3) 男性マウスよりにより自然の痛み行動 (体重増加と前肢の時間) がわかった。我々 かどうかこれは我々 の結果に影響を与えたが、C57/Bl6 マウス¹⁷の観察された性の相違を説明しなかったその発情段階を決定他の人とは言えないのでこれらの雌マウスの発情期を定めなかった。

誘発疼痛行動は関節痛のテストのすべてのタイプに敏感で、良い再現性。審査官は、一貫性のある標準化された触診圧を提供し、痛みと鎮痛の両方を検出する疼痛行動の範囲を可能にする一貫性のある拘束方法を使用する訓練を受けたことが重要です。クロス オーバー効果による膝関節の痛みの反応を最小限に抑え、通常、痛みを伴う膝の痛みの反応の違いを最大化するためにまず健常者の膝を常に調べることが重要です。EPS を作る苦痛の応答を集計する 2 番目のオブザーバーを用いたは、審査官は一貫した触診に焦点を当て、発声との戦いは一貫して集計、ので、必要です。動物は痛みに適切に反応することができますが、痛みの反応を希釈するために余りに容易に反応しないように特に拘束方法を練習する必要があります。EPS 測定の利点は人間の患者に関節圧痛を測定に似ています。

これらのメソッドは、彼らは直接マウスの膝の関節から来る痛みを測定で既存の方法よりも優れて、拇痛みの異なるモデルで使用することができます、両方の自発および誘発の痛みの反応が含まれ、比較的感じます再現性のある、信頼性の高い、安価です。治療がより効果的に関節炎を治療するために開発、これらの方法は治療が関節炎の痛みの最も無効にする結果を実際に有効かどうかを確認するため役に立つでしょう。

私たちの方法には、いくつかの限界があります。主に、EPS の測定は単一の審査官とオブザーバーの要件と非常に一貫した手法の必要性によって制限されます。誘発痛対策より自動化された、検者間違いを起こしやすいとはありません。EPS メジャーのさらなる改良は、触診、超音波コウモリ探知器を使用して発声をカウントするなどへの応答における発声をカウントするための自動化された方法にあります。このメソッドは、広く実装できる前に感度と特異性を確認するための私たちの現在のメソッドと比較する必要があります。

要約すると、マウスの関節痛を定量化するための 2 つの異なる痛み動作対策をについて説明します。性別と歪みの違いは実験モデルを選択する前に考慮されなければなりません。誘発痛の対策は、審査官によって慎重な訓練と一貫性のある実装を必要です。自発および誘発痛の両方の動作の痛みの重症度と機能の制限を評価するをお勧めし、完全に新しい潜在的な鎮痛薬の効果を評価するために活用すべき。

Materials

Advanced Dynamic Weightbearing Device	Bioseb In Vivo Research Instruments, Vitrolles, France	Model: BIO-DWB-M – For mice
C57/Bl6 mice (male and female)	Jackson Labs, Bar Harbor ME	Stock No: 000664 | Black 6
Carrageenan	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA	22049-5G-F
Complete Freund's Adjuvant	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA	F5881
Palpometer	Palpometer Systems, Inc. Victoria, B.C	Not available – no longer in business
Type IV Collagenase	Worthington Biomedical Corp, Lakeville, NJ	LS004210