Farelerde Işıktan Kaçınma Kullanarak Migren Benzeri Davranışların İncelenmesi
Summary
Kemirgenler migren semptomlarını bildiremezler. Burada, migrenli hastalarda en yaygın ve rahatsız edici semptomlardan biri olan ışıktan kaçınmayı ölçmek için yönetilebilir bir test paradigmasını (açık / karanlık ve açık alan testleri) açıklıyoruz.
Abstract
Migren, fotofobi olarak gözlenen, baş ağrısı ve ışığa aşırı duyarlılık gibi duyusal anormalliklerle karakterize karmaşık bir nörolojik bozukluktur. Bir farenin migren yaşadığını doğrulamak imkansız olsa da, ışıktan kaçınma, fotofobinin migren semptomu için davranışsal bir vekil olarak kullanılabilir. Işıktan kaçınmayı test etmek için, farelerin açık veya karanlık bir ortamda özgürce geçirmeyi seçtikleri zamanı ölçmek için açık / karanlık tahlilini kullanıyoruz. Tahlil, iki kritik modifikasyon getirilerek rafine edilmiştir: test prosedürünü çalıştırmadan önce odaya önceden maruz kalma ve ayarlanabilir oda aydınlatması, 55 lüks ila 27.000 lüks arasında bir dizi ışık yoğunluğunun kullanılmasına izin verir. Karanlıkta daha fazla zaman geçirme seçimi de kaygının göstergesi olduğundan, kaygıyı ışıktan kaçınan davranıştan ayırt etmek için ışıktan bağımsız bir anksiyete testi olan açık alan testini de kullanıyoruz. Burada, aydınlık / karanlık ve açık alan tahlilleri için değiştirilmiş bir test paradigmasını açıklıyoruz. Bu testlerin uygulanması, iki fare suşunda kalsitonin geniyle ilişkili peptidin (CGRP) intraperitoneal enjeksiyonu ve optogenetik beyin stimülasyon çalışmaları için tanımlanmıştır.
Introduction
Migren, Amerikalıların yaklaşık %17’sini etkileyen1 yaygın bir nörolojik hastalıktır ve dünya çapında ikinci önde gelen sakatlık nedenidir2,3. Hastalar aşağıdaki semptomlardan en az biriyle birlikte 4-72 saat süren baş ağrısı yaşarlar: bulantı ve / veya kusma veya fotofobi ve fonofobi4. Şu anda FDA onaylı olan kalsitonin geniyle ilişkili peptid (CGRP) antikorlarının geliştirilmesindeki son gelişmeler, migren tedavisi için yeni bir çağ başlatmıştır5,6,7. Bu antikorlar CGRP’yi veya reseptörünü bloke eder ve migren hastalarının yaklaşık %50’sinde migren semptomlarını önler7. Geçtiğimiz yıl içinde, CGRP reseptörünün iki küçük moleküllü antagonisti de migrenin abortif tedavisi için FDA onaylıdır ve iki tanesi daha boru hattındadır8. Bu terapötik ilerlemeye rağmen, migren ataklarının meydana geldiği mekanizmalar hala belirsizliğini korumaktadır. Örneğin, CGRP eyleminin siteleri bilinmemektedir. Kan-beyin bariyerini önemli ölçüde geçmeyen terapötik antikorların etkinliği, CGRP’nin meninksler ve / veya trigeminal gangliyonlar gibi periferik bölgelerde hareket ettiğini göstermektedir. Bununla birlikte, kan-beyin bariyeri olmayan çevresel organlardaki merkezi eylemleri göz ardı edemeyiz9. En azından fotofobi için, hRAMP1’in sinir dokusunda aşırı eksprese edildiği transgenik nestin / hRAMP1 fareleri kullanarak ışıktan kaçınma ile elde ettiğimiz sonuçlar göz önüne alındığında bunun daha az olası olduğunu düşünüyoruz10. Migren patofizyolojisinin mekanizmalarını anlamak, migren terapötiklerinin gelişimine yeni yollar sağlayacaktır.
Preklinik hayvan modelleri, hastalık mekanizmalarını ve yeni ilaçların geliştirilmesini anlamak için kritik öneme sahiptir. Bununla birlikte, hayvanlarda migren değerlendirmesi zordur, çünkü hayvanlar ağrı duyumlarını sözlü olarak bildiremezler. Migren hastalarının% 80-90’ının fotofobi sergilediği göz önüne alındığında11, hayvan modellerinde ışıktan kaçınmanın migrenin bir göstergesi olduğu düşünülmektedir. Bu, farelerde ışıktan kaçınmayı değerlendirmek için bir tahlil geliştirme ihtiyacına yol açtı.
Açık / koyu tahlil bir ışık bölgesi ve bir karanlık bölge içerir. Farelerde, ışığa karşı doğuştan gelen isteksizlikleriyle karşı karşıya kalan yeni ortamların kendiliğinden keşfine dayanarak kaygıyı ölçmek için yaygın olarak kullanılır12. Bazı çalışmalar odanın 1 / 3’ünü karanlık bölge olarak belirlerken, diğerleri odanın 1 / 2’sini karanlık bölge olarak belirlemiştir. Eski ayar genellikle kaygıyı tespit etmek için kullanılır13. Başlangıçta eşit büyüklükte açık / karanlık odaları seçmiş olsak da, iki göreceli boyutu karşılaştırmadık. Her iki odanın genel boyutunun önemli bir faktör olmadığını söyleyebiliriz, çünkü ilk test kutusu14 sonraki cihazdan15 önemli ölçüde daha büyüktü, ancak sonuçlar temelde aynıydı.
Işıktan kaçınmayı değerlendirmek için bu aydınlık / karanlık testinde iki kritik değişiklik şunlardı: test koşulu ve ışık yoğunluğu (Şekil 1). İlk olarak, fareler keşif sürüşünü azaltmak için açık/karanlık odaya önceden maruz bırakılır16 (Şekil 1A). Ön pozlamaların gerekliliği ve zamanları fare suşlarına ve modellerine bağlıdır. Wildtype C57BL/6J fareler genellikle iki ön pozlama gerektirir10, CD1 fareler için sadece bir ön pozlama yeterlidir17. Bu şekilde, ışıktan kaçınan davranış, bu iki fare suşunda maskelenebilir. İkinci olarak, oda aydınlatması, loş (55 lüks) ile parlak (27.000 lüks) arasında ayarlanabilir bir ışık yoğunluğu aralığı içerecek şekilde uyarlanmıştır; burada 55 lüks, karanlık bulutlu bir günle karşılaştırılabilir ve 27.000 lüks, gölgedeki parlak güneşli bir günle karşılaştırılabilir10. Gerekli ışık yoğunluğunun suş ve genetik modele göre değiştiğini bulduk. Bu nedenle, bireyler öncelikle deneysel paradigmaları için minimum ışık yoğunluğunu değerlendirmelidir.
Işıktan kaçınan bir fenotipi ortaya çıkarabilen tahlildeki bu değişikliklerle bile, yalnızca ışığa bağlı ışıktan kaçınma ile kaygıdan kaynaklanan ışık isteksizliğini ayırt etmek için anksiyete benzeri davranışları test etmek gerekir. Açık alan tahlili, yeni ortamların kendiliğinden araştırılmasına dayanan kaygıyı ölçmenin geleneksel bir yoludur. Açık/karanlık tahlilinden farklıdır, çünkü keşif dürtüsü, korunmasız açık alanlara karşı doğuştan gelen isteksizlikle karşı karşıya kalır. Odanın hem merkezi hem de kenarları ışıktadır, bu nedenle açık alan testi ışıktan bağımsız bir anksiyete testidir. Böylece, aydınlık / karanlık ve açık alan tahlillerinin kombinasyonu, ışıktan kaçınma nedeniyle ışıktan kaçınma ile kaygıdaki genel bir artış arasında ayrım yapmamızı sağlar.
CGRP, vazodilatasyonu, nosiseptifi ve inflamasyonu düzenleyen çok fonksiyonlu bir nöropeptittir18. Periferik ve merkezi sinir sistemlerinde yaygın olarak eksprese edilir. Migren patofizyolojisinde önemli rol oynar18. Bununla birlikte, migrende CGRP etkisinin altında yatan mekanizma belirsizdir. Bu modifiye edilmiş test paradigması ile açık / karanlık ve açık alan tahlillerini kullanarak, periferik 10,16 (Şekil 2) ve merkezi 14,15,16,19 CGRP uygulamasını takiben farelerde ışıktan kaçınma davranışını tanımlayabildik. Nöropeptitlere ek olarak, ışıktan kaçınmada rol oynayan beyin bölgelerinin tanımlanması da migren patofizyolojisinin anlaşılmasında önemlidir. Posterior talamik çekirdekler, ağrı ve ışık işleme için bütünleştirici bir beyin bölgesidir19 ve talamus migren sırasında aktive edilir20. Bu nedenle, bu bölgeye kanalrodopsin-2 (ChR2) veya eYFP içeren adeno ilişkili virüs (AAV) enjekte ederek posterior talamik çekirdekleri hedefledik. Bu optogenetik yaklaşımı bu iki tahlille birleştirerek, arka talamik çekirdeklerdeki ChR2 eksprese eden nöronların optik stimülasyonunun ışıktan kaçınmayı indüklediğini gösterdik19 (Şekil 3). Bu deneyde, bu optogenetik olarak manipüle edilmiş farelerde uyandırılan ışıktan kaçınma üzerindeki dramatik etki göz önüne alındığında, odaya önceden maruz kalma atlandı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aydınlık / karanlık testi, kaygı benzeri davranışları değerlendirmek için yaygın olarak kullanılır12. Tahlil, farelerin ışığa karşı doğuştan gelen isteksizliğine ve yeni bir ortama (ışık bölgesi) yerleştirildiğinde keşfetme dürtülerine dayanır. Bununla birlikte, burada bildirdiğimiz gibi, bu tahlil aynı zamanda ışıktan kaçınma davranışını değerlendirmek için de kullanılabilir.
Testten önce ön maruziyetlerin sayısını ve g…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH NS R01 NS075599 ve RF1 NS113839’dan gelen hibelerle desteklenmiştir. İçerikler VA veya Amerika Birleşik Devletleri Hükümeti’nin görüşlerini temsil etmemektedir.
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).
