Onderzoek naar migraine-achtig gedrag met behulp van lichtaversie bij muizen
Summary
Knaagdieren kunnen geen migrainesymptomen melden. Hier beschrijven we een beheersbaar testparadigma (licht / donker en open veld assays) om lichtaversie te meten, een van de meest voorkomende en hinderlijke symptomen bij patiënten met migraine.
Abstract
Migraine is een complexe neurologische aandoening die wordt gekenmerkt door hoofdpijn en sensorische afwijkingen, zoals overgevoeligheid voor licht, waargenomen als fotofobie. Hoewel het onmogelijk is om te bevestigen dat een muis migraine ervaart, kan lichtaversie worden gebruikt als een gedragssurrogaat voor het migrainesymptoom van fotofobie. Om te testen op lichtaversie, gebruiken we de licht / donker-test om de tijd te meten die muizen vrij kiezen om door te brengen in een lichte of donkere omgeving. De test is verfijnd door twee kritische wijzigingen aan te brengen: pre-blootstelling aan de kamer voorafgaand aan het uitvoeren van de testprocedure en instelbare kamerverlichting, waardoor het gebruik van een reeks lichtintensiteiten van 55 lux tot 27.000 lux mogelijk is. Omdat de keuze om meer tijd in het donker door te brengen ook indicatief is voor angst, gebruiken we ook een lichtonafhankelijke angsttest, de open veldtest, om angst te onderscheiden van licht-aversief gedrag. Hier beschrijven we een aangepast testparadigma voor de licht/donker en open veld assays. De toepassing van deze assays wordt beschreven voor intraperitoneale injectie van calcitonine gen-gerelateerd peptide (CGRP) in twee muizenstammen en voor optogenetische hersenstimulatiestudies.
Introduction
Migraine is een veel voorkomende neurologische ziekte, die ongeveer 17% van de Amerikanen treft1 en is wereldwijd de tweede belangrijkste oorzaak van invaliditeit2,3. Patiënten ervaren hoofdpijn die 4-72 uur aanhoudt, vergezeld van ten minste een van de volgende symptomen: misselijkheid en / of braken, of fotofobie en fonofobie4. Recente ontwikkelingen in de ontwikkeling van calcitonine gen-gerelateerde peptide (CGRP) antilichamen die nu door de FDA zijn goedgekeurd, zijn een nieuw tijdperk begonnen voor de behandeling van migraine5,6,7. Deze antilichamen blokkeren CGRP of de receptor ervan en voorkomen migrainesymptomen bij ongeveer 50% van de migrainepatiënten7. In het afgelopen jaar zijn twee kleinmolecuulantagonisten van de CGRP-receptor ook door de FDA goedgekeurd voor een mislukte behandeling van migraine, en er zijn er nog twee in de pijplijn8. Ondanks deze therapeutische vooruitgang blijven mechanismen waarmee migraineaanvallen optreden nog steeds ongrijpbaar. De sites van CGRP-actie zijn bijvoorbeeld niet bekend. De werkzaamheid van therapeutische antilichamen die de bloed-hersenbarrière niet merkbaar passeren, suggereert dat CGRP werkt op perifere plaatsen, zoals de hersenvliezen en / of trigeminus ganglia. We kunnen echter niet uitsluiten dat centrale acties bij omzeiliculaire organen, die geen bloed-hersenbarrière hebben9. In ieder geval voor fotofobie denken we dat dit minder waarschijnlijk is gezien onze resultaten met lichtaversie met behulp van transgene nestin / hRAMP1-muizen waarbij hRAMP1 overexpressie heeft in het zenuwweefsel10. Het begrijpen van mechanismen van migraine pathofysiologie zal nieuwe wegen bieden voor de ontwikkeling van migraine therapeutica.
Preklinische diermodellen zijn van cruciaal belang voor het begrijpen van ziektemechanismen en de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. De beoordeling van migraine bij dieren is echter een uitdaging, omdat dieren hun pijnsensaties niet verbaal kunnen melden. Gezien het feit dat 80-90% van de migrainepatiënten fotofobie vertoont11, wordt lichtaversie beschouwd als een indicator van migraine in diermodellen. Dit leidde tot de noodzaak om een test te ontwikkelen om lichtaversie bij muizen te beoordelen.
De licht/donker assay bevat een lichte zone en een donkere zone. Het wordt veel gebruikt voor het meten van angst bij muizen op basis van hun spontane verkenning van nieuwe omgevingen die wordt tegengegaan door hun aangeboren afkeer van licht12. Sommige studies stellen 1/3 van de kamer in als de donkere zone, terwijl anderen 1/2 van de kamer als de donkere zone instellen. De eerste instelling wordt vaak gebruikt om angst te detecteren13. Hoewel we in eerste instantie kozen voor even grote licht/donkere kamers, hebben we de twee relatieve maten niet vergeleken. We kunnen opmerken dat de totale grootte van beide kamers geen belangrijke factor is, aangezien de eerste testbox14 aanzienlijk groter was dan het daaropvolgende apparaat15, maar de resultaten waren in wezen hetzelfde.
Twee kritische aanpassingen aan deze licht/donker assay om lichtaversie te beoordelen waren: de testconditie en de lichtintensiteit (figuur 1). Ten eerste worden muizen vooraf blootgesteld aan de licht/donkere kamer om de verkennende drive te verminderen16 (figuur 1A). De noodzaak en tijden van pre-blootstellingen zijn afhankelijk van muizenstammen en -modellen. Wildtype C57BL/6J-muizen vereisen meestal twee pre-blootstellingen10, terwijl slechts één pre-blootstelling voor CD1-muizen voldoende is17. Op deze manier kan licht-aversief gedrag worden ontmaskerd in deze twee muizenstammen. Ten tweede is de kamerverlichting aangepast aan een instelbaar bereik van lichtintensiteiten van zwak (55 lux) tot helder (27.000 lux), waarbij 55 lux vergelijkbaar is met een donkere bewolkte dag en 27.000 lux vergelijkbaar is met een heldere zonnige dag in de schaduw10. We hebben ontdekt dat de vereiste lichtintensiteit varieert met de stam en het genetische model. Om deze reden moeten individuen eerst de minimale lichtintensiteit voor hun experimentele paradigma beoordelen.
Zelfs met deze wijzigingen in de test, die een licht-aversief fenotype kan onthullen, is het noodzakelijk om angstachtig gedrag te testen om onderscheid te maken tussen lichte aversie als gevolg van licht alleen versus als gevolg van angst. De open veldtest is een traditionele manier om angst te meten op basis van de spontane verkenning van nieuwe omgevingen. Het verschilt van de licht/donker-assay doordat de verkennende drive wordt tegengegaan door de aangeboren afkeer van onbeschermde open ruimtes. Zowel het midden als de randen van de kamer bevinden zich in het licht, dus de open veldtest is een lichtonafhankelijke angsttest. De combinatie van de licht/donker en open veld assays stelt ons dus in staat om onderscheid te maken tussen lichtaversie als gevolg van het vermijden van licht versus een algehele toename van angst.
CGRP is een multifunctioneel neuropeptide dat vaatverwijding, nociceptie en ontsteking reguleert18. Het wordt op grote schaal uitgedrukt in het perifere en centrale zenuwstelsel. Het speelt een belangrijke rol in migraine pathofysiologie18. Het mechanisme dat ten grondslag ligt aan CGRP-actie bij migraine is echter onduidelijk. Door gebruik te maken van de licht/donker en open veld assays met dit gemodificeerde testparadigma, waren we in staat om licht-aversief gedrag bij muizen te identificeren na perifere10,16 (Figuur 2) en centrale14,15,16,19 CGRP-toediening. Naast neuropeptiden is de identificatie van hersengebieden die betrokken zijn bij lichtaversie ook belangrijk bij het begrijpen van migraine pathofysiologie. De achterste thalamische kernen zijn een integratief hersengebied voor pijn en lichtverwerking19 en de thalamus wordt geactiveerd tijdens migraine20. Daarom richtten we ons op posterieure thalamische kernen door adeno-geassocieerd virus (AAV) met channelrhodopsine-2 (ChR2) of eYFP in dit gebied te injecteren. Door deze optogenetische benadering te combineren met deze twee assays, toonden we aan dat optische stimulatie van ChR2-tot expressie brengende neuronen in de posterieure thalamische kernen lichtaversie veroorzaakte19 (figuur 3). In dit experiment, gezien het dramatische effect op de opgeroepen lichtaversie bij deze optogenetisch gemanipuleerde muizen, werden pre-blootstellingen aan de kamer overgeslagen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De licht/donker-test wordt veel gebruikt om angstachtig gedrag te beoordelen12. De test is gebaseerd op de aangeboren afkeer van muizen tegen licht en hun drang om te verkennen wanneer ze in een nieuwe omgeving (lichtzone) worden geplaatst. Zoals we hier echter melden, kan deze test ook worden gebruikt om licht-aversief gedrag te beoordelen.
Het is van cruciaal belang om rekening te houden met het aantal en de noodzaak van pre-blootstellingen voorafgaand aan het testen….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door subsidies van de NIH NS R01 NS075599 en RF1 NS113839. De inhoud vertegenwoordigt niet de standpunten van VA of de regering van de Verenigde Staten.
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).
