Summary

Dural stimulering og periorbital von Frey test hos mus som en præklinisk model af hovedpine

Published: July 29, 2021
doi:

Summary

Det mest bemærkelsesværdige symptom på migræne er alvorlige hovedsmerter, og det antages, at dette formidles af sensoriske neuroner, der innerverer meninges. Her præsenterer vi en metode til lokalt at anvende stoffer på dura på en minimalt invasiv måde, mens vi bruger ansigtsoverfølsomhed som output.

Abstract

De kraniale meninges, der består af dura mater, arachnoid og pia mater, menes primært at tjene strukturelle funktioner for nervesystemet. For eksempel beskytter de hjernen mod kraniet og forankrer / organiserer den vaskulære og neuronale forsyning af cortex. Meninges er imidlertid også impliceret i nervesystemforstyrrelser som migræne, hvor smerten oplevet under migræne tilskrives lokal steril inflammation og efterfølgende aktivering af lokale nociceptive afferenter. Af lagene i meninges er dura mater af særlig interesse for migrænes patofysiologi. Det er stærkt vaskulariseret, har lokale nociceptive neuroner og er hjemsted for en bred vifte af hjemmehørende celler såsom immunceller. Subtile ændringer i det lokale meningeale mikromiljø kan føre til aktivering og sensibilisering af dural perivaskulære nociceptorer, hvilket fører til migrænesmerter. Undersøgelser har forsøgt at adressere, hvordan durale afferenter bliver aktiveret / sensibiliseret ved hjælp af enten in vivo elektrofysiologi, billeddannelsesteknikker eller adfærdsmodeller, men disse kræver ofte meget invasive operationer. Denne protokol præsenterer en metode til forholdsvis ikke-invasiv anvendelse af forbindelser på dura mater i mus og en egnet metode til måling af hovedpinelignende taktil følsomhed ved hjælp af periorbital von Frey-test efter dural stimulering. Denne metode opretholder integriteten af dura og kraniet og reducerer forvirrende virkninger fra invasive teknikker ved at injicere stoffer gennem en 0,65 mm modificeret kanyle ved krydset mellem usmeltede sagittale og lambdoid suturer. Denne prækliniske model vil gøre det muligt for forskere at undersøge en bred vifte af dural stimuli og deres rolle i den patologiske progression af migræne, såsom nociceptoraktivering, immuncelleaktivering, vaskulære ændringer og smerteadfærd, samtidig med at der opretholdes skadefrie tilstande til kraniet og meninges.

Introduction

Migrænesmerter er fortsat et stort folkesundhedsproblem over hele verden. Verdenssundhedsorganisationen rangerer den som den sjette mest udbredte sygdom i verden, der rammer knap 15% af Jordens befolkning1 og forårsager en betydelig socioøkonomisk byrde for samfundet 2,3. Behandlingsmuligheder og deres virkning har været suboptimale og giver kun symptomatisk lindring og ændrer ikke signifikant patofysiologiske hændelser, der under migræneforekomst 4,5. Manglen på behandlingssucces skyldes sandsynligvis, at migræne er en multifaktoriel lidelse, hvis patologi er dårligt forstået, hvilket fører til et begrænset antal terapeutiske mål. Migræne er også udfordrende at fange fuldt ud i dyremodeller, især i betragtning af at migrænediagnosen stilles på baggrund af verbal kommunikation med patienter, der beskriver deres oplevelse med migrænekendetegn som aura, hovedpine, fotofobi og allodyni. Ikke desto mindre er det vigtigt at bemærke, at de seneste fremskridt inden for migrænebehandlinger i øjeblikket overgår behandlinger for mange neurologiske tilstande, der er blevet godt valideret af prækliniske modeller. For eksempel har monoklonale antistoffer og små molekyler, der er målrettet mod calcitonin genrelateret peptid eller dets receptor, haft stor succes med at forbedre livskvaliteten for migrænepatienter og kan potentielt transformere den kliniske styring af migræne. Mens der har været fremskridt i forståelsen af denne lidelse, er der fortsat meget, der endnu ikke er belyst.

Baseret på prækliniske dyremodeller og humane undersøgelser er det almindeligt accepteret, at migrænehovedpine initieres ved afvigende aktivering af nociceptive fibre inden for meninges, der signalerer gennem trigeminus- og øvre cervikal dorsal-root ganglier 6,7,8,9,10. På trods af denne teori bruger mange undersøgelser stadig systemisk administration af lægemidler til at forstå underliggende bidragende mekanismer i migræne. Mens systemisk dosering af lægemidler har styrket vores forståelse væsentligt, vurderer disse resultater ikke direkte, om lokale handlinger inden for målvævet af interesse spiller en rolle i migræne. Omvendt har flere undersøgelser taget en tilgang til at stimulere duraen; Disse eksperimenter kræver imidlertid kanyleimplantation via en invasiv kraniotomi og forlængede restitutionstider11,12. På grund af disse begrænsninger udviklede vi en minimalt invasiv tilgang til lokalt at stimulere duraen, hvor manglen på en kraniotomi eliminerer postkirurgisk genopretning og giver mulighed for øjeblikkelig testning i vågne dyr 12,13,14. Disse injektioner udføres under let isofluranbedøvelse og administreres ved krydset mellem sagittale og lambdoid suturer i mus.

Flere tilgange er blevet udviklet til at evaluere nociceptive adfærdsmæssige reaktioner hos gnavere15. Kutan allodyni er blevet rapporteret hos ca. 80% af migrænepatienter16,17 og repræsenterer et potentielt translationelt endepunkt til brug hos gnavere. I prækliniske modeller er anvendelsen af von Frey-filamenter på plantarområdet i gnaverpoten blevet brugt til at vurdere smerteadfærd i prækliniske migrænemodeller. Den primære begrænsning ved denne tilgang er, at den ikke tester den cephaliske region. Ansigtsgrimasse scoring er blevet brugt til at fange smerteadfærd hos gnavere ved at analysere ansigtsudtryk efter induktion af smertestimuli18,19. Imidlertid omfatter dens begrænsninger kun at fange reaktioner på akutte stimuli og ikke kroniske orofaciale smertetilstande. Ansigtspleje og nedsat opdræt betragtes også som output af adfærdsmæssige reaktioner i prækliniske modeller af migræne20,21. Begrænsninger af førstnævnte omfatter vanskeligheder med at skelne smerteresponser fra normal rutinemæssig pleje og andre fornemmelser såsom kløe. I tilfælde af sidstnævnte falder opdrætsadfærd typisk hurtigt efter introduktionen af gnavere til nye miljøer. Selvom hvert af disse adfærdsmæssige endepunkter er værdifulde i forståelsen af forskellige mekanismer, der bidrager til smertetilstande, er der et kritisk behov for prækliniske modeller af smertelidelser som migræne for at inkludere endepunkter, der specifikt fanger cephalic overfølsomhedsresponser. Vurdering af den periorbitale huds taktile overfølsomhed efter dural stimulering er en metode, der kan give bedre indsigt i mekanismer, der bidrager til migræne, hvor sensoriske symptomer overvejende er cephaliske. Her beskriver vi en metode til at administrere stoffer på musen dura som en præklinisk model af migræne. Efter dural anvendelse præsenterer vi også en detaljeret metode til test af periorbital taktil overfølsomhed ved hjælp af kalibrerede von Frey-filamenter anvendt i Dixon-op-ned-metoden.

Protocol

Alle procedurer blev udført med forudgående godkendelse af det institutionelle Animal Care and Use Committee ved University of Texas i Dallas. ICR (CD-1) (30-35 g) og C57/BL6 (25-30 g) mus i alderen 6-8 uger blev anvendt i dette studie. 1. Dural infuser Opret museinfusere/injektorer ved at ændre en kommercielt tilgængelig intern kanyle og infusionsstof til ensidige injektioner med en ikke-metallisk smeltet silicaplasthætte, der er justerbar og indsættes i/strækker sig under en…

Representative Results

Denne injektionsmetode bruges til at administrere stimuli på musens dura, så efterfølgende adfærdstest kan forekomme. Det mest almindelige adfærdsmæssige output målt med denne model er kutan ansigtsoverfølsomhed vurderet via von Frey 12,13,14. Her viser vi, hvordan denne model kan bruges til at vurdere potentielle kønsspecifikke bidrag til migrænepatologi (figur 3). <p class="jove_cont…

Discussion

Maladaptive ændringer i det lokale nociceptive system i dura betragtes som en vigtig bidragyder til hovedpinefasen af migræneanfald på trods af mangel på vævsskade25,26. Her præsenterer studiet en metode, hvor minimalt invasiv stimulering af dura kan fremkalde ansigt taktil overfølsomhed. Belysning af de mekanismer og hændelser, der er involveret i aktivering af dural nociceptor uden at forårsage skade på kraniet og vævene, kan mere præcist afspejle m…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse blev støttet af National Institutes of Health (NS104200 og NS072204 til GD).

Materials

4 oz Hot Paper Cups Choice Paper Company 5004W https://www.webstaurantstore.com/choice-4-oz-white-poly-paper-hot-cup-case/5004W.html
Absorbent Underpads Fisherbrand 14-206-65 https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-absorbent-underpads-8/p-306048
C313I/SPC Internal 28 G cannula P1 Technologies (formerly Plastics One) 8IC313ISPCXC I.D. 18 mm, O.D. 35 mm
Gastight Model 1701 SN Syringes Hamilton 80008 https://www.hamiltoncompany.com/laboratory-products/syringes/80008
Ismatec Pump Tubing, 0.19 mm Cole-Palmer EW-96460-10 https://www.coleparmer.com/i/ismatec-pump-tubing-2-stop-tygon-s3-e-lab-0-19-mm-id-12-pk/9646010
Stand with chicken wire Custom The galvanized steel chicken wire dimensions are 0.25 in. x 19-gauge
Testing Rack with individual  Chambers Custom Each chamber should have a division between each mouse and lids to contain the mouse. The chambers should also be large enough to hold a 4 oz. paper cup.
von Frey Filaments Touch test/Stoelting 58011 https://www.stoeltingco.com/touch-test.html

References

  1. GBD 2016 Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 328 diseases and injuries for 195 countries, 1990-2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016. Lancet. 390 (10100), 1211-1259 (2017).
  2. Woldeamanuel, Y. W., Cowan, R. P. Migraine affects 1 in 10 people worldwide featuring recent rise: A systematic review and meta-analysis of community-based studies involving 6 million participants. Journal of the Neurological Sciences. 372, 307-315 (2017).
  3. Burch, R. C., Loder, S., Loder, E., Smitherman, T. A. The prevalence and burden of migraine and severe headache in the United States: updated statistics from government health surveillance studies. Headache. 55 (1), 21-34 (2015).
  4. Ashina, M. Migraine. New England Journal of Medicine. 383 (19), 1866-1876 (2020).
  5. Ashina, M., et al. Migraine: integrated approaches to clinical management and emerging treatments. Lancet. 397 (10283), 1505-1518 (2021).
  6. Jacobs, B., Dussor, G. Neurovascular contributions to migraine: Moving beyond vasodilation. 신경과학. 338, 130-144 (2016).
  7. Koyuncu Irmak, D., Kilinc, E., Tore, F. Shared Fate of Meningeal Mast Cells and Sensory Neurons in Migraine. Frontiers in Cellular Neuroscience. 13, 136 (2019).
  8. Levy, D. Migraine pain, meningeal inflammation, and mast cells. Current Pain and Headache Reports. 13 (3), 237-240 (2009).
  9. Levy, D., Labastida-Ramirez, A., MaassenVanDenBrink, A. Current understanding of meningeal and cerebral vascular function underlying migraine headache. Cephalalgia. 39 (13), 1606-1622 (2019).
  10. Phebus, L. A., Johnson, K. W. Dural inflammation model of migraine pain. Current Protocols in Neuroscience. , (2001).
  11. Fried, N. T., Maxwell, C. R., Elliott, M. B., Oshinsky, M. L. Region-specific disruption of the blood-brain barrier following repeated inflammatory dural stimulation in a rat model of chronic trigeminal allodynia. Cephalalgia. 38 (4), 674-689 (2018).
  12. Avona, A., et al. Dural calcitonin gene-related peptide produces female-specific responses in rodent migraine models. The Journal of Neuroscience. 39 (22), 4323-4331 (2019).
  13. Burgos-Vega, C. C., et al. Non-invasive dural stimulation in mice: A novel preclinical model of migraine. Cephalalgia. 39 (1), 123-134 (2019).
  14. Avona, A., et al. Meningeal CGRP-Prolactin interaction evokes female-specific migraine behavior. Annals of Neurology. 89 (6), 1129-1144 (2021).
  15. Deuis, J. R., Dvorakova, L. S., Vetter, I. Methods used to evaluate pain behaviors in rodents. Frontiers in Molecular Neuroscience. 10, 284 (2017).
  16. Lipton, R. B., et al. Cutaneous allodynia in the migraine population. Annals of Neurology. 63 (2), 148-158 (2008).
  17. Goadsby, P. J. Migraine, allodynia, sensitisation and all of that. European Neurology. 53, 10-16 (2005).
  18. Langford, D. J., et al. Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse. Nature Methods. 7 (6), 447-449 (2010).
  19. Mogil, J. S., Pang, D. S. J., Silva Dutra, G. G., Chambers, C. T. The development and use of facial grimace scales for pain measurement in animals. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 116, 480-493 (2020).
  20. Vuralli, D., Wattiez, A. S., Russo, A. F., Bolay, H. Behavioral and cognitive animal models in headache research. The Journal of Headache and Pain. 20 (1), 11 (2019).
  21. Mason, B. N., et al. Induction of migraine-like photophobic behavior in mice by both peripheral and central CGRP mechanisms. The journal of Neuroscience. 37 (1), 204-216 (2017).
  22. Dixon, W. J., Mood, A. M. A method for obtaining and analyzing sensitivity data. The Journal of the American Statistical Association. 43 (241), 109-126 (1948).
  23. Dixon, W. The up-and-down method for small samples. The Journal of the American Statistical Association. 60, (1965).
  24. Bonin, R. P., Bories, C., De Koninck, Y. A simplified up-down method (SUDO) for measuring mechanical nociception in rodents using von Frey filaments. Molecular Pain. 10, 26 (2014).
  25. Ramachandran, R. Neurogenic inflammation and its role in migraine. Seminars in Immunopathology. 40 (3), 301-314 (2018).
  26. Edvinsson, L., Haanes, K. A., Warfvinge, K. Does inflammation have a role in migraine. Nature Reviews Neurology. 15 (8), 483-490 (2019).
  27. Stokely, M. E., Orr, E. L. Acute effects of calvarial damage on dural mast cells, pial vascular permeability, and cerebral cortical histamine levels in rats and mice. Journal of Neurotrauma. 25 (1), 52-61 (2008).
  28. Theoharides, T. C., Donelan, J., Kandere-Grzybowska, K., Konstantinidou, A. The role of mast cells in migraine pathophysiology. Brain Research Reviews. 49 (1), 65-76 (2005).
  29. Conti, P., et al. Progression in migraine: Role of mast cells and pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines. European Journal of Pharmacology. 844, 87-94 (2019).
  30. Rea, B. J., et al. Peripherally administered calcitonin gene-related peptide induces spontaneous pain in mice: implications for migraine. Pain. 159 (11), 2306-2317 (2018).
check_url/kr/62867?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Mason, B. N., Avona, A., Lackovic, J., Dussor, G. Dural Stimulation and Periorbital von Frey Testing in Mice As a Preclinical Model of Headache. J. Vis. Exp. (173), e62867, doi:10.3791/62867 (2021).

View Video