Дуральная стимуляция и периорбитальное тестирование фон Фрея на мышах как доклиническая модель головной боли
Summary
Наиболее заметным симптомом мигрени является сильная головная боль, и предполагается, что это опосредовано сенсорными нейронами, иннервирующими мозговые оболочки. Здесь мы представляем метод локального нанесения веществ на твердую мозговую оболочку минимально инвазивным способом, используя гиперчувствительность лица в качестве выхода.
Abstract
Считается, что черепные мозговые оболочки, состоящие из твердой мозговой оболочки, арахноидальной и пиа-матер, в первую очередь выполняют структурные функции для нервной системы. Например, они защищают мозг от черепа и закрепляют/организуют сосудистое и нейронное снабжение коры. Тем не менее, мозговые оболочки также участвуют в расстройствах нервной системы, таких как мигрень, где боль, испытываемая во время мигрени, приписывается местному стерильному воспалению и последующей активации местных ноцицептивных афферентов. Из слоев в мозговых оболочках твердые мозги представляют особый интерес в патофизиологии мигрени. Он сильно васкуляризирован, содержит местные ноцицептивные нейроны и является домом для разнообразного массива резидентных клеток, таких как иммунные клетки. Тонкие изменения в местном менингеальном микроокружении могут привести к активации и сенсибилизации дуральных периваскулярных ноцицепторов, что приводит к мигрени. Исследования были направлены на то, чтобы выяснить, как дуральные афференты активируются / сенсибилизируются с использованием электрофизиологии in vivo, методов визуализации или поведенческих моделей, но они обычно требуют очень инвазивных операций. В этом протоколе представлен метод сравнительно неинвазивного применения соединений на твердой мозговой оболочке у мышей и подходящий метод измерения головной боли подобной тактильной чувствительности с использованием периорбитального тестирования фон Фрея после дуральной стимуляции. Этот метод поддерживает целостность твердой мозговой оболочки и черепа и уменьшает смешанные эффекты от инвазивных методов путем введения веществ через модифицированную канюлю 0,65 мм в месте соединения несросшихся сагиттальных и лямбдовидных швов. Эта доклиническая модель позволит исследователям исследовать широкий спектр дуральных стимулов и их роль в патологическом прогрессировании мигрени, таких как активация ноцицепторов, активация иммунных клеток, сосудистые изменения и болевое поведение, сохраняя при этом безвредные состояния черепа и мозговых оболочек.
Introduction
Боль при мигрени остается серьезной проблемой общественного здравоохранения во всем мире. Всемирная организация здравоохранения оценивает его как шестое наиболее распространенное заболевание в мире, поражающее чуть менее 15% населения Земли1 и вызывающее существенное социально-экономическое бремя для общества 2,3. Варианты лечения и их эффективность были неоптимальными и обеспечивают только симптоматическое облегчение и существенно не изменяют патофизиологические события, которые вызывают возникновение мигрени 4,5. Отсутствие успеха лечения, вероятно, связано с тем, что мигрень является многофакторным расстройством, патология которого плохо изучена, что приводит к ограниченному числу терапевтических целей. Мигрень также сложно полностью уловить на животных моделях, особенно учитывая, что диагноз мигрени ставится на основе вербального общения с пациентами, которые описывают свой опыт с признаками мигрени, такими как аура, головная боль, светобоязнь и аллодиния. Несмотря на это, важно отметить, что последние достижения в лечении мигрени в настоящее время превосходят методы лечения многих неврологических состояний, которые были хорошо подтверждены доклиническими моделями. Например, моноклональные антитела и небольшие молекулы, которые нацелены на пептид, связанный с геном кальцитонина, или его рецептор были очень успешными в улучшении качества жизни страдающих мигренью и потенциально могут трансформировать клиническое ведение мигрени. Несмотря на то, что в понимании этого расстройства был достигнут прогресс, многое еще предстоит выяснить.
Основываясь на доклинических моделях на животных и исследованиях на людях, широко признано, что головные боли мигрени инициируются аберрантной активацией ноцицептивных волокон в мозговых оболочках, которые сигнализируют через тройничные и верхние шейные дорсальные ганглии 6,7,8,9,10. Несмотря на эту теорию, многие исследования по-прежнему используют системное введение лекарств для понимания основных механизмов, способствующих мигрени. Хотя системная дозировка лекарств существенно укрепила наше понимание, эти результаты напрямую не оценивают, играют ли местные действия в целевой ткани, представляющей интерес, роль в мигрени. И наоборот, в нескольких исследованиях использовался подход к стимуляции твердой мозговой оболочки; однако эти эксперименты требуют имплантации канюли с помощью инвазивной трепанации черепа и длительного времени восстановления11,12. Из-за этих ограничений мы разработали минимально инвазивный подход к местной стимуляции твердой мозговой оболочки, где отсутствие трепанации черепа исключает послеоперационное восстановление и позволяет проводить немедленное тестирование на бодрствующих животных 12,13,14. Эти инъекции выполняются под легким изофлурановым наркозом и вводятся в месте соединения сагиттального и лямбдовидного швов у мышей.
Было разработано несколько подходов для оценки ноцицептивных поведенческих реакций у грызунов15. Кожная аллодиния была зарегистрирована примерно у 80% страдающих мигренью16,17 и представляет собой потенциальную трансляционную конечную точку для использования у грызунов. В доклинических моделях применение нитей фон Фрея к подошвенной области лапы грызуна использовалось для оценки болевого поведения в доклинических моделях мигрени. Основным ограничением этого подхода является то, что он не тестирует головную область. Оценка лицевой гримасы использовалась для выявления болевого поведения у грызунов путем анализа выражений лица после индукции болевых стимулов18,19. Тем не менее, его ограничения включают только захват реакций на острые раздражители, а не хронические орофациальные болевые состояния. Уход за лицом и снижение выращивания также считаются результатами поведенческих реакций в доклинических моделях мигрени20,21. Ограничения первого включают трудности в дифференциации болевых реакций от обычного рутинного ухода и других ощущений, таких как зуд. В последнем случае поведение при выращивании обычно быстро снижается после введения грызунов в новые среды. Хотя каждая из этих поведенческих конечных точек ценна для понимания различных механизмов, которые способствуют болевым состояниям, существует острая необходимость в доклинических моделях болевых расстройств, таких как мигрень, для включения конечных точек, которые конкретно фиксируют реакции цефальной гиперчувствительности. Оценка тактильной гиперчувствительности периорбитальной кожи после дуральной стимуляции является методом, который может обеспечить лучшее понимание механизмов, способствующих мигрени, где сенсорные симптомы носят преимущественно цефальный характер. Здесь мы описываем метод введения веществ на твердую мозговую оболочку мыши как доклиническую модель мигрени. После применения дюралей мы также представляем подробный метод тестирования периорбитальной тактильной гиперчувствительности с использованием калиброванных нитей фон Фрея, применяемых в методе Диксона вверх-вниз.
Protocol
Representative Results
Discussion
Дезадаптивные изменения в местной ноцицептивной системе в твердой мозговой оболочке считаются ключевым фактором фазы головной боли приступов мигрени, несмотря на отсутствие повреждения тканей25,26. Здесь в исследовании представлен метод, при котором ми?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NS104200 и NS072204 to 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
- 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).
- 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).
- 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).
- Ashina, M. Migraine. New England Journal of Medicine. 383 (19), 1866-1876 (2020).
- Ashina, M., et al. Migraine: integrated approaches to clinical management and emerging treatments. Lancet. 397 (10283), 1505-1518 (2021).
- Jacobs, B., Dussor, G. Neurovascular contributions to migraine: Moving beyond vasodilation. 신경과학. 338, 130-144 (2016).
- 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).
- Levy, D. Migraine pain, meningeal inflammation, and mast cells. Current Pain and Headache Reports. 13 (3), 237-240 (2009).
- Levy, D., Labastida-Ramirez, A., MaassenVanDenBrink, A. Current understanding of meningeal and cerebral vascular function underlying migraine headache. Cephalalgia. 39 (13), 1606-1622 (2019).
- Phebus, L. A., Johnson, K. W. Dural inflammation model of migraine pain. Current Protocols in Neuroscience. , (2001).
- 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).
- 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).
- Burgos-Vega, C. C., et al. Non-invasive dural stimulation in mice: A novel preclinical model of migraine. Cephalalgia. 39 (1), 123-134 (2019).
- Avona, A., et al. Meningeal CGRP-Prolactin interaction evokes female-specific migraine behavior. Annals of Neurology. 89 (6), 1129-1144 (2021).
- Deuis, J. R., Dvorakova, L. S., Vetter, I. Methods used to evaluate pain behaviors in rodents. Frontiers in Molecular Neuroscience. 10, 284 (2017).
- Lipton, R. B., et al. Cutaneous allodynia in the migraine population. Annals of Neurology. 63 (2), 148-158 (2008).
- Goadsby, P. J. Migraine, allodynia, sensitisation and all of that. European Neurology. 53, 10-16 (2005).
- Langford, D. J., et al. Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse. Nature Methods. 7 (6), 447-449 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dixon, W. The up-and-down method for small samples. The Journal of the American Statistical Association. 60, (1965).
- 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).
- Ramachandran, R. Neurogenic inflammation and its role in migraine. Seminars in Immunopathology. 40 (3), 301-314 (2018).
- Edvinsson, L., Haanes, K. A., Warfvinge, K. Does inflammation have a role in migraine. Nature Reviews Neurology. 15 (8), 483-490 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
