Method Article
このプロトコルは、オペラントベースの口腔顔面疼痛評価装置を使用した神経因性口腔顔面痛のラットモデルにおける機械的過敏症の評価を記載する。
痛みには感覚的および感情的な要素があります。従来の反射ベースの疼痛アッセイとは異なり、オペラント疼痛アッセイは、げっ歯類の痛みの認知的および動機付けの側面に対処することにより、より臨床的に関連性のある結果を生み出すことができます。この論文は、口腔顔面オペラント疼痛システムを使用してラットの眼窩下神経の慢性狭窄損傷(CCI-ION)後の機械的過敏症を評価するためのプロトコルを提示します。CCI-ION手術の前に、ラットは口腔顔面痛評価装置(OPAD)で訓練され、金属製のスパイクバーとリックチューブと顔面接触しながら加糖練乳を飲むように訓練されました。
このアッセイでは、ラットは、正の強化剤としてミルクを受け取るか、報酬アクセスホールの両側にある小さなピラミッド型のスパイクの垂直列によって生成される嫌悪的な機械的刺激から逃れるかを選択できます。OPADでの2週間のトレーニング後、CCI-ION手術の前に、10分間のテストセッション中に各ラットのベースライン機械的感受性データを5日間記録しました。セッション中、オペラントシステムは、報酬ボトルのアクティブ化(リック)の数と顔の接触、接触時間、最初のリックまでの待ち時間などを自動的に記録します。
ベースライン測定に続いて、ラットはCCI-IONまたは偽手術のいずれかを受けました。このプロトコルでは、機械的過敏症は、舐めの数、最初の舐めまでの潜時、接触の数、および顔の接触に対する舐めの比率(L / F)を測定することによって定量化されました。データは、CCI-IONが舐め回数とL/F比の有意な減少をもたらし、最初の舐めまでの潜時間の増加をもたらし、機械的過敏症を示すことを示した。これらのデータは、前臨床疼痛研究における機械的疼痛感受性を評価するためのオペラントベースの疼痛アッセイの使用を支持しています。
慢性疼痛は毎年何百万人ものアメリカ人に影響を及ぼします1。残念ながら、既存の治療法は慢性疼痛の緩和に比較的効果がなく、長期使用では望ましくない副作用が生じることが多いため、慢性疼痛の治療は困難です2,3,4。von Freyアッセイなどの従来の前臨床疼痛アッセイは、反射的な結果または痛み刺激反応に依存しています5。von Freyアッセイは、機械的異痛症を測定するために何十年にもわたって使用されてきましたが、いくつかの交絡因子、特に実験者バイアスの影響を受けやすい6。口腔顔面痛を評価するためのフォン・フレイ検査の使用は、顔面領域を正常に検査するために動物の頭を固定するために必要な拘束の程度のためにも問題があり、痛みの増強や逆にストレス誘発性鎮痛などの望ましくないストレス効果を引き起こす可能性があります。
痛みを刺激する行動は、偽陽性の結果7の影響を受けやすく、人間の痛みの経験に不可欠な痛みの感情的要素を考慮していません8。したがって、前臨床試験の内容と予測的妥当性を改善するために、痛みの感覚的要素と感情的要素の両方を含む痛み抑うつ行動を評価するオペラント疼痛モデルを使用することへの関心が高まっています。ここで説明するオペラント口腔顔面疼痛評価アッセイは、報酬-葛藤パラダイム9,10,11に基づいている。このアッセイでは、げっ歯類は、正の強化剤を受けて侵害受容刺激を受けるか、報酬を放棄して侵害受容刺激を回避し、それによって経験する痛みの量を制御するかを選択できます。従来の疼痛アッセイとは異なり、オペラントベースのアッセイは実験者に依存せず、好ましくない鎮静効果による偽陽性の結果の影響を受けません。
頭と顔からの有害な感覚は、三叉神経の眼、上顎、および下顎の枝によって運ばれます。三叉神経の損傷または炎症は、熱的または機械的刺激に対する感覚ニューロンの感受性を増加させる12、13、14、15。オペラントベースの口腔顔面痛アッセイは、げっ歯類11、12、16、17、18において三叉神経によって伝達される熱的または機械的口腔顔面痛の自動測定を提供する。非侵害性および有害な刺激による刺激は、OPADを使用して口腔顔面領域の熱的および機械的異痛症および痛覚過敏をテストすることの重要な違いであり、それらは異なる根本的なメカニズムの発現を表す可能性があるためです。
口腔顔面熱アッセイでは、動物は滑らかなサーモデスに顔を押して報酬にアクセスします。サーモデスは、さまざまな低温、高温、高温に設定できるため、中性または侵害受容条件下での行動の評価が可能になります。口腔顔面の機械的アッセイでは、動物はオペラントテスト中にスパイクバーに顔を押し付けます。これらのスパイクはある程度の不快感を引き起こすため、げっ歯類は、顔がサーモデスの滑らかな表面ではなくスパイクに触れると、飲酒量が少なくなる可能性があります。したがって、オペラント口腔顔面機械的アッセイは、様々な程度の機械的侵害受容刺激の効果を評価することができる。我々は以前、OPADが急性熱9、急性機械的19、侵害受容および痛覚過敏を評価するための有用で信頼性の高い方法であることを実証した。
この論文では、機械的侵害受容と過敏症を評価するために、新しく開発されたバージョンのOPADの使用について報告しています。さらに、検証として、OPADで予測可能な反応をもたらす慢性ニューロパチーを誘発するCCI-IONの能力を実証します。また、OPADとその関連ソフトウェアを使用して、げっ歯類の行動データを迅速に取得および分析する方法についても詳しく説明します。
すべての実験手順は、フロリダ大学施設動物管理および使用委員会によって承認され、実験動物の世話と使用に関する国立衛生研究所ガイドに記載されている基準に準拠していました。ここでは、OPADを用いた機械的過敏症の評価を、神経因性口腔顔面痛のラットモデルを用いて説明する。研究で使用されたタイムラインの概略図を 図1に示します。すべての行動評価は女性実験者によって行われた。
1.動物
2. OPAD のセットアップ
3. プロトコルの設定と実験ファイルの作成
注: まず、実験を実行するためのプロトコルを設定します。プロトコルは、ANY-mazeソフトウェアが実験を実行する方法を記述します。
4.トレーニングとベースラインテストセッション
注:行動試験室が同じ動物飼育施設にある場合は、試験の少なくとも15分前にラットを部屋に連れて行ってください。動物施設外の試験室に搬送する場合は、ラットに1時間与えて部屋に順応させます。
5.口腔顔面神経障害性疼痛の誘導と機械的過敏症の評価
注:ベースライン測定に続いて、ラットは、前述のように、IONの両側結紮を伴うCCI-ION手術を受けました20。対照ラットは偽手術を受けた。術前または術後の鎮痛は、神経障害の時間経過を変える可能性があるため、手順では使用されませんでした。注意: 廃イソフルランは、チャコールキャニスターを通して清掃する必要があります。.メスの刃と針はバイオハザード廃棄物として廃棄する必要があります。
6.デバイスのクリーンアップ
7.データ分析
ベースライン時および手術後2週間、4週間、および6週間で、1匹のラットが報酬ボトルをなめ、金属スパイクバーと接触した例を 図3に示します。非侵害期間中、ラットは一般に長時間の飲酒セッション(例えば、ベースライン時およびCCI-ION後の回復時:画像の6週目)を持ち、CCI-ION後、スパイクバーとの顔面接触を長時間維持できないため、舐め回数が減少し(図3A)、偽群の飲酒期間に有意な変化はありません(図3B)。
CCI-IONのラットは、ベースラインと比較して、手術後4週間まで舐め回数が有意に減少し、手術週(0週目)および手術後1週間の最初の舐めまでの潜時が増加しました。偽群に有意な変化はなかった(図4A、B)。CCI-IONは接触数の減少をもたらしましたが、この差は有意ではありませんでした(図4C)。CCI-IONもL/Fの有意な減少を引き起こし、CCI-ION群の減少は偽群の減少よりも大きかった(図4D)。
これらの結果は、CCI-IONに続いて、ラットは報酬ミルクの飲酒行動が少なく、最初の舐めに時間がかかることを示し、侵害行動を示しています。ただし、CCI-IONはミルクに到達したいという欲求に影響を与えません。さらに、CCI-IONのラットのL / Fの減少は、L / Fが非痛みを伴う状態で高いため、機械的過敏症を示します。
図1:試験デザインの概略図。略語:OPAD =口腔顔面疼痛評価装置;CCI-ION = 眼窩下神経の慢性狭窄損傷。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:アッセイを行うスパイクバーとラットの代表画像。 スパイクバーはステンレス鋼の金属でできています。バー全体の長さは7 cmです。スパイクの高さは0.3 cmです。スパイク間の距離は0.5 cmです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ベースライン時の標準的な10分間のテストセッション中および手術後2週間、4週間、および6週間での、単一のCCI-IONおよび偽手術ラットの代表的な接触試行および舐めデータ。 略語:CCI-ION =眼窩下神経の慢性狭窄損傷;AS =手術後。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:スプレイグ・ドーリーラットにおけるCCI-ION後の機械的過敏症の発症 。 (A)CCI-IONを有するラット(n = 8)は、術後4週間まで舐め回数が有意に減少し、(B)手術週(0週目)および術後1週間で最初の舐めまでの潜時が増加した(**p < 0.01、*p < 0.05:手術後数週間対ベースライン。 #p < 0.05: CCI-ION対偽)。偽群では有意な減少は認められなかった(n = 7, p > 0.05)。(C)CCI-IONまたは偽手術は、接触数に有意な変化をもたらさなかった。(D)CCI-IONを投与されたラットは、手術週と3週間後にL/Fの有意な減少を示し、手術後2週間で減少傾向を示した。偽群ラットと比較して、この減少はCCI-IONラットで有意に高く、手術の1週間後に始まり、手術後3週間まで続いた。偽群に有意差はなかった(**p < 0.01、*p < 0.05:術後週対ベースライン、#p < 0.05:CCI-ION対偽)。グラフでは、赤い線は CCI-ION グループを表し、青い線は偽グループを表します。データはSEM±平均値として提示され、有意差は二元配置反復測定ANOVAとそれに続くŠídákまたはDunnettの多重比較検定によって分析されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
顔面および口腔内粘膜の無害な機械的刺激によって引き起こされる痛みは、三叉神経痛および顎関節障害を含む口腔顔面痛状態の顕著な特徴である24,25。三叉神経因性疼痛は臨床的によく説明されていますが、げっ歯類の神経因性侵害受容行動の評価は困難です。反射行動を測定する疼痛アッセイは、前臨床疼痛研究で最も頻繁に使用される方法です。しかしながら、試験装置関連のストレス、情動状態を評価することができないこと、および実験者のバイアスは、反射アッセイ26の有用性および妥当性に関する懸念を提起する。
この研究では、ラットの口腔顔面領域における機械的感受性の評価を紹介し、オペラントベースの疼痛アッセイを使用してCCI-IONに対する感受性を実証します。同じオペラントシステムを使用して、マウスの機械的感受性をテストすることもできます。マウスおよびラット系統は、CCI-IONに対するそれらの応答において変動を示す可能性があり、したがって、機械的過敏症のレベルは異なり得ることに留意すべきである。私たちの経験に基づくと、Sprague-Dawleyラットは通常、CCI-IONの2週間後に安定した機械的過敏症を発症し、CCI-IONの4週間後に回復を開始し、CCI-IONの6週間後に手術からの回復が見られます。
このプロトコルでは、機械的過敏症は、舐めの数と接触、L / F、および最初の舐めまでの潜時を測定することによって定量化されました。データは、CCI-IONがL / Fと舐め反応の数の減少をもたらし、最初の舐め反応までの潜時の増加をもたらし、動物が口腔顔面痛感受性の増加のためにスパイクバーに顔を押し付けたくないことを示しています。
OPADは、動物が口当たりの良い報酬にアクセスするために侵害受容刺激に耐えなければならない報酬競合アッセイです。アッセイにおける舐め行動は、食欲をそそる行動によって影響を受ける可能性があります。また、本研究では、顔の毛のあるラットを使用しました。オペラント疼痛アッセイの以前の経験に基づくと、げっ歯類の中で、無毛株は顔の接触を検出するのに適しています16;しかし、公表時点では、ヘアレスラット系統はもはや市販されていなかった。これは研究の限界と見なすことができます。また、雌のSprague-Dawleyラットのみを使用したため、痛みの反応における性別および系統に関連する違いが予想されます。
アッセイで最適な結果を得るための重要なステップもいくつかあります。正確な舐めと接触のデータは、参照先のソフトウェアでは、それぞれ赤と白の実線のブロックとして表示される必要があります ( 図 3 を参照)。スパイクと牛乳瓶の間の距離は、実験の成功にとって非常に重要です。牛乳瓶の先端が前方に遠すぎると、動物はスパイクと接触せず、ソフトウェアは連絡先を正しく登録したり、番号をなめたりしません。逆に、牛乳瓶が後ろに離れすぎると、連絡先は登録されますが、動物は牛乳に到達できません。トレーニングセッション中、牛乳瓶の先端が前方に遠すぎるため、なめのデータが白いブロックとして表示される場合があります。牛乳瓶を後ろに押すと、赤い固体ブロックに変わります。何らかの理由で、舐めのデータが記録された距離から白いブロックとして表示され始めた場合は、ボトルを少し押して、ミルクホルダーをわずかに下/上に動かすと役立つ場合があります。
いくつかの点は、ここで説明する口腔顔面オペラント疼痛システムの限界としても考えられるかもしれません。げっ歯類の訓練は必要であり、数週間かかります。各テストセッションの前に、マウスでは食物制限が必要ですが、ラットでは必要ありません。絶食していないマウスは、絶食マウスと比較して舐め回数が少なく、一貫性がないことが示されています27。OPADシステムは報酬競合モデルであるため、動物の食欲をそそる行動や食欲に影響を与える薬物の影響を受ける可能性があります。複数の装置を有することは、動物を試験するための全体的な時間を短縮するのにも有利であり、これはコストを増加させる可能性がある。ただし、口腔顔面オペラント疼痛アッセイは、複数の動物を同時にテストでき、動物と実験者の相互作用を制限するため、従来の反射ベースのアッセイよりも依然として有利です。
疼痛状態の間のオペラント条件付けは、その結果に応じて人間と動物の行動を変更します28。したがって、報酬競合モデルを使用することは、動物がオペラント応答を実行することを可能にするため、痛みの状態を評価するのに有利です。オペラント行動の特徴は意図、動機、そして典型的には皮質処理を含むので、これはより臨床的に関連性がある29。動物が自発的に報酬ボトルに近づき、いつでもスパイクバーから自由に撤退できるため、これは脳のより高い中心を統合し、痛みに関連する感情的動機付け状態の評価を可能にします10。したがって、オペラント疼痛アッセイは、 in vivoで疼痛および鎮痛薬を評価する際に優れたデータを提供します。それらはまた、三叉神経系における侵害受容プロセスを理解するのに役立ち、それによって口腔顔面痛分野の進歩に貢献します。
ジョン・K・ノイベールとロバート・M・コードルはOPADの発明者です。Stoelting Co.はOPADの製造業者であり、Richard MillsはStoeltingの従業員です。出版料はStoelting Co.リチャード・ミルズ、ジョン・K・ノイバート、ロバート・M・コードルが、オペラント疼痛アッセイを使用したサービスごとの行動検査を提供する会社であるVelocity Laboratoriesの前の所有者です。
この研究は、顔面痛研究財団によって資金提供されています。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ANY-maze Video Tracking Software | Stoelting | 60000 | |
Bottle cleaning brushes | ANY | ANY | Different size brushes for bottles and tubes |
Chromic gut suture size 5-0 | Ethicon | 687-G | |
Dish soap | ANY | ANY | Liquid |
Dish sponge | ANY | ANY | |
GraphPad Prism version 9.3.1 | GraphPad Software, San Diego, CA | ||
Hotplate magnetic stirrer | Benchmark Scientific | H4000-HS | |
Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-8440 | Pivetal |
Isopropyl alcohol | Fisher Scientific | 60-001-56 | |
Ophthalmic ointment | Dechra | Puralube Vet Ointment, petrolatum ophthalmic ointment | |
Operant Pain Assessment Device (OPAD) System | Stoelting | 67500 | |
Oxygen tank | Medical | ||
Paper towel | ANY | ANY | |
Plastic food wrap | ANY | ANY | |
Polygon stir bars | Fisher Scientific | 14-512-124 | |
Reusable glass Berzelius beakers (1 L) | Fisher Scientific | FB1021000 | |
Scalpel blade #15 | FST | 10015-00 | |
Small animal anesthesia system | VetFlo | VetFlo-1205S | |
Spoon | ANY | ANY | |
Sprague-Dawley rats, female | Charles River Laboratories, USA | ||
Stereo boom microscope | Omano | OM2300S-GX4 | |
Sweetened condensed milk | Borden | Eagle Brand | |
Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
Water circulating heating pad and pump | Gaymar | Model TP-500 |
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