El presente protocolo describe el modelo de liberación de péptidos relacionados con el gen de la calcitonina (CGRP) ex vivo y la estrategia para cuantificar el efecto de los agentes farmacológicos sobre la cantidad de CGRP liberada por el sistema trigémino vascular en roedores.
El péptido relacionado con el gen de la calcitonina (CGRP) se descubrió por primera vez en la década de 1980 como una variante de empalme del gen de la calcitonina. Desde su descubrimiento, su papel en la fisiopatología de la migraña ha sido bien establecido, primero por sus potentes propiedades vasodilatadoras y posteriormente por su presencia y función como neurotransmisor en el sistema trigémino vascular sensorial. La capacidad de provocar migrañas de CGRP dio apoyo a la industria farmacéutica para desarrollar anticuerpos monoclonales y antagonistas que inhiben el efecto de CGRP. Un nuevo paradigma de tratamiento ha demostrado ser eficaz en el tratamiento profiláctico de la migraña. Una de las herramientas útiles para comprender mejor los mecanismos de la migraña es el modelo ex vivo de liberación de CGRP del sistema trigémino vascular. Es un método relativamente simple que se puede utilizar con diversas herramientas farmacológicas para lograr conocimientos para desarrollar nuevos tratamientos efectivos para la migraña. El presente protocolo describe un modelo de liberación de CGRP y la técnica para cuantificar el efecto de los agentes farmacológicos sobre la cantidad de CGRP liberado por el sistema trigémino vascular en roedores. Se proporciona un procedimiento que describe el enfoque experimental desde la eutanasia hasta la medición de los niveles de proteínas. Se describe en detalle el aislamiento esencial del ganglio trigémino y el núcleo caudal trigémino de ratones y ratas y la preparación de la duramadre de rata. Además, se presentan resultados representativos de ambas especies (ratas y ratones). La técnica es una herramienta clave para investigar los mecanismos moleculares implicados en la fisiopatología de la migraña mediante el uso de diversos compuestos farmacológicos y animales modificados genéticamente.
La migraña es un trastorno neurológico que, según la OMS, se estima que afecta a más de 1.000 millones de personas y es una de las principales causas de discapacidad en todo el mundo1. Por lo tanto, la migraña tiene un impacto significativo tanto en los pacientes como en la sociedad. A pesar del reciente éxito clínico de los fármacos antagonizantes CGRP, una gran proporción de pacientes necesita mejores opciones de tratamiento 2,3,4,5. Se requiere la elucidación de la fisiopatología de la migraña que conduzca a nuevos tratamientos efectivos. La señalización dentro del sistema trigémino vascular constituido por las meninges, los ganglios del trigémino (TG) y el núcleo trigémino caudal (TNC) es central para la fisiopatología de la migraña 6,7.
El péptido relacionado con el gen de la calcitonina del neuropéptido de 37 aminoácidos (CGRP) se descubrió por primera vez a principios de la década de 1980 cuando Amara y sus colaboradores demostraron que la transcripción primaria de ARN del gen de la calcitonina podría procesarse para dar ARNm que codifica CGRP además de calcitonina 8,9. La investigación posterior sugirió un vínculo con la fisiopatología de la migraña10. CGRP es un neurotransmisor con potentes propiedades vasodilatadoras 11,12,13,14,15,16,1 7, y está ampliamente distribuido en el sistema nervioso central y periférico 13,14,18,19,20,21,22 . La participación de CGRP en la migraña fue subrayada con el descubrimiento de un aumento de los niveles de CGRP en la circulación extracerebral durante los ataques de migraña en humanos23, y que la infusión de CGRP causa dolor similar a la migraña en pacientes24. Dos años más tarde, se publicó el primer estudio de prueba de concepto de la efectividad del antagonista de CGRP olcegepant en el tratamiento de la migraña25.
CGRP es abundante en el sistema trigémino vascular como se demuestra en el TG 21,26, fibras nerviosas sensoriales que inervan la duramadre27,28,29, y TNC30. En el sistema trigémino vascular, CGRP se encuentra en las neuronas de tamaño pequeño a mediano del TG, en fibras C no mielinizadas, y se expresa en casi el 50% de la población neuronal del TG. El receptor CGRP se expresa principalmente en neuronas más grandes y se encuentra en fibras Aδ mielinizadas31,32. CGRP se libera de las neuronas tras la estimulación química o eléctrica33,34. Los estudios de las vías que conducen a la liberación de CGRP y la ubicación de esta activación son cruciales para comprender la fisiopatología de la migraña. A lo largo de las últimas 5 décadas, los estudios preclínicos han contribuido a adquirir un amplio conocimiento sobre la señalización relacionada con la migraña y han contribuido al desarrollo de nuevos tratamientos35. Muchos métodos que consideran la participación vascular y neurogénica se han modificado y aplicado en la investigación de la migraña. Se pueden mencionar modelos in vivo e in vitro de respuestas arteriales a compuestos biológicos o tratamientos farmacológicos17,36,37 y estimulación nerviosa eléctrica38,39. Además, las neuronas activadas en el TNC pueden ser detectadas por la expresión de c-Fos 40,41,42 y los registros electrofisiológicos en esta área 43,44. Ambos métodos miden las señales nociceptivas transmitidas al cerebro desde la cabeza, por ejemplo, duramadre. El uso de un solo modelo preclínico no presenta la imagen completa de la fisiopatología de la migraña. Por lo tanto, es importante combinar diferentes modelos que cubran tantos aspectos de la fisiopatología de la migraña como sea posible. El desarrollo continuo de nuevos modelos cubrirá varios aspectos de los mecanismos de la migraña, y con el tiempo se descubrirá el misterio de la fisiopatología de la migraña.
Aquí, se presenta un protocolo detallado del método de liberación de CGRP, realizado ex vivo en TG y TNC aislados de ratones después de la estimulación química. La liberación de CGRP también se puede estudiar en la duramadre de ratas. Así, en el protocolo experimental para ratas, la duramadre se describe junto con TG y TNC. La base para el método de liberación de CGRP se describió por primera vez en 1999, donde Ebersberger y sus colaboradores realizaron una investigación pionera y encontraron que CGRP se liberó de la duramadre después de la estimulación química y eléctrica de aferentes durales en ratas45. Más tarde, este enfoque se extendió a la liberación CGRP del TG46 y el TNC47. Posteriormente, el método se modificó para aplicarse a TG y TNC en ratones. Hasta ahora, la liberación de CGRP de la duramadre ha sido un desafío en ratones.
El método descrito fue desarrollado después de estudios que muestran la importancia de CGRP en la fisiopatología de la migraña. Es muy adecuado para investigar los mecanismos involucrados en la liberación de CGRP del sistema trigémino vascular, que es crucial para la señalización del dolor en la región de la cabeza. La cantidad de CGRP obtenida en este modelo mide directamente la liberación de CGRP de los nervios trigéminos que inervan duramadre, TG y TNC. La cantidad de liberación de CGRP es cuantitativamente mayor 45,54 que la liberación medida en plasma después de la termocoagulación en humanos, la estimulación del trigémino en cat 39,55,56 y durante los ataques de migraña23. Una explicación podría ser que CGRP se diluye y degrada en la sangre54. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la estimulación directa con productos químicos podría ser superior a la activación fisiopatológica. Otras ventajas son que es posible localizar la liberación de tres sitios diferentes dentro del sistema trigémino vascular y que se puede utilizar junto con la manipulación farmacológica y en tejidos de roedores modificados genéticamente.
Últimamente, muchos modelos preclínicos de roedores se centran en la administración sistémica de sustancias y las lecturas posteriores relacionadas con el dolor o la migraña utilizando pruebas de von Frey57,58, muecas59,60,61 o aversión a la luz 62,63,64. Estos métodos son útiles para comprender las propiedades inductoras y analgésicas de diferentes sustancias. Sin embargo, estos enfoques no proporcionan información sobre los tejidos diana específicos involucrados. En el presente método, el sistema trigémino vascular se divide en tres estructuras: duramadre, TG y TNC. Esto permite la exposición local de cada estructura y la evaluación de la ubicación de acción de una sustancia específica. Esto se utilizó en un estudio de 2011, donde se exploró el papel de los canales de calcio dependientes de voltaje en ratas, y se encontró que la inhibición de estos canales era diferente en las tres estructuras de la vía trigémino vascular47. Al diseccionar estructuras del sistema nervioso, la axotomía es inevitable. Se ha demostrado que la axotomía altera la transcripción de varios genes65. Estos cambios transcripcionales son demasiado lentos para afectar los resultados de este método, pero los cambios en la fosforilación no pueden ser excluidos cuando se comparan con situaciones in vivo 46. Aunque los neuropéptidos como CGRP se forman en el soma celular, la liberación y la acción de los neuropéptidos generalmente se encuentran en las terminales nerviosas centrales o periféricas. Por lo tanto, los estudios de neuronas intactas, incluidas las terminales, son interesantes cuando se estudia la liberación de neuropéptidos. Por lo tanto, se han establecido métodos de estudio de cultivos de neuronas de ganglios aislados para servir como modelo de los terminales. Sin embargo, los cultivos celulares neuronales están sujetos a varios problemas, ya que la disociación mecánica puede destruir las neuronas en un cultivo46. El mayor período de tiempo asociado al cultivo de células deja este método sensible a los cambios transcriptómicos debidos a la axotomía y a las condiciones de cultivo65. Además, la adición de factores de crecimiento y el cultivo en recubrimientos superficiales han alterado las propiedades neuronales como transmisor y expresión del receptor66,67,68,69. Estos problemas se evitan cuando se estudian ganglios intactos recién aislados en lugar de cultivos de células neuronales.
Un desafío con el método de liberación de CGRP ex vivo es la disección precisa del tejido requerida para obtener resultados reproducibles. La disección especialmente precisa del TNC es un desafío, ya que se trata de una estructura dentro del tronco encefálico sin bordes visibles. Además, la duramadre es frágil, y la extracción del cerebro debe llevarse a cabo con cuidado para garantizar una estructura intacta. Estos obstáculos pueden resultar en un tamaño de tejido variable y, por lo tanto, niveles basales y de CGRP inducidos por estimulación. Sin embargo, esta variación puede explicarse por la normalización a la liberación basal de CGRP. También debe tenerse en cuenta que al aislar el TNC de ratones, se aísla toda la parte inferior del tronco encefálico y no la parte más específica que contiene TNC como se hace en ratas. En general, puede ser una ventaja utilizar tejido de rata, ya que esto permite medir la liberación de CGRP de la duramadre y una disección más precisa del TNC. Además, el tamaño del tejido también permite el uso de una rata como control del vehículo, ya que una rata da como resultado dos mitades craneales, dos TG y dos TNC donde una pieza del tejido se utiliza para la estimulación de sustancias y la otra para el vehículo. Cuando se usan ratones, se necesitan dos animales para un experimento, ya que ambos TG se agrupan en una muestra, y los TNC se diseccionan como un tronco encefálico. Por lo tanto, dos TG y un tronco encefálico se utilizan para la estimulación de sustancias, y dos TG y un tronco encefálico de otro ratón se utilizan para el control del vehículo. Esto resulta en el uso del doble de ratones en comparación con las ratas para obtener el mismo número de réplicas. Para reducir el número de ratones utilizados, se ha sugerido un método para medir la liberación de CGRP de las rebanadas del tronco encefálico49. Es una ventaja que el método haya sido modificado para permitir el uso de ratones. Esto permite el uso de muchas cepas de ratones transgénicos ya disponibles, una herramienta útil para estudiar, por ejemplo, las vías de señalización. Se debe incluir un control positivo al final de un experimento para garantizar que el tejido utilizado en el experimento pueda liberar CGRP. El control positivo podría ser el agonista capsaicina TRPV1 o el estímulo despolarizante de potasio (KCl), que se ha encontrado que libera CGRP del sistema trigémino vascular tanto en ratones como en ratas 46,47,48,49,50. Además, el método también ha sido adaptado para medir la liberación de otros péptidos relevantes como el péptido activador de la adenilato ciclasa hipofisaria (PACAP), otro péptido de gran interés dentro de la investigación de la migraña70.
El método proporciona una herramienta útil para investigar la liberación de CGRP de tejidos diana específicos en ratas y ratones. Es un método relativamente rápido que evita los problemas asociados con el cultivo de neuronas. El protocolo del método puede modificarse fácilmente para estudiar la relación concentración-respuesta o la inhibición de una respuesta por diversos compuestos farmacológicos. El método de liberación de CGRP ex vivo es uno de los varios métodos preclínicos útiles para estudiar el papel de CGRP y otros mecanismos relacionados con la liberación de CGRP en la fisiopatología de la migraña.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue financiado por la Fundación Candys.
6-well culture plate | NUNC | 140675 | |
Calcium chloride dihydrate | Merck | 1.02382.1000 | For SIF buffer |
Caps for plastic containers | ThermoFisher Scientific | 536617 | |
Capsaicin | Merck | M2028 | |
CGRP kits | AH Diagnostics | A05482.96 | |
CO2 | Strandmøllen | 4.6 | For carbogen gassing of SIF |
Delicate Bone Trimmer | Fine Science Tools | 16109-14 | |
Glibenclamide | Tocris | 911 | |
Glucose | Merck | G7021 | For SIF buffer |
Guillotine for rats | Scandidact | NS-802 | |
Magnesium sulfate heptahydrate | Merck | M5921 | For SIF buffer |
Microcenrifuge tubes + lids/caps | VWR | 700-5239 | |
Mini Hacksaw | BAHCO | 208 | |
O2 | Strandmøllen | 4.5 | For carbogen gassing of SIF |
Pentobarbital | Glostrup pharmacy | NA | Magistral formula |
Plastic containers | ThermoFisher Scientific | 536455 | |
Plate photometer – Infinite M200 | Tecan | NA | Infinite M200 is discontinued. A Infinite 200 PRO is available at Tecan. Software: SW Magellan v.6.3 |
Potassium chloride | Merck | P9333 | For SIF buffer |
Scissor | Allgaier Instruments | 307-156-170 | |
Small scissor | Allgaier Instruments | 04-520-115 | |
Sodium bicarbonate | Merck | S6014 | For SIF buffer |
Sodium chloride | Merck | S9888 | For SIF buffer |
Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | Merck | 1.06346.1000 | For SIF buffer |
Sodium gluconate | Merck | S2054 | For SIF buffer |
Spatula | Bochem Lab Supply | 3018 | |
Spring scissor | Fine Science Tools | 15024-10 | |
Sucrose | Merck | 84097 | For SIF buffer |
Supercinnamaldehyde | Merck | S3322 | |
Tulle (fabrics) | NA | NA | Bought in the local fabrics store |