Beoordeling van de mechanische gevoeligheid van de rug bij de rat voor mechanistisch onderzoek naar chronische rugpijn
Summary
Om nieuwe therapeutische interventies te ontwikkelen voor de preventie en het beheer van rugpijn, zijn diermodellen nodig om de mechanismen en effectiviteit van deze therapieën vanuit een translationeel perspectief te onderzoeken. Het huidige protocol beschrijft de BMS-test, een gestandaardiseerde methode om de mechanische gevoeligheid van de rug bij de rat te beoordelen.
Abstract
Lage rugpijn is wereldwijd de belangrijkste oorzaak van invaliditeit, met dramatische persoonlijke, economische en sociale gevolgen. Om nieuwe therapieën te ontwikkelen, zijn diermodellen nodig om de mechanismen en effectiviteit van nieuwe therapieën vanuit een translationeel perspectief te onderzoeken. Verschillende knaagdiermodellen van rugpijn worden gebruikt in lopende onderzoeken. Verrassend genoeg werd er echter geen gestandaardiseerde gedragstest gevalideerd om de mechanische gevoeligheid in rugpijnmodellen te beoordelen. Dit is van cruciaal belang om te bevestigen dat dieren met veronderstelde rugpijn lokale overgevoeligheid voor nociceptieve stimuli vertonen en om de gevoeligheid te controleren tijdens interventies die zijn ontworpen om rugpijn te verlichten. Het doel van deze studie is om een eenvoudige en toegankelijke test te leggen om de mechanische gevoeligheid in de rug van ratten te beoordelen. Speciaal voor deze methode is een testkooi vervaardigd; lengte x breedte x hoogte: 50 x 20 x 7 cm, met een roestvrijstalen gaas aan de bovenkant. Deze testkooi maakt het mogelijk om mechanische stimuli aan de achterkant toe te passen. Om de test uit te voeren, wordt de achterkant van het dier geschoren in het gebied van belang en wordt het testgebied gemarkeerd om de test op verschillende dagen te herhalen, indien nodig. De mechanische drempel wordt bepaald met Von Frey-filamenten aangebracht op de paraspinale spieren, met behulp van de eerder beschreven up-down-methode. De positieve reacties omvatten (1) spiertrekkingen, (2) boogvorming (rugverlenging), (3) rotatie van de nek (4) krabben of likken aan de rug en (5) ontsnappen. Deze gedragstest (Back Mechanical Sensitivity (BMS) test) is nuttig voor mechanistisch onderzoek met knaagdiermodellen van rugpijn voor de ontwikkeling van therapeutische interventies voor de preventie en behandeling van rugpijn.
Introduction
Lage rugpijn (LBP) is wereldwijd de belangrijkste oorzaak van invaliditeit, die dramatische persoonlijke, economische en sociale gevolgen heeft 1,2,3,4. Elk jaar wordt ongeveer 37% van de bevolking getroffen door LBP5. LBP verdwijnt meestal binnen een paar weken, maar komt terug bij 24% -33% van de individuen en wordt chronisch in 5% -10% van de gevallen2. Om de mechanismen en effecten van LBP en de effecten van verschillende therapeutische interventies te begrijpen, zijn verschillende diermodellen van LBP gebruikt, die klinische aandoeningen of sommige componenten van LBP6 nabootsen. Deze muis- en rattenmodellen kunnen worden ingedeeld in een of meer van de volgende categorieën: (1) discogene LBP7,8,, (2) radiculaire LBP 8,9,10,11, (3) facetgewrichtartrose 12 en (4) spiergeïnduceerde LBP13,14 . Omdat de pijn niet direct kan worden gemeten bij niet-menselijke soorten, zijn er talloze tests ontwikkeld om pijnachtig gedrag in deze modellen te kwantificeren8. Deze tests beoordelen gedrag dat wordt opgeroepen door een schadelijke stimulus (mechanische kracht 15,16,17, thermische stimulatie 18,19,20,21,22,23,24,25) of spontaan geproduceerd 26,27,28,29.
De methoden met mechanische stimuli omvatten de Von Frey-test 15,16 en de Randall-Selitto-test17. Methoden met behulp van warmtestimuli omvatten de staartfliktest18, hete plaattest19, Hargreaves-test20 en thermische sondetest21. Methoden met koude stimuli omvatten de koude plaattest22, acetonverdampingstest 23 en koude plantaire test24. Methoden voor spontaan gedrag omvatten de grimasschalen 26, graven27, gewichtdragende en loopanalyse 28, evenals een geautomatiseerde gedragsanalyse29. Ondanks deze talrijke beschikbare tests, is geen van hen specifiek ontworpen voor rugpijnmodellen.
Het doel van deze studie is om een eenvoudige en toegankelijke test te leggen om de mechanische gevoeligheid in de rug van ratten te beoordelen. De techniek is grotendeels gebaseerd op de Von Frey-test toegepast op het plantaire oppervlak van de achterpoot15,16. Het basisprincipe van de Von Frey-test is om een reeks monofilamenten te gebruiken voor het gebied van belang, waarbij constante vooraf bepaalde krachten worden geleverd. Een reactie wordt als positief beschouwd als de rat een nocifensief gedrag vertoont. De mechanische drempel kan dan worden berekend op basis van de filamenten die reacties oproepen. In de huidige studie wordt een eenvoudige en toegankelijke methode aangeboden die is aangepast aan de Von Frey-test om de mechanische gevoeligheid in de rug van ratten te bepalen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritieke stappen
De BMS-test is een eenvoudige methode om de mechanische gevoeligheid in de rug van ratten te beoordelen, hetzij op één tijdstip of herhaaldelijk gedurende dagen of weken, wanneer veranderingen worden verwacht (pijnmodellen) of na farmacologische of niet-farmacologische interventie. Kritieke problemen van de methode zijn de testkooi, waarvan de afmetingen ervoor moeten zorgen dat de rat comfortabel is, maar niet te veel beweegt. De rug van het dier moet toegankelijk blijven via het g…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van de Fondation Chiropratique du Québec en de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (MP: grant #06659). De bijdrage van HK werd ondersteund door de Université du Québec à Trois-Rivières (PAIR-programma). De bijdrage van BP werd ondersteund door het Fonds de recherche du Québec en Santé (FRQS) en de Fondation Chiropratique du Québec. De bijdrage van TP werd ondersteund door de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. De bijdrage van NE en EK werd ondersteund door de Fondation Chiropratique du Québec. De bijdrage van MP werd ondersteund door de FRQS.
Materials
| Aerrane (isoflurane, USP) – Veterinary Use Only | Baxter | NDC 10019-773-60 | Inhalation Anaesthetic ; DIN 02225875, for inducing anasthesia |
| Complete Freund Adjuvant (CFA) | Fisher Scientific | #77140 | Water-in-oil emulsion of Complete Freund Adjuvant (CFA) with killed cells of Mycobacterium butyricum. |
| Male Wistar Rats | Charles River Laboratories | body weight: 320–450 g; age: 18-22 weeks. | |
| Penlon Sigma Delta Vaporizer | Penlon | 990-VI5K-SVEEK | Penlon Sigma Delta Vaporizer used for anasthesia |
| Sharpie Permanent Marker | Sharpie | BC23636 | Permanent Marker, Fine Point, Black |
| Test cage | Custom-made | Width: 20 cm; Length: 50 cm; Height from the bottom to the top: 40 cm; Height from the bottom mesh to the top of the cage: 7 cm; Wall thickness: 5 mm; Mesh: 1 mm wire with an 8 mm inter-wire distance | |
| Von Frey Filaments | Aesthesio, Precise Tactile Sensory Evaluator | 514000-20C | Filaments from 0.07 g to 26 g |
| Wahl Professional Animal, ARCO Cordless Pet Clipper, Trimmer Grooming | Wahl | Kit #8786-1201 | Animal hair trimmer, for shaving purposes, zero blade |
References
- Hartvigsen, J., et al. What low back pain is and why we need to pay attention. Lancet. 391 (10137), 2356-2367 (2018).
- Manchikanti, L., Singh, V., Falco, F. J., Benyamin, R. M., Hirsch, J. A. Epidemiology of low back pain in adults. Neuromodulation. 17, 3-10 (2014).
- Urits, I., et al. Low back pain, a comprehensive review: Pathophysiology, diagnosis, and treatment. Current Pain and Headache Reports. 23 (3), 23 (2019).
- James, S. L., et al. 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).
- Hoy, D., et al. A systematic review of the global prevalence of low back pain. Arthritis & Rheumatology. 64 (6), 2028-2037 (2012).
- Shi, C., et al. Animal models for studying the etiology and treatment of low back pain. Journal of Orthopaedic Research. 36 (5), 1305-1312 (2018).
- Olmarker, K. Puncture of a lumbar intervertebral disc induces changes in spontaneous pain behavior: An experimental study in rats. Spine. 33 (8), 850-855 (2008).
- Deuis, J. R., Dvorakova, L. S., Vetter, I. Methods used to evaluate pain behaviors in rodents. Frontiers in Molecular Neuroscience. 10, 284 (2017).
- Kawakami, M., et al. Pathomechanism of pain-related behavior produced by allografts of intervertebral disc in the rat. Spine. 21 (18), 2101-2107 (1996).
- Hu, S. -. J., Xing, J. -. L. An experimental model for chronic compression of dorsal root ganglion produced by intervertebral foramen stenosis in the rat. Pain. 77 (1), 15-23 (1998).
- Xie, W. R., et al. Robust increase of cutaneous sensitivity, cytokine production and sympathetic sprouting in rats with localized inflammatory irritation of the spinal ganglia. Neurosciences. 142 (3), 809-822 (2006).
- Arthritis and Rheumatism. Characterization of a new animal model for evaluation and treatment of back pain due to lumbar facet joint osteoarthritis. Arthritis and Rheumatism. 63 (10), 2966-2973 (2011).
- Kobayashi, Y., Sekiguchi, M., Konno, S. -. I., Kikuchi, S. -. I. Increased intramuscular pressure in lumbar paraspinal muscles and low back pain: Model development and expression of substance P in the dorsal root ganglion. Spine. 35 (15), 1423-1428 (2010).
- Touj, S., et al. Sympathetic regulation and anterior cingulate cortex volume are altered in a rat model of chronic back pain. Neurosciences. 352, 9-18 (2017).
- Chaplan, S. R., Bach, F. W., Pogrel, J. W., Chung, J. M., Yaksh, T. L. Quantitative assessment of tactile allodynia in the rat paw. Journal of Neuroscience Methods. 53 (1), 55-63 (1994).
- Deuis, J. R., et al. Analgesic effects of clinically used compounds in novel mouse models of polyneuropathy induced by oxaliplatin and cisplatin. Neuro-Oncology. 16 (10), 1324-1332 (2014).
- Randall, L. O., Selitto, J. J. A method for measurement of analgesic activity on inflamed tissue. Archives Internationales de Pharmacodynamie et de Therapie. 111 (4), 409-419 (1957).
- D’Amour, F. E., Smith, D. L. A method for determining loss of pain sensation. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 72 (1), 74-79 (1941).
- Woolfe, G. The evaluation of the analgesic actions of pethidine hydrochlodide (Demerol). Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 80 (3), 300-307 (1944).
- Hargreaves, K., Dubner, R., Brown, F., Flores, C., Joris, J. A new and sensitive method for measuring thermal nociception in cutaneous hyperalgesia. Pain. 32 (1), 77-88 (1988).
- Deuis, J. R., Vetter, I. The thermal probe test: A novel behavioral assay to quantify thermal paw withdrawal thresholds in mice. Temperature. 3 (2), 199-207 (2016).
- Allchorne, A. J., Broom, D. C., Woolf, C. J. Detection of cold pain, cold allodynia and cold hyperalgesia in freely behaving rats. Molecular Pain. 1, 36 (2005).
- Carlton, S. M., Lekan, H. A., Kim, S. H., Chung, J. M. Behavioral manifestations of an experimental model for peripheral neuropathy produced by spinal nerve ligation in the primate. Pain. 56 (2), 155-166 (1994).
- Brenner, D. S., Golden, J. P., Gereau, R. W. I. V. A novel behavioral assay for measuring cold sensation in mice. PLoS One. 7 (6), 39765 (2012).
- Moqrich, A., et al. Impaired thermosensation in mice lacking TRPV3, a heat and camphor sensor in the skin. Science. 307 (5714), 1468-1472 (2005).
- Langford, D. J., et al. Coding of facial expressions of pain in the laboratory mouse. Nature Methods. 7 (6), 447-449 (2010).
- Deacon, R. M. J. Burrowing in rodents: a sensitive method for detecting behavioral dysfunction. Nature Protocols. 1 (1), 118-121 (2006).
- Griffioen, M. A., et al. Evaluation of dynamic weight bearing for measuring nonevoked inflammatory hyperalgesia in mice. Nursing Research. 64 (2), 81-87 (2015).
- Brodkin, J., et al. Validation and implementation of a novel high-throughput behavioral phenotyping instrument for mice. Journal of Neuroscience Methods. 224, 48-57 (2014).
- Paquette, T., Eskandari, N., Leblond, H., Piché, M. Spinal neurovascular coupling is preserved despite time dependent alterations of spinal cord blood flow responses in a rat model of chronic back pain: implications for functional spinal cord imaging. Pain. , (2022).
- Tokunaga, R., et al. Attenuation of widespread hypersensitivity to noxious mechanical stimuli by inhibition of GABAergic neurons of the right amygdala in a rat model of chronic back pain. European Journal of Pain. 26 (4), 911-928 (2022).
- Dixon, W. J. Efficient analysis of experimental observations. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 20, 441-462 (1980).
