Gebruik van de operante Orofacial Pain Assessment Device (OPAD) om veranderingen in Nociceptieve Gedrag Meet
Summary
We presenteren een gebruiksvriendelijke, high-throughput operante systeem voor de evaluatie van pijn gedragingen in wakkere, bewuste knaagdieren. De Orofacial Pain Assessment Device (OPAD) kan de pijn te beoordelen door middel van een beloning / conflict paradigma waardoor een meer humane manier van testen. Dit protocol zal meer klinisch relevante en translationele gegevens uit knaagdieren opleveren.
Abstract
We geven een operant systeem voor detectie van pijn in wakkere, bewuste knaagdieren. De Orofacial Pain Assessment Device (OPAD) beoordeelt pijn gedrag in een meer klinisch relevante manier door niet te vertrouwen op reflex-gebaseerde maatregelen van nociceptie. Voedsel gevast, kaal (of geschoren) knaagdieren worden in een plexiglas kamer die twee Peltier-based thermodes die kan worden geprogrammeerd om elke temperatuur tussen 7 ° C en 60 ° C heeft Het knaagdier is getraind om contact te maken met deze, om toegang te krijgen tot een beloning fles. Tijdens een sessie worden een aantal gedrags pijn uitkomsten automatisch opgenomen en opgeslagen. Deze maatregelen omvatten het aantal fles beloning activeringen (licks) en gezicht contact stimuli (face contacten), maar aangepaste maatregelen, zoals het likken / gezicht ratio (totaal aantal licks per sessie / totaal aantal contacten) kunnen ook worden aangemaakt. De stimulus temperatuur kan worden ingesteld op een enkele temperatuur of meerdere temperaturen binnen een sessie. De OPADis een high-throughput, eenvoudig te operante test die zal leiden tot een betere vertaling van pijn onderzoek in de toekomst als het omvat corticale ingang in plaats van te vertrouwen op spinale reflex-gebaseerde nociceptief assays gebruiken.
Introduction
Chronische, ongecontroleerde pijn blijft een groot probleem voor de volksgezondheid en het nieuwe pijnstillende behandelingen vaak niet te vertalen van de bench to bedside. Dit gebrek aan succes is mede door het gebruik van inefficiënte gedrag assays reflex gebaseerde maatregelen van pijn die niet noodzakelijkerwijs of volledig model van de menselijke pijnvoorwaarde 1,2, en specifiek, het ontbreken van een betrouwbare, high-throughput, commercieel verkrijgbaar , in vivo pijn assessment test voor ratten en muizen. We presenteren hier een hoge doorvoer, gemakkelijk te versie van onze operante gebaseerde nociceptie test gebruiken. Dit nieuwe systeem is gebaseerd op eigen operante orofaciale pijn assay die is aangetoond dat gevoelig detecteren van verschillende modaliteiten waaronder pijn hitte, koude, mechanische en 3,4,5. Van deze maatregelen, hebben een breed scala van gebieden onderzocht, waaronder pijnstillers 6,3,4,5,7, pijn aandoeningen zoals ontstekingen, hyperalgesie en allodynie <sup> 3,8, trigeminusneuralgie 9, en perifere nociceptieve modulatie via TRP kanalen met capsaïcine, resiniferatoxin, menthol, en icillin 8,10,5,11. Psychologische effecten zoals angst-geïnduceerde modulatie van pijn 12 en het placebo-effect 13 hebben ook aangetoond met orofaciale operante testen suggereren dat geschikt is voor het meten van de volledige ervaring van pijn kan zijn en niet alleen nociceptie.
De Orofacial Pain Assessment Device (OPAD) maakt gebruik van een beloning / conflict test die het mogelijk maakt een knaagdier te kiezen tussen het ontvangen van een versterkende beloning of het ontsnappen van een aversieve prikkel waardoor de controle op de hoeveelheid pijn voelt tijdens een sessie 14,15. Knaagdieren worden eerst getraind om hun gezichten te drukken in temperatuur gecontroleerde thermodes om toegang tot een voedsel fles met een vloeistof beloning te krijgen. Na training kan de stimulus temperatuur worden verwarmd of gekoeld en verschillen in rekomstige kan geven het niveau van nociceptie of analgesie het dier waarneemt. De OPAD is ook in staat om snelle veranderingen in temperatuur, die basislijn testen en het beoordelen van pijn bij warme en koude temperaturen binnen een enkele testsessie mogelijk maakt. Hier presenteren we een eenvoudig protocol dat het vermogen van de OPAD voor veranderingen in de pijn veroorzaakt door hitte, koude detecteren belicht, en de TRPV1 agonist capsaïcine 16. Capsaïcine Hierna worden als thermische sensibilisator omdat het aantal voordelen voor deze test zoals het niet-weefsel beschadigen en vooraf aangetoond gezicht allodynie en hyperalgesie induceren in diermodellen 8. We zullen zien hoe het OPAD software snel kan verkrijgen, analyseren, grafiek, en het uitvoeren van statistische analyses op knaagdieren gedragsgegevens.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het OPAD systeem is een eenvoudig te gebruiken, high throughput assay voor het opsporen van veranderingen in pijnperceptie bij knaagdieren. De high throughput Dit type systeem houdt in dat vele dieren in een dag kunnen worden onderzocht door een persoon. Dit komt door het OPAD software systeem het mogelijk tot 16 vakken gelijktijdig worden uitgevoerd op een computer. Dit betekent dat na de initiële setup tijd, ongeveer 48 operant runs (op 18 min per run) kan een uur, nog meer uitgevoerd als de sessie de tijd is ingesteld op minder tijd per fase. Dit zorgt voor pijn testen in honderden dieren per dag. Deze hoeveelheid testen zou niet praktisch met de meeste traditionele pijn assays.
In overeenstemming met onze eerdere werk, wordt knaagdier gedrag veranderd onder pijnlijke omstandigheden. Tijdens de niet-schadelijke periodes knaagdieren hebben meestal lange periodes van het drinken waarin ze contact onderhouden met de thermodes. Tijdens aversieve 45 ° C of 7 ° C omstandigheden, deknaagdieren hebben veel kortere periodes als zij contact voor langere tijd niet kan handhaven. Daarom is de lik / gezicht ratio (aantal likt gedeeld door het aantal gezichts contacten binnen een sessie) verandert met pijn. Capsaïcine de verhoogde pijngevoeligheid verwarmen zoals aangetoond door een lagere L / F-verhouding in de behandelde versus onbehandelde knaagdieren op 45 ° C geroerd. Analgetica kunnen deze lick / gezicht verhouding terugkeren naar een niveau vergelijkbaar met niet-pijnlijke aandoeningen 3. Hoewel de pijn voorwaarden die gemakkelijk kunnen worden geproduceerd op de huid (zoals de toepassing van capsaïcine crème) zijn de eenvoudigste methoden voor het detecteren van de pijn op deze test, kan diermodellen van meer klinisch relevante deep zenuwweefsel pijn zoals trigeminusneuralgie ook veranderen gedrag operante orofacial assays 9 . Samen vormen deze gegevens bewijsmateriaal dat de OPAD gevoelig is voor veranderingen in warmte en kou, pijn drempels en schadelijke chemische stoffen zoals capsaïcine naast de operantemogelijkheid orofaciale pijn assay om tal van andere voorwaarden van pijn en analgesie 6,3,8,17,10,5,12,18,11,9 detecteren.
Systeem van meet pijn de OPAD is een meer klinisch relevante, zinvolle, en humane methode voor het opsporen pijn dan reflex-gebaseerde maatregelen. Deze traditionele maatregelen van nociceptie als de poot terugtrekken met von Frey filamenten 19 en de staart-flick test 20 zijn gebruikt voor meer dan een eeuw, maar ze alleen de reactie op een experimentator toegebrachte stimulus te meten. Het dier heeft weinig controle en "nociceptie" wordt hoofdzakelijk gelokaliseerd in het ruggenmerg. Voor de mens, de subjectieve pijnervaring is ook belangrijk als mensen gewoon zijn gevraagd om hun subjectieve niveaus van pijn rapporteren. De mogelijkheid voor de dieren om zelf verslag uit over hun pijn in operante gebaseerde procedures zou een doorbraak voor fundamenteel onderzoek pijn 1 zijn. Met de OPAD, worden dieren gezien de keuze om al te reageren tijdens apainful stimulus of niet. Als het te pijnlijk, dieren eenvoudig hun pogingen om de beloning te worden verkleind en daarmee hun blootstelling aan pijn beperken. Dit is een veel menselijker en minder stressvol test in vergelijking met veel reflex-gebaseerde maatregelen waarin dieren hebben vaak hun bewegingen beperkt en hebben geen controle over de hoeveelheid pijnlijke prikkels waaraan ze worden blootgesteld. De behoefte om te ontsnappen aan de pijn is een inherent rijden in alle dieren en de OPAD neemt dit gedrag in plaats van compensatie voor het als andere nociceptieve assays. De beweging weg van reflex-gebaseerde maatregelen van pijn in operante taken is steeds vaker in het veld. Andere groepen hebben niet-reflex-gebaseerde maatregelen toegepast, zoals het onderzoek maaltijd duur 21,22,23 en thermische warmte pijn ontsnappen paradigma 24 (Voor een overzicht van andere pijn maatregelen die wij stellen onze eerste referentie 1). De OPAD is in staat om elementen van deze combineren in een verenigd maatregel, de Lick / Gezicht ratio, which onderzoekt voedselinname en de noodzaak om te ontsnappen aan pijnlijke stimuli. Een ander voordeel is dat deze test kan meten pijn gedurende lange tijd (1-2 maanden) zonder verlies van gevoeligheid 7,9. Door zijn voordelen ten opzichte van reflex-gebaseerde testen, is dit minder stress en meer humane test goed aangepast aan lange-termijn veranderingen in nociceptieve gedrag bij knaagdieren meten.
Operante pijn meet geven vaak verschillende resultaten in vergelijking met reflex-gebaseerde maatregelen in termen van opioïdbasisdosis effecten en pijn drempels. Terwijl hoge doseringen opioïden doorgaans worden gebruikt voor reflex-gebaseerde maatregelen 25 verschillende studies geven aan dat lagere doses nodig voor reacties op operante assays 26,27,28. Hoge doseringen kunnen ook interfereren met operante maatregelen, maar deze zijn detecteerbaar met de OPAD 6. Andere studies hebben ook aangetoond dat de drempels voor ontsnapping uit een pijnlijke prikkel zijn verschillend voor operante versus reflex-gebaseerde maatregelen 29,2,30 wijst op een belangrijk verschil tussen de perceptie van pijn een dier 'versus de snelheid van hun spinale reflexen. Een voordeel van de OPAD is dat de knaagdieren kunnen kiezen of om de taak uit te voeren, dit maakt het knaagdier te ontsnappen of vermijdingsgedrag uiten. Dit complex gedrag vereist corticale besluitvorming tot het bedrag van nociceptie het knaagdier voelt 14,29,15,30 beheersen. Terwijl ontsnappen en vermijdingsgedrag kunnen interfereren met reflex gebaseerde maatregelen deze pijn gedragingen zijn een integraal onderdeel van de OPAD. De verschillen in pijn drempels en de lagere doses van opioïden nodig voor operante analyses suggereren een hogere gevoeligheid voor pijn en analgesie dan traditionele reflex-gebaseerde maatregelen.
Hoewel de OPAD kan pijn meer direct te meten dan traditionele testen verschillende experimentele condities en drugs kan een nadelige invloed op deze test en moeten worden gecontroleerd. Wijzigings in appetitieve motivatie kan veranderen gedrag op deze test. Dit kan worden weergegeven door een verschil in de beloning zelf 31 of door de motivatie voor de beloning 6. Er moet worden gezorgd dat de motivatie van het dier voor de beloning is constant veel geneesmiddelen kunnen interfereren met motivatie. Zo kunnen hoge doses van morfine en andere opioïden hyperfagie veroorzaken voor zoete, vetstoffen 32 die veranderen reageren op operante orofaciale assay 6. Hoewel dit suggereert dat operant gebaseerde paradigma beloning conflict heeft bredere implicaties gebruiksaanwijzing die het gebied van angst en verslaving (bijvoorbeeld het veranderen van de lonende aspecten in de aanwezigheid van een bepaalde pijnlijke stimulus) is het belangrijk om te controleren voor appetitive veranderingen in pijn testen sessies. Deze veranderingen in de motivatie niet verschijnen op deze klinisch relevante lagere doseringen, maar het pijnstillende effect intact blijven 3. Een manier om control voor dit mogelijk verwarren is de dosis van het geneesmiddel die in de tekst niet toeneemt gedrag op neutraal (33-37 ° C) temperatuur. Het testen van een medicijn versus een niet-medicamenteuze groep bij een neutrale temperatuur moet een eerste stap voor het toevoegen van een pijn component. Ook gezien het feit dat een aantal uitgangswaarde sessies zijn mogelijk binnen een testsessie met de OPAD deze problemen kunnen worden opgespoord en kan worden bediend voor het binnen een gedrags-sessie. Als vasten schema kan motivatie veranderen op deze test is het belangrijk deze consistent te houden. Wij doen meestal een nacht vasten, maar ook andere schema's zijn mogelijk. Zo hebben we geëxperimenteerd met een dagelijkse korte vasten van 6 uur voor (ongepubliceerde resultaten). Dit maakt dagelijkse testen in plaats van om de andere dag. Ook hebben unfasted ratten ook goed gereageerd op de test 9. Wat ook vasten technieken worden gebruikt is het vooral belangrijk het consequent te houden gedurende het testen om te controleren voor motivationele factoren.
<p class="Jove_content"> Tot slot, het OPAD is een eenvoudig te operante assay die pijn meet op een niveau dat veel meer lijkt op de menselijke conditie dan traditionele pijn assays gebruiken. De belangrijkste eigenschap van dit systeem is integratie van de experimentele parameters en protocollen, data-acquisitie en analyse / resultatenmaatregelen behulp van een software-bestuurde systeem. Dit zal een groot gebruiker beheerde opties en parameters aan verschillende meetinstrumenten verzamelen en analyseren in een high-throughput fashion. Dit in tegenstelling tot de veelgebruikte pijn-testsystemen (bijv. tail flick, von Frey filamenten) die noch software-driven, noch high-throughput. De software-gestuurde systeem een belangrijke vooruitgang hoe gedragsonderzoek ontworpen en hoe de gegevens worden verzameld en geanalyseerd en een toename van het gebruik van deze test zal fundamenteel onderzoek naar pijn meer klinisch vertaalbare in de toekomst. Dit systeem zal naar verwachting een aanzienlijke invloed op adva hebbenncing toekomstig onderzoek met betrekking tot pijn, omdat deze operante gedragsmatige studies kunnen de noodzakelijke koppeling voor het begrijpen van de invloed van hogere orde structuren op de algehele pijn gedrag.Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
National Institute on Drug Abuse, NIH-subsidie 5R44DA026220-03
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Sweetended Condensed Milk | Borden | 5272910108 | |
| Capzasin-HP 0.1% | Chattem, Inc. | 0032648-02 | |
| Isopropyl alcohol | CVS | 5042826245 | |
| Isoflurane | Piramal Healthcare | 66794-013-25 | |
| Opthalamic vet ointment | Dechra | 17033-211-38 | |
| Hair remover lotion | Church and Dwight Co., Inc | NRLBB-22339-04 | |
| OPAD System | Stoelting | 67500 | |
| Additional OPAD cages | Stoelting | 67501 | |
| Granulated cylinder | Cole-Parmer | EW-34512-11 | |
| Paper towels | ANY | ANY | |
| Cotton tipped applicators | Fisher | 23-400-101 | |
| Fluotec 4 Vaporizer | Ohmeda | 39711 | |
| Hair clippers | Oster | 78005-010 |
References
- Mogil, J. S. Animal models of pain: progress and challenges. Nat. Rev. Neurosci. 10, 283-294 (2009).
- Vierck, C. J., Hansson, P. T., Yezierski, R. P. Clinical and pre-clinical pain assessment: are we measuring the same thing. Pain. , 135-137 (2008).
- Neubert, J. K., Widmer, C. G., Malphurs, W., Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M. Use of a novel thermal operant behavioral assay for characterization of orofacial pain sensitivity. Pain. 116, 386-395 (2005).
- Nolan, T. A., Hester, J., Bokrand-Donatelli, Y., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Adaptation of a novel operant orofacial testing system to characterize both mechanical and thermal pain. Behav. Brain Res. 217, 477-480 (2011).
- Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Characterization of cold sensitivity and thermal preference using an operant orofacial assay. Mol. Pain. 2, 37 (2006).
- Anderson, E. M., Valle-Pinero, A. Y., Suckow, S. K., Nolan, T. A., Neubert, J. K., Caudle, R. M. Morphine and MK-801 administration leads to alternative N-methyl-d-aspartate receptor 1 splicing and associated changes in reward seeking behavior and nociception on an operant orofacial assay. Neuroscience. 214, 14-27 (2012).
- Anderson, E. M., Neubert, J. K., Caudle, R. M. Long-term changes in reward-seeking following morphine withdrawal are associated with altered N-methyl-d-aspartate receptor 1 splice variants in the amygdala. Neuroscience. 223, 45-55 (2012).
- Neubert, J. K., Rossi, H. L., Malphurs, W., Vierck, C. J., Caudle, R. M. Differentiation between capsaicin-induced allodynia and hyperalgesia using a thermal operant assay. Behav. Brain Res. 170, 308-315 (2006).
- Rossi, H. L., Jenkins, A. C., Kaufman, J., Bhattacharyya, I., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Characterization of bilateral trigeminal constriction injury using an operant facial pain assay. Neuroscience. 224, 294-306 (2012).
- Neubert, J. K., King, C., Malphurs, W., Wong, F., Weaver, J. P., Jenkins, A. C., Rossi, H. L., Caudle, R. M. Characterization of mouse orofacial pain and the effects of lesioning TRPV1-expressing neurons on operant behavior. Mol. Pain. 4, 43 (2008).
- Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M., Yezierski, R. P., Neubert, J. K. Dose-dependent effects of icilin on thermal preference in the hindpaw and face of rats. J. Pain. 10, 646-653 (2009).
- Rossi, H. L., Neubert, J. K. Effects of environmental enrichment on thermal sensitivity in an operant orofacial pain assay. Behav. Brain Res. 187, 478-482 (2008).
- Nolan, T. A., Price, D. D., Caudle, R. M., Murphy, N. P., Neubert, J. K. Placebo-induced analgesia in an operant pain model in rats. Pain. , (2012).
- Dubner, R., Beitel, R. E., Brown, F. J., Weisenberg, M., Tursky, B. A behavioral animal model for the study of pain mechanisms in primates. Pain: New Perspectives in Therapy and Research. , 155-170 (1976).
- Vierck, C. J., Hamilton, D. M., Thornby, J. I. Pain reactivity of monkeys after lesions to the dorsal and lateral columns of the spinal cord. Exp. Brain Res. 13, 140-158 (1971).
- Caterina, M. J., Schumacher, M. A., Tominaga, M., Rosen, T. A., Levine, J. D., Julius, D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature. 389, 816-824 (1997).
- Neubert, J. K., Rossi, H. L., Pogar, J., Jenkins, A. C., Caudle, R. M. Effects of mu- and kappa-2 opioid receptor agonists on pain and rearing behaviors. Behav. Brain Funct. 3, 49 (2007).
- Rossi, H. L., Neubert, J. K. Effects of hot and cold stimulus combinations on the thermal preference of rats. Behav. Brain Res. 203, 240-246 (2009).
- von Frey, M. Untersuchungen über die Sinnesfunctionen der menschlichen Haut. Abh. Sachs. Ges. Wiss. 23, 175-266 .
- D’Amour, F. E., Smith, D. L. A method for determining loss of pain sensation. J. Pharmacol. Exp. Ther. 75, 74-79 (1941).
- Kerins, C. A., Carlson, D. S., Hinton, R. J., Hutchins, B., Grogan, D. M., Marr, K., Kramer, P. R., Spears, R. D., Bellinger, L. L. Specificity of meal pattern analysis as an animal model of determining temporomandibular joint inflammation/pain. Int. J. Oral Maxillofac. Surg. 34, 425-431 (2005).
- Kramer, P. R., He, J., Puri, J., Bellinger, L. L. A non-invasive model for measuring nociception after tooth pulp exposure. J. Dent. Res. 91, 883-887 (2012).
- Thut, P. D., Hermanstyne, T. O., Flake, N. M., Gold, M. S. An operant conditioning model to assess changes in feeding behavior associated with temporomandibular joint inflammation in the rat. J. Orofac. Pain. 21, 7-18 (2007).
- Vierck, C. J., Acosta-Rua, A. J., Johnson, R. D. Bilateral chronic constriction of the sciatic nerve: a model of long-term cold hyperalgesia. J. Pain. 6, 507-517 (2005).
- Trujillo, K. A., Akil, H. Inhibition of morphine tolerance and dependence by the NMDA receptor antagonist MK-801. Science. 251, 85-87 (1991).
- King, C. D., Devine, D. P., Vierck, C. J., Mauderli, A., Yezierski, R. P. Opioid modulation of reflex versus operant responses following stress in the rat. Neuroscience. 147, 174-182 (2007).
- Morgan, D., Carter, C. S., DuPree, J. P., Yezierski, R. P., Vierck, C. J. Evaluation of prescription opioids using operant-based pain measures in rats. Exp. Clin. Psychopharmacol. 16, 367-375 (2008).
- Vincler, M., Maixner, W., Vierck, C. J., Light, A. R. Effects of systemic morphine on escape latency and a hindlimb reflex response in the rat. J. Pain. 2, 83-90 (2001).
- Mauderli, A. P., Acosta-Rua, A., Vierck, C. J. An operant assay of thermal pain in conscious, unrestrained rats. J. Neurosci. Methods. 97, 19-29 (2000).
- Vierck, C. J., Kline, R., Wiley, R. G. Comparison of operant escape and innate reflex responses to nociceptive skin temperatures produced by heat and cold stimulation of rats. Behav. Neurosci. 118, 627-635 (2004).
- Nolan, T. A., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Effect of caloric and non-caloric sweet reward solutions on thermal facial operant conditioning. Behav. Brain Res. 216, 723-725 (2011).
- Taha, S. A., Katsuura, Y., Noorvash, D., Seroussi, A., Fields, H. L. Convergent, not serial, striatal and pallidal circuits regulate opioid-induced food intake. Neuroscience. 161, 718-733 (2009).
