Настоящий протокол описывает модель высвобождения ex vivo кальцитонина, связанного с геном пептида (CGRP), и стратегию количественной оценки влияния фармакологических агентов на количество CGRP, высвобождаемого из тригеминозускулярной системы у грызунов.
Пептид, связанный с геном кальцитонина (CGRP), был впервые обнаружен в 1980-х годах как вариант сращивания из гена кальцитонина. С момента своего открытия его роль в патофизиологии мигрени была хорошо установлена, сначала по его мощным сосудорасширяющим свойствам, а затем по его присутствию и функции в качестве нейротрансмиттера в сенсорной тригеминозускулярной системе. Провоцирующая мигрень способность CGRP оказала поддержку фармацевтической промышленности в разработке моноклональных антител и антагонистов, ингибирующих действие CGRP. Новая парадигма лечения доказала свою эффективность в профилактическом лечении мигрени. Одним из полезных инструментов для дальнейшего понимания механизмов мигрени является модель ex vivo высвобождения CGRP из тройничной системы. Это относительно простой метод, который можно использовать с различными фармакологическими инструментами для достижения ноу-хау для дальнейшей разработки новых эффективных методов лечения мигрени. Настоящий протокол описывает модель высвобождения CGRP и методику количественной оценки влияния фармакологических агентов на количество CGRP, высвобождаемого из тригеминосудистой системы у грызунов. Предусмотрена процедура, описывающая экспериментальный подход от эвтаназии к измерению уровня белка. Подробно описано существенное выделение тройничного ганглия и тройничного ядра каудалиса как от мышей, так и от крыс и приготовление твердой мозговой оболочки крыс. Кроме того, представлены репрезентативные результаты обоих видов (крыс и мышей). Метод является ключевым инструментом для исследования молекулярных механизмов, участвующих в патофизиологии мигрени, с использованием различных фармакологических соединений и генетически модифицированных животных.
Мигрень является неврологическим расстройством, которое, по оценкам ВОЗ, затрагивает более 1 миллиарда человек и является одной из ведущих причин инвалидности во всем мире1. Таким образом, мигрень оказывает значительное влияние как на пациентов, так и на общество. Несмотря на недавний клинический успех антагонизирующих препаратов CGRP, большая часть пациентов нуждается в улучшенных вариантах лечения 2,3,4,5. Требуется выяснение патофизиологии мигрени, приводящее к новым эффективным методам лечения. Передача сигналов в тригеминоскулярной системе, состоящей из мозговых оболочек, тройничных ганглиев (ТГ) и тройничного ядра каудалиса (ТНК), является центральной для патофизиологии мигрени 6,7.
37 аминокислотный нейропептид кальцитонин, связанный с геном пептида (CGRP), был впервые обнаружен в начале 1980-х годов, когда Амара и его коллеги продемонстрировали, что первичный РНК-транскрипт гена кальцитонина может быть обработан для получения мРНК, кодирующей CGRP, в дополнение к кальцитонину 8,9. Последующие исследования предположили связь с патофизиологией мигрени10. CGRP является нейротрансмиттером с мощными сосудорасширяющими свойствами 11,12,13,14,15,16,1 7, и он широко распространен в центральной и периферической нервной системе 13,14,18,19,20,21,22 . Участие CGRP в мигрени было подчеркнуто с открытием повышенных уровней CGRP во внемозговом кровообращении во время приступов мигрени у людей23, и что инфузия CGRP вызывает мигренеподобную боль у пациентов24. Два года спустя было опубликовано первое доказательство концепции эффективности антагониста CGRP olcegepant при лечении мигрени25.
CGRP в изобилии присутствует в тригеминоваскулярной системе, как показано в TG21,26, сенсорных нервных волокнах, иннервирующих твердую мозговую оболочку 27,28,29 и TNC30. В тригеминосудистой системе CGRP обнаруживается в нейронах малого и среднего размера TG, в немиелинизированных С-волокнах и экспрессируется почти в 50% нейронной популяции TG. Рецептор CGRP экспрессируется в основном в более крупных нейронах и обнаруживается в миелинизированных Aδ-волокнах31,32. CGRP высвобождается из нейронов при химической или электрической стимуляции33,34. Исследования путей, ведущих к высвобождению CGRP, и местоположения этой активации имеют решающее значение для понимания патофизиологии мигрени. В течение последних 5 десятилетий доклинические исследования способствовали получению обширных знаний о передаче сигналов, связанных с мигренью, и способствовали разработке новых методов лечения35. Многие методы, учитывающие сосудистое и нейрогенное вовлечение, были модифицированы и применены в исследованиях мигрени. Можно упомянуть модели in vivo и in vitro артериальных реакций на биологические соединения или фармакологические методы лечения 17,36,37 и электрическую стимуляцию нервов 38,39. Кроме того, активированные нейроны в ТНК могут быть обнаружены по экспрессии c-Fos 40,41,42 и электрофизиологическим записям в этой области 43,44. Оба метода измеряют ноцицептивные сигналы, передаваемые в мозг от головы, например, dura mater. Использование только одной доклинической модели не дает полной картины мигрени патофизиологии. Поэтому важно комбинировать различные модели, охватывающие как можно больше аспектов патофизиологии мигрени. Продолжающаяся разработка новых моделей охватит различные аспекты механизмов мигрени, и со временем тайна патофизиологии мигрени будет раскрыта.
Здесь представлен подробный протокол метода высвобождения CGRP, выполняемого ex vivo в изолированных ТГ и ТНК у мышей после химической стимуляции. Высвобождение CGRP также может быть изучено в твердой мозговой оболочке у крыс. Таким образом, в экспериментальном протоколе для крыс твердой мозговой оболочки описан вместе с ТГ и ТНК. Основа для метода высвобождения CGRP была впервые описана в 1999 году, когда Эберсбергер и его коллеги провели новаторские исследования и обнаружили, что CGRP высвобождается из твердой мозговой оболочки после химической и электрической стимуляции дуральных афферентов у крыс45. Позднее этот подход был распространен на выпуск CGRP из TG46 и TNC47. Впоследствии метод модифицировали для применения к ТГ и ТНК у мышей. До сих пор высвобождение CGRP из твердой мозговой оболочки было сложной задачей у мышей.
Описанный метод был разработан после исследований, показывающих важность CGRP в патофизиологии мигрени. Он хорошо подходит для исследования механизмов, участвующих в высвобождении CGRP из тройничной системы, что имеет решающее значение для передачи сигналов боли в области головы. Количество CGRP, полученное в этой модели, непосредственно измеряет высвобождение CGRP из тройничных нервов, иннервирующих твердую мозговую оболочку, TG и TNC. Количество высвобождения CGRP количественно больше45,54, чем высвобождение, измеренное в плазме после термокоагуляции у человека, стимуляции тройничного нерва у кошек 39,55,56 и во время приступов мигрени 23. Одним из объяснений может быть то, что CGRP разбавляется и разлагается в крови54. Однако следует отметить, что прямая стимуляция химическими веществами может превосходить патофизиологическую активацию. Дополнительные преимущества заключаются в том, что можно обнаружить высвобождение из трех различных участков в тригеминосудистой системе и что его можно использовать вместе с фармакологическими манипуляциями и в тканях генетически модифицированных грызунов.
В последнее время многие доклинические модели грызунов фокусируются на системном введении веществ и последующих показаниях, связанных с болью или мигренью, с использованием тестирования фон Фрея 57,58, гримасничания 59,60,61 или легкого отвращения 62,63,64. Эти методы полезны для понимания болеутоляющих и обезболивающих свойств различных веществ. Однако эти подходы не дают никакой информации о конкретных тканях-мишенях. В настоящем способе тригеминоваскулярная система делится на три структуры: твердая мозговая оболочка, ТГ и ТНК. Это позволяет проводить локальное воздействие на каждую структуру и оценивать место действия конкретного вещества. Это было использовано в исследовании 2011 года, где была изучена роль кальциевых каналов с напряжением у крыс, и было обнаружено, что ингибирование этих каналов различно в трех структурах тригеминосаскулярного пути47. При рассечении структур нервной системы аксотомия неизбежна. Было показано, что аксотомия изменяет транскрипцию различных генов65. Эти транскрипционные изменения слишком медленны, чтобы повлиять на результаты этого метода, но изменения фосфорилирования не могут быть исключены по сравнению с ситуациями in vivo 46. Хотя нейропептиды, такие как CGRP, образуются в клеточной соме, высвобождение и действие нейропептидов обычно происходит на центральных или периферических нервных окончаниях. Таким образом, исследования интактных нейронов, включая терминалы, интересны при изучении высвобождения нейропептидов. Поэтому методы изучения культур нейронов из изолированных ганглиев были созданы для того, чтобы служить моделью терминалов. Однако культуры нейрональных клеток подвержены нескольким проблемам, поскольку механическая диссоциация может разрушать нейроны в культуре46. Более длительные временные рамки, связанные с культивированием клеток, делают этот метод чувствительным к транскриптомическим изменениям, обусловленным аксотомией и условиямикультивирования 65. Кроме того, добавление факторов роста и культивирование на поверхностных покрытиях изменили свойства нейронов в качестве трансмиттера и экспрессии рецепторов 66,67,68,69. Этих проблем можно избежать при изучении свежеизолированных интактных ганглиев вместо культур нейрональных клеток.
Одной из проблем с методом высвобождения ex vivo CGRP является точное рассечение ткани, необходимой для воспроизводимых результатов. Особенно точное вскрытие ТНК является сложной задачей, поскольку это структура внутри ствола мозга без видимых границ. Кроме того, твердая мозговая оболочка является хрупкой, и удаление мозга должно быть тщательно проведено, чтобы обеспечить неповрежденную структуру. Эти препятствия могут привести к изменению размера ткани и, таким образом, к изменению базальных и стимулирующих уровней CGRP. Однако это изменение может быть объяснено нормализацией базального высвобождения CGRP. Следует также отметить, что при выделении ТНК от мышей выделяется вся нижняя часть ствола мозга, а не более конкретная ТНК-содержащая часть, как это делается у крыс. В целом, использование ткани крысы может быть преимуществом, так как это позволяет измерять высвобождение CGRP из твердой мозговой оболочки и более точно рассечение ТНК. Кроме того, размер ткани также позволяет использовать крысу в качестве контроля транспортного средства, поскольку одна крыса приводит к двум половинкам черепа, двум ТГ и двум ТНК, где один кусок ткани используется для стимуляции вещества, а другой – для транспортного средства. При использовании мышей для одного эксперимента необходимы два животных, так как оба ТГ объединяются в один образец, а ТНК препарируются как один ствол мозга. Таким образом, два ТГ и один ствол мозга используются для стимуляции веществ, а два ТГ и один ствол мозга от другой мыши используются для управления транспортным средством. Это приводит к использованию в два раза большего количества мышей по сравнению с крысами для получения такого же количества реплик. Чтобы уменьшить количество используемых мышей, был предложен метод измерения высвобождения CGRP из срезов ствола мозга49. Преимуществом является то, что метод был модифицирован для обеспечения возможности использования мышей. Это позволяет использовать многие уже доступные трансгенные штаммы мышей, полезный инструмент для изучения, например, сигнальных путей. Положительный контроль в конце эксперимента должен быть включен, чтобы гарантировать, что ткань, используемая в эксперименте, может высвобождать CGRP. Положительным контролем может быть агонист TRPV1 капсаицин или деполяризующий стимул калия (KCl), которые, как было обнаружено, высвобождают CGRP из тригеминосудистой системы как у мышей, так и у крыс 46,47,48,49,50. Кроме того, метод также был адаптирован для измерения высвобождения других соответствующих пептидов в виде аденилатциклаз-активирующего пептида гипофиза (PACAP) – еще одного пептида, представляющего большой интерес в рамках исследования мигрени70.
Метод предоставляет полезный инструмент для исследования высвобождения CGRP из конкретных тканей-мишеней у крыс и мышей. Это относительно быстрый метод, который позволяет избежать проблем, связанных с культивированием нейронов. Протокол метода может быть легко модифицирован для изучения взаимосвязи концентрация-реакция или ингибирования ответа различными фармакологическими соединениями. Метод высвобождения ex vivo CGRP является одним из нескольких доклинических методов, полезных для изучения роли CGRP и других механизмов, связанных с высвобождением CGRP в патофизиологии мигрени.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа финансировалась Фондом Конфет.
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 |