在美国,约有300万至800万人患有间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS),这是一种以盆腔疼痛为主要特征的致残性疾病。为了研究神经系统对该疾病的作用,研究人员在小鼠和大鼠中采用了一种尿路膀胱疼痛的生理学模型。
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在美国,约有300万至800万人患有间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS),这是一种以盆腔疼痛为主要特征的致残性疾病。为了研究神经系统对该疾病的作用,研究人员在小鼠和大鼠中采用了一种尿路膀胱疼痛的生理学模型。
在美国,约有300万至800万人患有间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS),这是一种致残性疾病,其特征是排尿急迫感和频率增加,以及夜尿增多和普遍的盆腔疼痛,尤其在膀胱充盈或排空时加重。尽管经过多年的研究,IC/BPS的病因仍不明确,现有的治疗策略也无法为患者提供完全的缓解。为了研究神经系统对该疾病的作用,已开发出多种动物模型以模拟IC/BPS相关的疼痛和症状。其中一种小鼠模型为尿道膀胱扩张(UBD)。在此模型中,向轻度麻醉动物的膀胱内以特定压力输送压缩空气,持续一定时间。在整个操作过程中,插入腹直肌上斜部的电极记录肌肉的电活动。这种活动被称为内脏运动反应(VMR),是伤害性感受的一种可靠且可重复的测量指标。本文中,我们描述了在小鼠中实施该技术所需的步骤,包括外科操作、生理信号记录和数据分析。利用此模型,可以揭示初级感觉神经元、脊髓二级传入神经元以及参与膀胱疼痛的高级中枢神经系统区域之间的协调机制。这些基础科学知识随后可被转化为临床应用,用于治疗IC/BPS患者。
慢性疼痛被正式定义为持续约三个月或超过正常组织愈合时间的疼痛1。这类疼痛是人们寻求医疗帮助的主要原因之一2,每年可能造成高达6350亿美元的经济损失3。目前应对慢性疼痛的策略被认为较为陈旧;尽管医学已发展数十年,非甾体抗炎药(NSAIDs)和阿片类药物仍是医生主要开具的治疗手段。然而,这些治疗方法以相同方式应对各种类型的疼痛,在全身范围内产生镇痛效果,而非针对特定疼痛的根本原因进行精准干预。为了更有效地帮助慢性疼痛患者,研究重点应转向最常见的慢性疼痛病因及其可能的特异性治疗方案。本文旨在描述一种用于深入理解间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(Interstitial Cystitis/Painful Bladder Syndrome, IC/BPS)的模型。
间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS)是一种影响数百万人的致残性疾病,主要见于40岁以上的女性4。IC/BPS的确切病因尚不明确,但其发病率与遗传因素5、特定饮食以及高压力水平相关6。IC/BPS的症状包括但不限于:尿急加重、排尿频率增加、膀胱充盈和排尿过程中出现隐痛、刺痛或烧灼样疼痛,以及夜尿增多7。出现这些症状的患者通常压力水平更高,并伴有更明显的焦虑情绪8。这种压力增加会加剧疼痛,从而进一步加重原有的压力水平。研究表明,在缓解泌尿疼痛的治疗后,患者的抑郁和焦虑水平有所下降,从而有效打破这一正反馈循环9。目前发现IC/BPS新疗法面临的主要挑战之一,是基础科学对膀胱疼痛机制的理解仍十分有限。
为了研究神经系统在该疾病中的作用,人们已开发出多种动物模型,以模拟间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS)相关的疼痛和症状。传统上,通过将芥子油、丙酮、脂多糖、盐酸和环磷酰胺等不同化学物质注入膀胱,可在动物体内诱导产生膀胱炎。然而,IC/BPS 患者的无菌尿液中并不存在外来物质,因此这些模型的有效性受到质疑。另一种泌尿系统疼痛的小鼠模型是尿道膀胱扩张(UBD)10。在该模型中,向清醒或轻度麻醉动物的膀胱内,在特定时间段内施加特定压力的压缩空气。在整个实验过程中,置于腹直肌上斜部的电极记录肌肉的电活动(通过肌电图(EMG))。这种电活动被称为内脏运动反应(VMR),是一种可靠且可重复的伤害性感受指标10。在健康人类志愿者中,类似的空腔器官扩张(例如 膀胱、直肠)会引起不适感,并显著增加主观疼痛评分11,12,这些特征常被用于诊断 IC/BPS。因此,结合电刺激、药理学以及光遗传学的激活或抑制方法,UBD 成为研究膀胱伤害性感受和疼痛中外周与中枢神经系统成分的一种有效且可靠的模型。
在此,我们描述了目前在常用小鼠品系 C57Bl/6J 雌性个体中进行 UBD 的操作步骤。由于雄性小鼠导管插入过程存在技术困难,该操作主要在雌性小鼠中实施。本方案改编自 Ness 所建立的方法。 等10 以及先前由我们实验室发表的研究13以下方案描述了在麻醉动物中实施该模型的四个主要组成部分:(1)膀胱插管与记录电极手术;(2)部分麻醉诱导;(3)膀胱扩张及排尿相关肌电反应(VMR)记录;(4)原始VMR/EMG信号的数据分析。下文将讨论因实验生物选择、麻醉深度与诱导方式以及体温控制等因素导致的UBD-VMR操作中的细微差异。
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以下方案已获得杜肯大学机构动物护理和使用委员会的批准,并符合美国国立卫生研究院的指导方针。
1. 使用无菌技术手术植入导线电极和膀胱导管(总耗时 5-10 分钟)
2. 局部麻醉逐步操作流程 (总时长约75分钟)
以下麻醉方案已获得杜肯大学机构动物照护与使用委员会的批准,并符合美国国立卫生研究院的指导方针。
3. 在梯度压力(15–75 mmHg)膀胱扩张期间进行肌电图(EMG)记录 (总时长——根据实验情况而定)
4. 原始肌电图信号的分析
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整体UBD-VMR装置的示意图如图所示 图1A。逐步增加压力会诱导原始VMR升高(即 肌电图 (EMG)图1B。使用数字化软件记录过程中应观察到的原始视觉运动反应(VMR)、压力及刺激标记信号如图所示 图2上方通道可见于 图2 是肌电图(EMG)信号(单位:V)。EMG 信号的背景信号应稳定且幅值较低(<0.2 V)。如果背景信号过高或包含零星的大尖峰(>0.5 V)时,可能需要调整导线和放大器设置。在某些情况下,将导线(从小鼠到放大器和/或从放大器到数字转换器)用铝箔包裹可减少部分噪声。中间通道在 图2 显示由定时压力调节器以 mmHg 为单位量化的压力信号。请注意,信号起始呈曲线状,这是因为膀胱完全扩张并非瞬时完成。一旦压力信号达到该次试验的最大值(例如 75 mmHg 图2),压力应保持在该最大值。有时,空气会从导管周围的尿道泄漏。这种情况在高压时最常发生(例如. ...
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在人类中,间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征(IC/BPS)是一个重要的临床问题,因为患者会出现严重的疼痛,且这种疼痛通常对常规止痛治疗无反应15。理解并最终治疗慢性膀胱疼痛的主要挑战之一,在于阐明在有害膀胱扩张反应中所涉及的正常神经过程。为了克服这一挑战,需要建立一种膀胱疼痛的动物模型。该模型应具有可重复性、稳定性,并易于测量。幸运的是,Ness 及其同事10开发了一种可用于研究对有害膀胱扩张产生生理反应的系统。
系统设置简单,主要使用现成的硬件和软件即可完成。UBD VMR 系统中唯一主要的定制设备是定时压力调节器。该设备对气压进行模数转换,并向数字化硬件发送刺激起始标记。使用定时压力调节器可极大地简化数据分析,因为它能自动将压力刺激与记录的肌电图(即 VMR)同步。这一点非常重要,因为 VMR 并不一定在膀胱首次扩张时立即开始,且通常在扩张结束后的短时间内(<5 秒)仍持续存在。尽管如此,只要进行精确同步,研究人员也可轻松使用一个开关式调节器来控制扩张的开启与关闭,并配合一个与记录的肌电图信号同步的计时器来完成 ...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Robert Gereau、Henry Lai 和 Lara Crock 博士在建立该系统过程中提供的有益帮助。我们还感谢本研究的资助来源(BJK——由 INGER & JENS BRUUN 创立的 Scan|Design 基金会通过国际疼痛研究协会颁发的早期职业研究资助,以及杜肯大学 Hunkele 恶性疾病基金)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 红外加热毯及监测系统 | Kent Scientific | Right-Temp System | 该系统可同时监测两个独立的温度 ,应包括动物体温和加热毯温度 。此外,系统可自动调节温度以维持设定值 。然而,此自动功能在肌电图(EMG)记录期间会产生电干扰,必须关闭 。Kent 可为实验中的 riEMG 记录阶段提供加热垫用的电池组。 |
| 异氟烷蒸发器 | Draeger | Vapor 19.1 | 任何异氟烷蒸发器均可使用,但最好选择在 0–2% 异氟烷范围内具有多个调节档位的型号。 |
| 异氟烷 | 多个来源 | n/a | |
| 100% 氧气气罐 | 多个来源 | n/a | 用于动物通气 |
| 呼吸级空气 | 多个来源 | n/a | 用于膀胱扩张 |
| 24 G 0.56 英寸静脉导管 | BD Biosciences | 381411 | 用于膀胱插管 |
| 外科润滑剂 Surgilube(无菌) | Savage Laboratories | 0281-0205-02 | 任何外科级润滑剂均可适用。 |
| 矿物油(无菌) | 多个来源 | n/a | |
| 生理盐水(无菌) | 多个来源 | n/a | |
| AG8W 银丝,2 米,0.20 毫米(0.008 英寸)直径,无绝缘层 | Warner Instruments | W4 64-1318 | 任何符合上述规格的银丝均可使用 。导线无需"氯化处理"。 |
| 眼科软膏 | 多个来源 | n/a | |
| 小型手术剪刀 | 多个来源 | n/a | |
| 尖头镊子 | 多个来源 | n/a | |
| 21 G 针头 | 多个来源 | n/a | |
| Grass 放大器 P511 配三导输入电缆 | Grass Instruments | P511 (F-P5IC3/REV1) | 这是本实验方案中使用的"放大器" 。放大器设置如下:校准器 = 1 mV;低频 = 300 Hz;放大倍数 = 20;高频 = 10 kHz;线路滤波器 = 开启。 |
| Cambridge Electronic Design (CED) 1401 Plus(或等效设备) | Cambridge Electronic Design | 1401 Plus | 这是本实验方案中使用的"数字化仪" 。来自 WINDAQ 或其他公司的其他数字化系统也可使用;需具备压力信号、肌电图(EMG)和刺激信号的输入通道。 |
| CED Spike2 软件 | Cambridge Electronic Design | Spike 2 | 这是本实验方案中使用的"数字化软件" 。应与数字化仪为同一制造商 。程序应设置为三个通道:压力通道(0–100 mmHg 范围)、EMG 信号通道(通常为 -5 至 +5 V 范围)和刺激标记通道(0–2 V 范围)。 |
| 从气罐至膀胱导管的流程图 | n/a | n/a | 从加压空气罐连接至动物膀胱的顺序: 气罐 → 1/4 英寸管路 → Gilmont 流量计 → Y 型连接器 。Y 型连接器的分支 1 接血压计 。分支 2 接四通阀的单个输入口 → 四通阀输出口 → 定时压力调节器 → 从定时压力调节器引出的 3/32 英寸管路 → 第二个 Y 型连接器(分支 1 接血压计),其分支 2 经 3/32 英寸管路 接第三个 Y 型连接器 。第三个 Y 型连接器的分支 1 接第三个血压计,分支 2 接动物膀胱导管。 |
| Gilmont 流量计 | Gilmont | GF8321-1401 | 多种品牌的流量计均可使用 。用于膀胱扩张的空气,流量计应能承受高压(如该 Gilmont 流量计) 。用于呼吸空气时,流量应可调节至 100 ml/min(典型小鼠流速为 500–1,000 ml/min) 。 |
| 四通阀 | Elite | 这是一种特定设备 。Elite 四通阀原设计用于低压水族箱 。在膀胱扩张系统中,该阀可作为压力骤升时的安全阀 。初始开启气罐时压力过高会损坏定时压力调节器内的压力传感器和/或血压计。此外,该阀通过在系统中提供微小泄漏,使 10–80 mmHg 范围内的压力调节更加容易 。 | |
| 1/4 英寸管路 | 多个来源 | n/a | |
| 3/32 英寸管路 | 多个来源 | n/a | |
| "Y" 型连接器(1/4 英寸和 3/32 英寸) | 多个来源 | n/a | |
| 血压计 | CVS | 任何药店出售的模拟式血压计均可用于本应用 。 | |
| 定时压力调节器 | 定制 | 该设备为定制装置(由圣路易斯华盛顿大学机械车间制造),可实现自动压力输送,包括气压数字化、试验时长控制、试验间间隔自动化、试验次数控制以及刺激起始的数字信号输出 。然而,系统的基本功能(在特定试验周期内控制压力的开启与关闭)也可通过简单的在线开关实现 。此类模拟控制方式将需要额外的分析参数(见实验方案第 4 部分) 。此外,在数据分析过程中需根据模拟血压计手动设定压力值 。 | |
| IGOR Pro | Wavemetrics | n/a | 用于肌电图(EMG)信号分析。此类实验中可使用多种不同类型的软件进行数据分析。 |
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