机械冲突回避实验被用作评估小鼠疼痛敏感性的一种非反射性指标，可用于更好地理解多种小鼠疼痛模型中的情感-动机反应。
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摘要
摘要
疼痛包含感觉（伤害性）和情感（不愉快）两个维度。在临床前模型中，传统上使用反射性测试来评估疼痛，这些测试能够推断疼痛的伤害性成分，但对疼痛的情感或动机成分提供的信息较少。因此，开发能够捕捉这些疼痛成分的测试具有重要的转化意义。研究人员需要采用非反射性行为检测方法，在相应水平上研究疼痛感知。机械冲突回避（MCA）是一种成熟的自主性非反射行为检测方法，用于在三室实验范式中研究对有害机械刺激的动机反应。通过观察小鼠在面临有害刺激冲突时位置偏好的变化，可以推断强光与足部触觉刺激之间哪种更令人不愉快。本方案概述了MCA检测的一种改进版本，疼痛研究人员可将其用于理解多种小鼠疼痛模型中的情感-动机反应。尽管此处未具体描述，我们的MCA示例数据使用了足底注射完全弗氏佐剂（CFA）、部分神经损伤（SNI）以及骨折/固定模型作为疼痛模型，以展示MCA操作流程。
引言
疼痛是一种包含感觉和情感成分的复杂体验。疼痛感知阈值降低以及对热和/或机械刺激的过敏反应是这种体验的关键特征，刺激诱发的疼痛行为测试可捕捉这些特征（例如 Hargreaves 热敏感性测试和 von Frey 机械敏感性测试）1,2。尽管这些测试能够提供可靠且可重复的结果，但其局限性在于依赖于对有害刺激的反射性回撤反应。这使得人们开始质疑当前疼痛研究过度依赖此类测试的合理性。为此，疼痛研究领域近年来一直在探索可用于啮齿类动物疼痛模型的替代性或补充性行为学测试方法，以更好地捕捉疼痛的情感和/或动机成分。这些非诱发性、自主性或非反射性指标（例如转轮跑动、挖掘行为、条件性位置偏好3,4,5）正被逐步引入，旨在提高临床前疼痛研究结果的可转化性。
机械性冲突回避（MCA）实验最初由Harte等人于2016年描述6，主要应用于大鼠7,8，是对早期方法——位置逃避-回避范式的一种改进。在该方法中，通过在原本受动物偏好的暗室中施加后肢足底的有害刺激，促使动物产生有目的的行为以逃避或回避此类刺激9,10。与依赖观察者手动施加后肢有害刺激的方法不同，MCA实验迫使小鼠为逃离厌恶环境并进入暗室而必须面对潜在的有害刺激。该实验名称中的“冲突/回避”即源于这两种相互竞争的动机：一方面要逃离明亮区域，另一方面要避免足底受到有害刺激。MCA实验还具有条件性位置偏爱测试的一些特征，在后者中，疼痛缓解与环境线索的配对会引发行为改变，反映出动物对缓解疼痛或具有奖赏性质环境的偏好11。
从根本上说，所有这些实验都采用相似的方法：利用动物对一种厌恶环境相较于另一种的偏好变化，作为其情感/动机状态的指标。MCA 实验采用三室范式，包括一个明亮的腔室，随后是一个带有可调节高度探针的黑暗中间腔室，以及一个没有厌恶刺激的黑暗第三腔室。由于啮齿类动物天生厌恶强光，一只未受伤的小鼠通常倾向于逃向黑暗腔室12。在此示例中，逃避明亮环境的自然动机超过了对后肢刺激（即可调节高度的探针）的回避倾向，而这种刺激仅在黑暗环境中出现。相反，经历疼痛（例如由于炎症或神经病理性疼痛）的小鼠可能会选择在明亮腔室中停留更长时间，因为在持续的触觉过敏状态下，小鼠有动机避免机械探针带来的不适触觉体验。
本文介绍了一种改良版的MCA检测方法。我们对原始方法（最初在大鼠中进行6）进行了调整，使其适用于小鼠。此外，我们将测试的探针高度由六种减少至三种（距地面0、2和5 mm），以简化数据采集过程。该方法已在多种疼痛模型中得到验证，并使用已知镇痛药物进行了确认，结果表明疼痛的超敏反应和/或相关的感情与动机变化驱动了这些行为改变。与其他非反射性检测方法相比，该方法操作相对快速且具有良好的适应性，而其他方法通常需要多天的适应和训练过程1,2。结合其他疼痛评估手段，MCA可为疼痛的情感和动机维度提供有价值的见解。
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方案
所有涉及小鼠使用及相关操作的实验均经MD Anderson癌症中心和斯坦福大学的机构动物护理和使用委员会批准，严格遵守美国国立卫生研究院的 实验动物护理和使用指南。
1. MCA 构建
- 使用不透明白色亚克力板（厚度3 mm）制作腔室1，尺寸为125 mm × 125 mm × 125 mm（宽×深×高），用于侧壁、底面和顶面；前壁使用透明的3 mm厚亚克力板。提前使用专用亚克力胶水将各面牢固粘合。
警告：亚克力胶水属于危险品（易燃，蒸气有害，吞咽可能有害，可能刺激皮肤或眼睛）。此类胶水应严格按照制造商说明使用（即在通风良好的环境中佩戴适当的个人防护装备）。 - 将腔室1的盖子通过铰链连接，以便于放入和取出小鼠。在盖子内表面粘贴自粘式发光二极管（LED）灯带，提供约4800 lux的照明。
- 通过滑动不透明亚克力板到位或移出，将腔室1与MCA其余部分隔离开。
- 将MCA测试腔室（腔室2）制作成一个长270 mm、无照明的腔室，所有侧壁均采用半透明深红色亚克力板（厚度3 mm），顶部配有铰链盖。在腔室2的底面设置一个13 × 31阵列的2 mm孔，使一系列尖端直径为0.5 mm的钝头探针（例如钝化地图钉）可从中突出。
注：可使用120目砂纸块或类似工具将地图钉打磨成钝头。使用前先用温水加洗涤剂清洗，并用杀孢子消毒剂进行消毒。 - 通过在探针基板下方放置额外的亚克力板来调节探针高度（图1）。采用此方法，将设备配置为三种高度设置：0 mm、2 mm和5 mm。
- 作为钝化地图钉或类似材料的替代方案，可使用3D打印文件打印腔室2的底面和探针板（参见补充文件1：SpikeBed-MCA.stl，对应机械探针；以及补充文件2：MCA_baseplate.stl，构成腔室2的底面）。
注：若无法进行3D打印，可使用与制作设备壁相同的亚克力胶水将地图钉粘接到亚克力板上。 - 建议使用可清洗且生物相容性材料进行打印，例如尼龙12塑料或类似材料。
- 制作腔室3，尺寸为125 mm × 125 mm × 125 mm，为一个全封闭的无照明半透明深红色亚克力盒，置于与腔室1相对的一端。腔室顶部安装铰链盖，结构与腔室1和腔室2相似。该腔室作为腔室2中机械探针刺激下的暗区逃逸区域。
2. 小鼠MCA习惯化与测试
- 与所有涉及动物行为结果的实验一样，应全程采用适当的随机化和盲法，以尽量减少潜在偏倚。
注意：代表性结果使用8-12周龄的雄性和雌性C57BL/6J小鼠（Jackson Laboratories品系编号000664）获得。小鼠以每笼最多5只进行群养，可自由获取食物和水。 随意摄取 以及07:00至19:00的光照周期。MCA在光照期内的09:00至12:00之间进行。 - 在基线测试前一天，将小鼠与其笼内同伴一起置于MCA装置中适应5分钟（最少）至15分钟（最多），以促进其对整个设备的社会性探索。
- 在整个过程中，确保1号室的LED灯处于关闭状态，1号室与2号室之间的隔板保持打开，且探针设置为零高度（即不从2号室的底部伸出）。
- 如果研究中包含阴性对照动物（例如假手术或溶剂注射对照），可对小鼠进行基线测试（可选）。如有需要，可通过基线测试排除从未进入2号腔室的未受伤异常个体，但此步骤已被证明并非必需。若进行排除，应报告所有排除标准及被排除小鼠的数量。
- 测试开始前，将一台能够录制1080p视频的摄像机安装在三脚架上，调整位置使其从侧面完整拍摄整个MCA装置。调节视野范围，使MCA装置充满录制画面。
- 开始记录后，将一块手持式白板置于摄像头视野内，用以在视频开始时标注该动物测试的相关信息（如小鼠编号、探针高度、日期、时间点等）。
- 首次运行时，将探针高度设为零。将待测小鼠从其饲养笼转移至装有隔板门的1号实验舱内。启动一个在录制视频中可见的计时器。
注意：计时器可确保每次测试中各部分之间的时间间隔保持一致。 - 10秒后，打开1号腔室的LED灯。当小鼠在光照腔室内停留20秒后，移除1号与2号腔室之间的隔板。
- 观察动物2分钟。在测试进行期间，使用秒表测量潜伏期和/或停留时间。或者，也可在测试结束后分析视频录像。
注意：出于通量考虑及避免长时间暴露于厌恶刺激，设定截止时间为2分钟。 - 测量已确定的多个有用结果中的一项或多项（见下文； 图1建议在开始测试时分析全部5项结果指标，以确定在特定实验设置中哪些行为方面存在差异。
- 选项一：记录首次进入2号室的潜伏期。
选项二：记录穿过2号室超过一半距离的潜伏期。
选项三：记录在2号室内的总停留时间。
选项四：记录到达3号室（逃脱）的潜伏期。
选项五：类似于选项二，记录2分钟内在每个室内的总停留时间，并将其转换为比例。
注意：由于每个实验都是独特的，且可能受到疾病模型特有的生物学因素和行为变化的影响，研究者可根据自身情况尝试调整这些或其他测量方法。
- 选项一：记录首次进入2号室的潜伏期。
选项二：记录穿过2号室超过一半距离的潜伏期。
选项三：记录在2号室内的总停留时间。
选项四：记录到达3号室（逃脱）的潜伏期。
选项五：类似于选项二，记录2分钟内在每个室内的总停留时间，并将其转换为比例。
- 测试完成后，将小鼠放回其饲养笼中，用70%乙醇清洁MCA室，并使其完全干燥。
注意：在使用乙醇或消毒剂之前，通常可用纸巾相对容易地清除粪便颗粒。如果需要更彻底的清洁，可将第2和第3室拆卸后浸入温肥皂水中。 - 在以探针高度设为零的条件下完成同一批次所有小鼠的实验后，在机械探针底板下方插入一块3 mm厚的丙烯酸板，将探针高度调整为2 mm，重复步骤2.4.2至2.4.7。
- 在所有小鼠完成探针高度为2 mm的实验后，在探针底板下方插入第二块3 mm厚的丙烯酸板，并将探针高度设为5 mm，重复步骤2.4.2至2.4.7。
注意：使用该方法可在约2 h内完成8只小鼠的检测。若需更精确的给药后时间点（如药物时间过程实验），应使用较小的分组规模。 - 在测试结束后，使用消毒剂进行最终清洁。
- 在诱导疼痛过敏和/或药物处理后重复检测。
- 将每只小鼠在基线期的表现与其疼痛诱导后的表现进行比较。通过在相同时间点比较给予溶剂的动物与给予药物的动物，评估药理学干预的效果。
- 若动物在未达到预期结局指标的情况下即达到2分钟的时间上限，导致数据不呈连续性，则应进行非参数统计分析（例如 Mann Whitney U 检验）。
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结果
MCA 检测已成功应用于多种机制不同的小鼠疼痛模型。图2展示了以穿过2号腔室中点作为主要观察指标的结果（图2A）。在神经病理性疼痛的备用神经损伤（SNI）模型中，使用5 mm探针高度时，以中点为指标获得的数据与以逃逸至3号腔室为指标的数据非常相似，分别为约40 s和约45 s13。
在CFA诱导的炎性疼痛模型中，对照组小鼠后肢足底注射生理盐水后，其逃避潜伏期与基线相比无变化。单侧后肢足底注射CFA的小鼠在注射后第4天表现出逃避潜伏期显著延长，但仅在探针高度升高至5 mm时观察到该现象。关键的是，在测试开始前90分钟腹腔注射NSAID药物卡洛芬（carprofen，10 mg/kg）的小鼠中，5 mm高度下的逃避潜伏期延长现象并未出现（图2B）。
创伤性神经病理性疼痛的 spared nerve inju...
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讨论
与所有行为学实验一样，在整个实验过程中，对动物进行正确的操作、随机分组以及对处理方式实施盲法至关重要。鉴于复杂行为和决策受到多种因素的影响，必须尽可能一致地进行动物操作、适应性训练和测试，同时尽量减少动物的应激反应。此外，还应注意保持小鼠放入1号箱的时间、LED灯开启时间以及移除隔板时间的一致性，因为这些环节的差异可能会影响后续行为表现。
需要注意的是，图1A 中所示的不同结果指标之间存在相互关联。例如，小鼠进入2号腔室后通常会穿过该腔室的中点，并几乎总是最终逃逸至3号腔室。这意味着结果指标I、II和IV彼此相关。结果指标III和V分别测量在2号腔室的总停留时间以及在所有3个腔室中停留时间的比例，因此这些指标也密切相关。然而，理论上，无论小鼠穿过中点或逃入3号腔室的潜伏期较短、较长，或甚至未发生上述行为，其在2号腔室仍可能累积较长的停留时间。
已有多种该方法的变体或改良方案被报道。除了此处列出的不同结果测量指标（图1
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披露
作者无相关利益冲突可披露。
致谢
GM 获得 NDSEG 研究生奖学金的支持。VLT 获得美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（NIH NIGMS）资助号 GM137906 以及丽塔·艾伦基金会的支持。AJS 获得美国国防部资助 W81XWH-20-1-0277、W81XWH-21-1-0197 以及丽塔·艾伦基金会的支持。我们感谢华盛顿大学医学院的 Alexxai Kravitz 博士设计并免费提供用于制造腔室 2 底板和探针板的 3D 打印文件。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 32.8 英尺 3000K-6000K 可调白光 LED 灯带，可调光超亮 LED 灯条，带 600 颗 SMD 2835 LED | 麻风病 | SKU: 410087-DWW-US | 用于照明室1。https://www.lepro.com/32ft-dimmable-tunable-white-led-strip-lights.html |
| 3D打印“刺状床”和“腔室2底板” | Shapeways | N/A | 可选，可用于机械探针，作为钝头地图图钉的替代品。 |
| 70% 乙醇 | 各种 | N/A | 在小鼠之间清洁大脑中动脉 |
| 丙烯酸铰链 2 | TAP Plastics | N/A | 用于将腔室盖固定到后壁。https://www.tapplastics.com/product/plastics/handles_hinges_latches/acryl_hinge_2/122 |
| Chemcast 透明丙烯酸板 | TAP Plastics | N/A | 3 mm 厚，用于腔室 1 的前壁。https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_cast_clear/510 |
| Chemcast 透明彩色丙烯酸树脂，透明深红色 - 50% | TAP Plastics | N/A | 3 毫米厚，50% 透光率，用于第 2 和第 3 腔室的壁和盖板。https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_transparent_colors/519 |
| Chemcast 透明型 && 不透明彩色浇铸亚克力，标识不透明白色 - 0.1% | TAP Plastics | N/A | 3毫米厚。用于腔室1的侧壁和盖板。https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_color/341 |
| 消毒剂（例如 Quatricide） | Pharmacal Research Laboratories, Inc. | 65020F | 在测试结束后对MCA进行消毒。 |
| 白板笔和白板 | 各种 | N/A | 在视频片段开头添加实验信息。 |
| 地图标记 | 各种 | N/A | 可选，适用于机械探针。使用前用砂纸磨钝尖锐部分。可替代3D打印部件。 |
| 纸巾 | 各种 | N/A | 清洁/消毒MCA。 |
| SCIGRIP Weld-On #3 丙烯酸粘合剂 | TAP Plastics | N/A | 用于将亚克力板组装成腔室并固定铰链。https://www.tapplastics.com/product/repair_products/plastic_adhesives/weld_on_3_cement/131 |
| 秒表 | 各种 | N/A | 实时或从录制的视频中记录逃避潜伏期/停留时间。 |
| 计时器 | 各种 | N/A | 为确保LED开启，障碍物移除与测试完成的时间需保持一致。 |
| 摄像机 | 各种 | HDRCX405 Handycam 摄录一体机 | 在MCA装置中记录小鼠行为。可使用任何能够达到1080p分辨率的消费级视频摄像机替代。 |
| 三脚架 | 法迈尔 | N/A | 任何能够在实验台高度固定相机以录制MCA影像的三脚架均可使用。 |
参考文献
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