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利用口面部操作性疼痛检测法评估大鼠神经损伤诱导的机械性痛觉过敏

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DOI：

10.3791/64221

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2022年7月26日

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1Department of Oral and Maxillofacial Surgery, University of Florida, Gainesville, 2Department of Orthodontics, University of Florida, Gainesville, 3Stoelting Co. Wood Dale

本文内容

摘要

本方案描述了使用基于操作行为的口面部疼痛评估装置，在神经病理性口面部疼痛大鼠模型中评估机械性痛觉过敏的方法。

摘要

疼痛包含感觉和情感两个方面。与传统的基于反射的疼痛检测方法不同，操作性疼痛检测能够通过评估啮齿类动物疼痛的认知和动机成分，获得更具临床相关性的结果。本文介绍了一种利用口面部操作性疼痛系统评估大鼠眶下神经慢性压迫损伤（CCI-ION）后机械性痛觉过敏的实验方案。在进行CCI-ION手术前，大鼠需在口面部疼痛评估装置（OPAD）中接受训练，学习在面部接触金属带刺栏杆和舔管的同时饮用甜炼乳。

在该实验中，大鼠可以选择获取牛奶作为正向强化刺激，或逃避由奖励获取孔两侧垂直排列的小金字塔形尖刺产生的厌恶性机械刺激。在OPAD中训练2周并进行CCI-ION手术前，每只大鼠在为期10分钟的测试阶段中连续5天记录基线机械敏感性数据。在测试阶段期间，操作式系统会自动记录奖励瓶激活次数（舔舐次数）和面部接触次数、接触持续时间以及首次舔舐的潜伏期等其他指标。

在完成基线测量后，大鼠接受了CCI-ION或假手术处理。在本方案中，通过测量舔舐次数、首次舔舐潜伏期、接触次数以及舔舐次数与面部接触次数的比值（L/F）来量化机械性痛觉过敏。结果显示，CCI-ION导致舔舐次数和L/F比值显著降低，同时首次舔舐潜伏期增加，表明出现机械性痛觉过敏。这些数据支持在临床前疼痛研究中采用基于操作行为的疼痛检测方法来评估机械性疼痛敏感性。

引言

慢性疼痛每年影响数百万美国人1。遗憾的是，慢性疼痛的治疗具有挑战性，因为现有疗法在缓解慢性疼痛方面相对效果有限，且长期使用常伴随不良副作用2,3,4。传统的临床前疼痛检测方法（如von Frey检测）依赖于反射性结果或疼痛刺激引发的反应5。尽管von Frey检测已被使用数十年来测量机械性异常性疼痛，但它容易受到多种混杂因素的影响，尤其是实验者偏倚6。此外，使用von Frey检测评估口面部疼痛也存在问题，因为在检测面部区域时需要对动物头部进行较强程度的固定，这可能引起不必要的应激效应，例如加剧疼痛，或相反地引发应激性镇痛。

疼痛刺激引起的行为也容易出现假阳性结果7，且无法反映疼痛的情感成分，而这一成分在人类的疼痛体验中至关重要8。因此，人们日益关注使用操作性疼痛模型来评估因疼痛而受到抑制的行为，以涵盖疼痛的感觉和情感双重成分，从而提高临床前测试的内容效度和预测效度。本文所述的操作性口面部疼痛评估方法基于奖赏冲突范式9,10,11。在此方法中，实验动物可在获得正向强化刺激与承受伤害性刺激之间进行选择，或放弃奖赏以避免伤害性刺激，从而自主控制其经历的疼痛程度。与传统的疼痛检测方法不同，基于操作行为的检测方法不依赖实验者干预，且不会因药物的不良镇静作用而产生假阳性结果。

来自头面部的有害刺激由三叉神经的眼支、上颌支和下颌支传导。三叉神经的损伤或炎症会增加感觉神经元对热或机械刺激的敏感性12,13,14,15。基于操作行为的口面部疼痛检测方法可对啮齿类动物三叉神经传导的热或机械性口面部疼痛进行自动化测量11,12,16,17,18。在使用OPAD检测口面部区域的热和机械性异常性疼痛与痛觉过敏时，施加非伤害性与伤害性刺激之间的区别至关重要，因为它们可能代表了不同潜在机制的表现。

在口面部热刺激实验中，动物会将面部贴在光滑的温度探头上来获取奖励。这些温度探头可设定为不同的冷、温及热温度，从而可在中性或伤害性刺激条件下评估动物行为。在口面部机械刺激实验中，动物在操作式测试中将面部贴在带刺的杆上；由于这些尖刺会引起一定程度的不适，当动物面部接触尖刺时，其饮水量可能低于接触温度探头光滑表面时的情况。因此，操作式口面部机械实验可用于评估不同程度机械性伤害性刺激的影响。我们此前已证明，操作式口面部镇痛检测（OPAD）是一种有效且可靠的方法，可用于评估急性热9以及急性机械19伤害感受和痛觉过敏。

本文报道了使用新开发的OPAD版本来评估机械性伤害感受和痛觉过敏。此外，通过验证实验，我们证明了CCI-ION可诱导产生慢性神经病理性疼痛，从而在OPAD中引发可预测的行为反应。本文还详细介绍了如何使用OPAD及其配套软件快速获取和分析啮齿类动物的行为学数据。

方案

所有实验程序均经佛罗里达大学机构动物照护与使用委员会批准，并符合《美国国立卫生研究院实验动物照护与使用指南》中规定的要求。本文描述了使用OPAD评估神经病理性口面部疼痛大鼠模型的机械性痛觉过敏。研究中使用的时间线示意图见图1。所有行为学评估均由女性实验人员完成。

1. 动物

  1. 将雌性Sprague-Dawley大鼠（每组8只，150–200 g）成对饲养于温度可控的房间内（22 °C ± 1 °C），光照-黑暗周期为12小时:12小时。自由供应食物和水 随意摄取将大鼠在设施中饲养5天以适应环境，然后进行实验。
  2. 每周同一天的相同时间（上午9点至11点）进行操作性疼痛检测。
  3. 实验结束后，在异氟烷麻醉后通过断头处死大鼠。

2. 设置 OPAD

  1. 将接奶滴盘、有机玻璃笼和金属地板格栅放置在 OPAD 上。将电线连接到笼子上。将瓶架滑到设备后部的金属杆上。
  2. 通过打开一罐甜炼乳并将其倒入 1 L 烧杯中，制备水与甜炼乳体积比为 2:1 的奖励溶液。向 300 mL 炼乳中加入约 600 mL 自来水。先用勺子搅拌溶液，然后使用搅拌子和加热磁力搅拌器继续搅拌。随后，用该乳液填充奖励瓶，并将储备乳液保存在 4 °C 环境中。
    注意：用塑料保鲜膜覆盖储备乳液。每次使用前需将乳液加热。冰箱中的储备乳液在一周后可能发生凝结。一旦发生凝结，可能堵塞舔管。因此，应丢弃该溶液并重新配制新的储备液。
  3. 将奖励用乳瓶放在瓶架上，并调整位置，使动物能够触及瓶嘴。拧紧瓶架左侧的旋钮，以固定瓶子。
  4. 通过前方面板上的开关打开笼子电源。

3. 设置实验方案并创建实验文件

注意：首先，设置运行实验的方案。该方案描述了ANY-maze软件执行实验的方式。

  1. 打开软件，输入密码，然后单击 登录 或按 Enter 键。
  2. 单击 新建空白实验 | 方案 菜单。
    1. 选择该方案将使用的 模式 并为方案命名。在 设备 下，单击 未命名方案，点击 选择该方案将使用的模式 区域，在 设备专用模式 下选择 OPAD 机械笼模式，然后单击 确定。接着为方案命名（例如：OPAD 机械）。
    2. 添加 OPAD 笼具。
      1. 在 设备 下，单击位于 方案 窗格顶部的 设备 | 添加项目 | 新建 OPAD 笼具 | 添加所有已连接的 OPAD 笼具。
        注意：在添加笼具前，请确保所有笼具均已开启。
    3. 添加实验测试阶段。
      1. 在 测试 下，单击 阶段 | 第一阶段 并为 阶段 命名（例如：基线第1天）。在 测试时长 中输入 10 min。如需添加更多阶段，请单击 添加项目（位于 方案 窗格顶部）| 新建阶段。
        注意：每个阶段代表进行一次检测的会话。例如，若进行10天训练，则需要10个阶段。测试时长可根据实验设计进行调整。
    4. 分配处理组。
      1. 在 附加信息 下，单击 处理组。勾选 使用处理组 | 用户将手动分配动物至各组。
        注意：所引用的软件（参见 材料表）也支持随机或按特定顺序分配动物。实验可设为盲法进行。如需查看已分配的处理组，请取消勾选 以盲法方式进行实验。
    5. 分配动物编号（ID）。
      1. 单击 方案 菜单；在 附加信息 下，单击 动物 ID，并勾选 使用我的编号来标识动物。
  3. 单击 实验 菜单。
    1. 输入实验标题。
    2. 单击 查看处理组 以命名处理组，并输入处理组名称（例如：处理组1：CCI-ION，处理组2：假手术）。
    3. 单击 查看动物 | 添加动物 以添加动物并分配处理组及动物编号，输入将要测试的动物数量，然后单击 确定。等待动物列表出现后，为每只大鼠输入动物编号和对应的处理组。
      注意：在研究开始时，动物编号旁显示的 状态列表 将被设为 正常。后续可通过将其状态更改为 退役 或 删除，将动物从测试计划中移除。
  4. 单击 方案 菜单 | 保存方案（位于 方案 窗格顶部）以保存方案。输入 文件名、软件（ANY-maze）密码，然后单击 保存。
    注意：已保存的方案可用于新的实验。
  5. 单击 文件 | 保存 以保存实验文件，输入软件密码，然后单击 保存。

4. 训练与基线测试阶段

注意：如果行为测试室与动物饲养设施位于同一地点，请至少提前15分钟将大鼠带入房间。如果大鼠需转运至动物设施外的测试室，则需给予1小时时间以适应环境。

  1. 在基线记录之前，将大鼠在OPAD设备中训练2周（每周5天，每天10分钟），使其学会将面部贴向金属带刺栏杆以获取牛奶溶液。
    注：带刺栏杆及大鼠执行检测的代表性图像见图2。
  2. 设置OPAD设备。
  3. 使用前面板上的开关打开笼子。观察笼子上的绿色指示灯，绿色表示笼子已准备就绪，可以开始测试。
  4. 双击保存的实验文件以打开，输入密码，然后单击登录或按回车键。
  5. 等待测试菜单出现。在屏幕左侧，记录待测动物的数量及其对应的笼子编号（例如，动物1将在1号笼中测试）、当天将要运行的阶段以及测试状态（"就绪"）。在屏幕右侧，观察每只动物的图表，显示舔舐次数和接触次数。
  6. 观察笼子屏幕，确认待测动物的ID。将每只大鼠放入对应的笼子中，并按下笼子上的按钮两次。注意，测试开始后绿色指示灯将变为橙色，测试会话结束时会听到警告音。
  7. 在训练的前两天，将牛奶瓶完全放入笼内，使大鼠在不接触刺激物的情况下饮用牛奶。
  8. 训练第3至8天，当动物开始饮水后，逐步将瓶子向后移动，促使大鼠将面部贴向带刺栏杆。
  9. 训练第9至10天，当动物能够完全贴紧带刺栏杆且舔舐次数稳定（在10分钟测试期间至少达到500次舔舐）时，记录每只动物的牛奶瓶位置，并将此距离用于基线记录。
  10. 完成2周训练后，使用已确定的牛奶瓶距离连续采集5天的数据作为基线（每天10分钟）。

5. 口面部神经病理性疼痛的诱导及机械性痛觉过敏的评估

注意：在完成基线测量后，大鼠接受CCI-ION手术，该手术包括双侧眶下神经（ION）结扎，具体操作如前所述20。对照组大鼠接受假手术。手术过程中未使用术前或术后镇痛药物，因其可能改变神经病变的发展进程。警告：异氟烷废气必须通过活性炭罐收集处理。手术刀片和针头必须丢弃于生物危害废物容器中。

  1. 在诱导室中使用 O2（1 L/min）和 4% 异氟烷的混合气体麻醉大鼠，并在整个手术过程中通过专用鼻罩维持麻醉状态。
  2. 将麻醉后的大鼠置于手术工作台上并加以固定。使用加热垫维持体温在 37 °C。在眼睛上涂抹眼用软膏以防止角膜干燥。通过夹捏脚趾检查麻醉深度，当不再出现脚趾回缩反射时开始操作。
  3. 在体视显微镜下进行手术操作。使用牵开器打开口腔，并用小夹子牵拉嘴唇。
  4. 使用手术刀片（#15）在背侧牙龈与嘴唇之间做一个小切口。用刀片尖端轻轻切除软组织，以暴露三叉神经下颌支的一个分支（ION）。
  5. 使用钝头弯针将两根铬制肠线（#5-0）结扎于 ION 周围。
  6. 使用组织粘合剂关闭切口。
  7. 假手术组采用相同操作暴露 ION，但不进行神经结扎。
  8. 术后提供牛奶软化的啮齿类动物饲料持续 2 天，以促进进食并防止脱水。
  9. 术后次日开始在 OPAD 装置中对大鼠进行测试，连续测试 3 天，之后每周测试 3 天（例如每周二、周四和周五），持续数周，直至舔舐次数恢复至基线水平。
    ​注意：CCI-ION 诱导的机械敏感性持续时间可能受动物性别、品系以及实验操作者技术的影响。因此，指定固定的测试时长可能并不准确。相比之下，持续测试至舔舐次数恢复至基线值更为准确。

6. 清洁装置

  1. 测试结束后，单击右上角的 x 图标退出软件，并等待数据自动保存。
  2. 使用前面板上的开关关闭笼子。
  3. 从金属地板格栅上拔下电线。取下并用洗洁精清洗乳汁滴落盘、聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas）笼子、金属地板格栅和瓶架。将所有物品放在晾干架上。
  4. 使用70%异丙醇擦拭金属尖刺杆、测试装置和实验台。
    ​注意：仪器需小心操作。清洗奶瓶和舔管时应使用软毛刷。设备不洁可能导致细菌积聚。

7. 数据分析

  1. 双击实验文件以打开。
  2. 点击 结果 菜单，选择要查看的指标（例如舔舐、接触）或测试日期。
  3. 点击 结果 面板顶部的 文本、图表 或 统计，以查看文本报告、图表或统计分析结果。
  4. 如需查看原始数据，请点击 数据 菜单。点击数据面板顶部的 保存，可将数据保存为电子表格，或点击 发送 通过电子邮件接收数据。
  5. 如需更改或添加更多查看变量，请点击 选择数据，选择相应指标，然后点击 查看电子表格。
  6. 统计分析
    1. 通过软件自动提取舔舐次数、接触次数以及首次舔舐的潜伏期，并将数据导出至电子表格。
    2. 通过将舔舐次数除以接触次数来计算 L/F 比值，作为高敏感性的指标21,22,23。
      注：本研究中，假手术组中一只大鼠因术前舔舐次数过低（<500 次）被排除。
    3. 采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated measures ANOVA），随后根据情况使用 Dunnett 多重比较检验或 Šídák 多重比较检验，分析 L/F 比值、舔舐次数、接触次数以及首次舔舐潜伏期之间差异的统计学显著性。
      注：P < 0.05 被认为具有统计学显著性。数据以均值 ± 均值标准误（SEM）表示。

结果

一只大鼠在基线期以及术后2周、4周和6周时对奖励瓶的舔舐行为及与金属带刺栏杆接触的示例展示于 图3在无痛刺激期间，大鼠通常会进行较长时间的饮水（例如在基线期以及眶下神经慢性压迫损伤（CCI-ION）后的恢复期：图中第6周）；而在CCI-ION术后，由于无法长时间将面部接触带刺的栅栏，舔水次数随之减少图3A)，假手术组的饮水周期未见显著变化（图3B).

与基线相比，CCI-ION大鼠在术后4周内舔舐次数显著减少，在手术当周（第0周）和术后1周首次舔舐的潜伏期均延长。假手术组未见显著变化（图4A，B）。CCI-ION导致接触次数减少，但该差异无统计学意义（图4C）。CCI-ION还引起舔舐/接触比值（L/F）显著降低，且CCI-ION组的降低程度大于假手术组（图4D）。

这些结果表明，在CCI-ION术后，大鼠的奖赏性牛奶饮用行为减少，且需要较长时间才进行第一次舔舐，提示存在伤害性防御行为。然而，CCI-ION并未影响它们获取牛奶的意愿。此外，CCI-ION大鼠的舔舐/嗅探比值（L/F）降低表明存在机械性痛觉过敏，因为在无痛条件下L/F比值更高。

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图 1：研究设计的示意图。 缩写：OPAD = 口面部疼痛评估装置；CCI-ION = 眶下神经慢性缩窄性损伤。 请点击此处查看该图的放大版本。

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图2：带刺杆件及大鼠执行实验的代表性图像。 带刺杆件由不锈钢金属制成。整个杆件的长度为7 cm。刺的高度为0.3 cm。刺之间的间距为0.5 cm。 请点击此处查看该图的放大版本。

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图3：在基线期以及术后2周、4周和6周的标准10分钟测试阶段中，单只CCI-ION大鼠和假手术大鼠的代表性接触尝试与舔舐行为数据。 缩写：CCI-ION = 眶下神经慢性缩窄性损伤；AS = 术后。请点击此处查看该图的放大版本。

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图4：Sprague-Dawley大鼠在CCI-ION后机械性痛觉过敏的发展。 (A) CCI-ION 大鼠（n = 8）在术后 4 周内舔舐次数显著减少，且（B) 一个 手术周（第0周）及术后1周首次舔舐潜伏期延长（**p < 0.01，*p < 0.05：术后周数与基线相比。#p < 0.05：CCI-ION 组与假手术组比较）。假手术组未见显著下降（n = 7，p > 0.05). (CCCI-ION 或假手术未导致接触次数出现显著变化。DCCI-ION 大鼠在手术当周及术后 3 周的 L/F 值显著降低，并在术后 2 周呈现下降趋势。与假手术组大鼠相比，CCI-ION 大鼠的 L/F 值降低更为显著，且自术后 1 周开始出现，持续至术后 3 周。假手术组之间无显著差异（**p < 0.01，***p < 0.001）。 < 0.01，*p < 0.05：术后周数 vs. 基线。# p < 0.05：CCI-ION 组与假手术组比较）。图中红线代表 CCI-ION 组，蓝线代表假手术组。数据以均值表示 ± SEM。显著性差异采用双向重复测量方差分析（ANOVA），随后根据情况选用Šídák或多组Dunnett比较检验进行分析。 请点击此处以查看此图的放大版本。

讨论

面部及口腔黏膜在无害性机械刺激下引发的疼痛是三叉神经痛和颞下颌关节紊乱等口面部疼痛疾病的重要特征24,25。尽管三叉神经病理性疼痛在临床上已有较充分的描述，但在啮齿类动物中评估神经病理性伤害性行为仍具挑战性。测量反射性行为的疼痛检测方法是临床前疼痛研究中最常用的技术。然而，测试装置相关应激、无法评估情绪状态以及实验者偏倚等问题，引发了人们对反射性检测方法的有效性和可靠性的担忧26。

本研究介绍了大鼠口面部区域机械敏感性的评估方法，展示了基于操作性行为的疼痛检测法对坐骨神经结扎损伤（CCI-ION）的敏感性。相同的操作性系统也可用于检测小鼠的机械敏感性。需要注意的是，不同品系的小鼠和大鼠对CCI-ION的反应可能存在差异，因此其机械性痛觉过敏的程度也可能不同。根据我们的经验，Sprague-Dawley大鼠通常在CCI-ION术后2周出现稳定的机械性痛觉过敏，术后4周开始恢复，至术后6周时已基本从手术影响中恢复。

在本实验方案中，通过测量舔舐次数、接触次数、舔舐/接触比值（L/F）以及首次舔舐的潜伏期来量化机械性痛觉过敏。实验数据显示，坐骨神经结扎损伤（CCI-ION）导致L/F比值和舔舐反应次数减少，同时首次舔舐反应的潜伏期延长，表明由于口面部疼痛敏感性增加，动物不愿将面部压向带刺的杆状物。

OPAD 是一种奖赏冲突实验，动物必须忍受伤害性刺激才能获得可口的奖励。该实验中的舔舐行为可能受到趋近动机行为的影响。此外，在本研究中，我们使用了面部有毛的实验大鼠。根据以往操作性疼痛实验的经验，在啮齿类动物中，无毛品系更有利于检测面部接触16；然而，在论文发表时，无毛大鼠品系已不再 commercially available。这可被视为本研究的一项局限性。由于我们仅使用了雌性 Sprague-Dawley 大鼠，因此应预期到疼痛反应中可能存在性别和品系相关的差异。

实验中还有一些关键步骤，以确保检测获得最佳结果。在参考软件中，舔舐和接触数据必须分别显示为实心红色块和实心白色块（见图3）。电极尖端与奶瓶之间的距离对实验成功至关重要。如果奶瓶尖端过于靠前，动物将无法接触到电极，软件将不能正确记录接触次数和舔舐次数。相反，如果奶瓶过于靠后，虽然接触信号可以被记录，但动物将无法接触到牛奶。在训练阶段，由于奶瓶尖端过于靠前，舔舐数据可能显示为实心白色块；当奶瓶向后推动后，其将变为实心红色块。如果出于某种原因，在先前记录的距离下舔舐数据开始显示为白色块，可尝试将奶瓶稍微向前推动，并轻微上下调整奶瓶支架的位置，可能有助于改善情况。

此处描述的口面部操作性疼痛系统可能存在若干局限性。啮齿类动物需要经过数周的训练。每次测试前，小鼠需要禁食，而大鼠则不需要。研究表明，未禁食小鼠的舔舐次数较低且不稳定，而禁食小鼠的表现则更为一致27。由于OPAD系统是一种奖赏-冲突模型，其结果可能受到动物摄食行为或影响食欲的药物的干扰。配备多套仪器有助于缩短整体测试时间，但可能会增加成本。然而，与传统的基于反射的检测方法相比，口面部操作性疼痛检测仍具有优势，因为它能够同时测试多只动物，并减少动物与实验人员之间的相互作用。

疼痛状态下的操作性条件反射根据行为后果调节人类和动物的行为28因此，采用奖赏冲突模型来评估疼痛状况具有优势，因为它允许动物执行操作性反应。这种方法在临床上更具相关性，因为操作性行为的特征涉及意图、动机以及通常所需的皮层加工。29由于动物会主动接近奖励瓶，且可随时从带刺的栏杆中自由退出，该方法整合了大脑的高级中枢，可用于评估与疼痛相关的情感-动机状态10因此，操作性疼痛检测在评估疼痛及镇痛药物时可提供更优越的数据 体内它们还有助于理解三叉神经系统中的伤害性感受过程，从而推动口腔面部疼痛领域的研究进展。

披露

John K. Neubert 和 Robert M. Caudle 是 OPAD 的发明人。Stoelting 公司是 OPAD 的制造商，Richard Mills 是 Stoelting 公司的员工。出版费用已由 Stoelting 公司 支付。Richard Mills、John K. Neubert 和 Robert M. Caudle 曾是 Velocity Laboratories 公司的所有者，该公司提供基于操作性疼痛检测的收费行为学测试服务。

致谢

本研究由面部疼痛研究基金会资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ANY-maze 视频追踪软件Stoelting60000
瓶刷ANYANY适用于瓶子和试管的不同尺寸刷子
5-0 号铬制肠线缝合线Ethicon687-G
洗洁精ANYANY液体
洗碗海绵ANYANY
GraphPad Prism 版本 9.3.1 GraphPad Software, San Diego, CA
加热磁力搅拌器Benchmark ScientificH4000-HS
异氟烷Patterson Veterinary07-893-8440Pivetal
异丙醇Fisher Scientific60-001-56
眼科软膏DechraPuralube Vet Ointment，矿脂眼科软膏
操作性疼痛评估装置（OPAD）系统Stoelting67500
氧气瓶医用
纸巾ANYANY
塑料食品保鲜膜ANYANY
多边形搅拌子Fisher Scientific14-512-124
可重复使用玻璃贝塞尔烧杯（1 L）Fisher ScientificFB1021000
15 号手术刀片FST10015-00
小动物麻醉系统VetFloVetFlo-1205S
勺子ANYANY
雌性 Sprague-Dawley 大鼠Charles River Laboratories,  USA
立体支架显微镜OmanoOM2300S-GX4
甜炼乳Borden 鹰牌（Eagle Brand）
组织粘合剂3M Vetbond1469SB
循环水加热垫及泵GaymarModel TP-500

参考文献

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