Przeprowadzone eksperymenty zostały zatwierdzone przez Komisję Etyczną Drugiego Szpitala Afiliowanego Uniwersytetu w Lanzhou, prowincja Gansu, Chiny (numer zgody etycznej 2017-070). Wszystkie procedury były zgodne z wytycznymi International Association for the Study of Pain26. Wykorzystano łącznie 66 dorosłych samców szczurów Sprague–Dawley o masie 200–250 g, pozyskanych z akredytowanego centrum zwierząt laboratoryjnych. Do badania włączono wyłącznie samce, aby ograniczyć potencjalną zmienność związaną z hormonami zależnymi od płci. Wszystkie protokoły wykonano zgodnie z wytycznymi International Association for the Study of Pain26, podejmując niezbędne starania w celu zminimalizowania cierpienia zwierząt. Szczegółowe informacje na temat odczynników, materiałów eksploatacyjnych, instrumentów i oprogramowania wykorzystanego w tej pracy znajdują się w Tabeli materiałów.
Zwierzęta
Szczury trzymano w parach przed operacją i indywidualnie po nacięciu, z dostępem do jedzenia i wody ad libitum. W pomieszczeniu utrzymywano 12-godzinny cykl światła i ciemności oraz kontrolowaną temperaturę 24 °C ± 2 °C.
Model bólu po nacięciu i iniekcja dokanałowa
W celu podania roztworów drogą dokanałową, szczury zanieczulono sewofluranem w stężeniu 1,5%–3% (podawanym przez maskę nosową) i ułożono w pozycji brzusznej z wygiętą kręgosłupem. Wygolono sierść w okolicy lędźwiowej, a skórę nad przestrzenią międzykręgową L5–L6 zdezynfekowano. Mikrostrzykawkę wprowadzono przezskórnie w przestrzeni międzykręgowej L5–L6. Prawidłowe wprowadzenie do przestrzeni podpajęczynowej sygnalizował gwałtowny ruch ogona podczas posuwania igły, co dodatkowo potwierdzono pojawieniem się płynu mózgowo-rdzeniowego podczas delikatnej aspiracji. W przypadku braku tych objawów korygowano położenie igły przed wykonaniem iniekcji. Iniekcję przeprowadzano dopiero po spełnieniu obu kryteriów potwierdzenia, a zwierzęta wykazujące nieprawidłowe objawy neurologiczne po wstrzyknięciu wykluczano z badania. Następnie powoli wstrzykiwano odpowiedni roztwór, a po zakończeniu procedury ponownie oczyszczano skórę. Zabieg chirurgiczny trwał około 3 min, a szczury zazwyczaj budziły się z narkozy w ciągu 5–10 min.
Szczurzy model bólu po nacięciu utworzono zgodnie z wcześniejszym opisem27. Po podaniu znieczulenia powierzchnię podeszwową tylnej łapy zdezynfekowano 10% roztworem powidonu z jodem. W skórze podeszwowej wykonano podłużne nacięcie o długości 1 cm, zaczynając około 0,5 cm od pięty i prowadząc w stronę palców. Nacięcie przechodziło przez skórę i powięź. Mięsień podeszwowy delikatnie uniesiono pęsetą okulistyczną i nacięto wzdłużnie, zachowując ogólną ciągłość tkanki. Następnie przywrócono mięsień na miejsce, zastosowano delikatny ucisk w celu uzyskania hemostazy, a ranę zamknięto dwoma szwami materacowymi przy użyciu nici nylonowej 3-0. Po zamknięciu rany miejsce nacięcia ponownie zdezynfekowano. Po zabiegu szczury zamknięto w pojedynczych klatkach i pozostawiono do rekonwalescencji w cichym, ciepłym środowisku, chronionym przed silnym światłem, z wolnym dostępem do pożywienia i wody. Zwierzęta monitorowano po operacji, a te, które nie spełniały zdefiniowanych wcześniej kryteriów, niezwłocznie wykluczono. Zakażenie rany określano na podstawie zaczerwienienia, obrzęku i podwyższonej lokalnej temperatury wokół rany, obecności nieprawidłowej żółto-zielonej ropnej wydzieliny o nieprzyjemnym zapachu, opóźnionego gojenia z trwałą szczeliną rany, martwicy i powiększenia się rany oraz objawów ogólnoustrojowych, w tym podwyższonej temperatury ciała, letargu i odmowy przyjmowania pokarmu. Dodatkowe kryteria wykluczenia obejmowały: brak wybudzenia z narkozy w ciągu 30 min, śródoperacyjne przecięcie mięśnia lub uszkodzenie naczyniowo-nerwowe, pooperacyjną automutilację, niepowodzenie w utworzeniu modelu oraz deficyty neurologiczne, takie jak paraliż tylnych kończyn lub niezdolność do obciążania kończyny niezwiązaną z bólem po nacięciu. Szczury z zakażeniem rany lub rozejściem się brzegów rany wykluczono z badania.
Pomiar behawioralny
Mechaniczny próg wycofania łapy (PWMT) oraz czas latencji termicznej wycofania łapy (PWTL) były mierzone przez badacza, który nie znał przydziału zwierząt do grup. Badania przeprowadzano w cichym pomieszczeniu o stałej porze dnia, po co najmniej 10 min aklimatyzacji; zapewniono stałe warunki dotyczące klatek, rodzaju podłoża (siatka lub szkło), oświetlenia otoczenia oraz intensywności źródła ciepła dla wszystkich grup. W badaniu PWMT skalibrowane włókna von Freya (0.4 g, 0.6 g, 1.0 g, 1.4 g, 2.0 g, 4.0 g, 6.0 g, 8.0 g, 10.0 g oraz 15.0 g) przykładano prostopadle do powierzchni podeszwowej w pobliżu rany, aż do momentu ugięcia włókna o około 1–2 mm. Kolejne stymulacje oddzielano 2 min odstępu, a wartość 50% PWMT określano metodą up-and-down28. W badaniu PWTL szczury umieszczano w indywidualnych przezroczystych klatkach na szklanej podłodze, a promiennicze źródło ciepła ustawiano w linii z powierzchnią podeszwową obok rany. Aby zapobiec uszkodzeniu tkanek zastosowano 30 s czas odcięcia, kolejne ekspozycje oddzielano 2 min odstępu, a zapisywano średnią z trzech pomiarów29. Podniesienie, potrząsanie lub lizanie łapy uznawano za pozytywną reakcję wycofania; próby zakłócone przez pielęgnację, ruch lub utratę osiowości źródła ciepła powtarzano po ponownej aklimatyzacji.
Analiza Western blot
W wyznaczonych punktach czasowych szczury uśpiono poprzez zwichnięcie kręgów szyjnych, a rdzeń kręgowy z odcinka lędźwiowego L4–L6 szybko pobrano do buforu lizującego do analizy radioimmunoprecypitacyjnej z dodatkiem inhibitora proteaz w stosunku 100:1. Tkankę zhomogenizowano, pozostawiono w lodzie na 20 min i odwirowano przy 15 000 × g przez 20 min w temperaturze 4 °C. Nadlodzynę zmieszano z 4× buforem do ładowania w stosunku 3:1, podgrzano w wrzącej wodzie przez 5 min i przechowywano w temperaturze −80 °C. Próbki białek (30 µg na ścieżkę) rozdzielono na 10% żelach poliakrylamidowych z dodecylosiarczanem sodu i przeniesiono na membrany z polifluorku winylidenu o porach 0,45 lub 0,22 µm. Prawidłowość transferu sprawdzono, potwierdzając oczekiwaną migrację wstępnie zabarwionego markera masy cząsteczkowej oraz brak wyraźnych nierównomiernych lub przerwanych obszarów transferu. Membrany blokowano 5% mlekiem odtłuszczonym i 3% albuminą surowicy bydlęcej przez 2 h w temperaturze pokojowej, a następnie inkubowano przez noc w 4 °C z przeciwciałami pierwszorzędowymi przeciwko NeuN (1:8 000), GFAP (1:4 000), Iba-1 (1:3 000), p-ERK1/2 (1:1 000), t-ERK1/2 (1:3 000) lub GAPDH (1:2 000). Po przemyciu w soli fizjologicznej buforowanej Trisem z dodatkiem 0,05% Tween 20 (pH 7,4), membrany inkubowano z odpowiednim wtórnym przeciwciałem sprzężonym z peroksydazą chrzanową (1:5 000) przez 1 h w temperaturze pokojowej. Sygnały wywołano za pomocą wzmocnionej chemiluminescencji i zarejestrowano na kliszy, stosując ten sam zakres ekspozycji dla każdego celu. Badacz nieznający przydziału grup analizował gęstość prążków za pomocą oprogramowania do analizy obrazu. Obrazy przekształcono na 8-bitową skalę szarości, do każdego prążka zastosowano identyczny prostokątny obszar zainteresowania, odjęto lokalne tło z sąsiedniego pustego obszaru i zarejestrowano zintegrowaną gęstość. Ten sam rozmiar obszaru i procedura odejmowania tła zostały zastosowane dla wszystkich ścieżek na danej blocie. Poziomy NeuN, GFAP, Iba-1 oraz t-ERK1/2 znormalizowano względem GAPDH; p-ERK1/2 znormalizowano względem t-ERK1/2, a następnie wartości wyrażono w stosunku do grupy kontrolnej.
Immunofluorescencja
W wyznaczonych punktach czasowych szczury zanestezjowano 3% pentobarbitalem sodu (1,5 mL/kg) i przeprowadzono perfuzję przez serce 300 mL schłodzonego 0,01 mol/L roztworu soli fizjologicznej buforowanej fosforanem (PBS; pH 7,4), a następnie 250 mL schłodzonej 4% paraformaldehydu. Odcinek rdzenia kręgowego L4–L6 poddano post-fiksacji w 4% paraformaldehydzie przez 6 h, krioprotekcji przez noc w 20%–30% sacharozie w PBS w temperaturze 4 °C, a następnie pocięto na sekcje o grubości 10 µm w temperaturze −22 °C. Sekcje przemyto w 0,01 mol/L PBS, blokowano w 10% surowicy koziej przez 1 h w temperaturze pokojowej i inkubowano przez noc w 4 °C z przeciwciałami pierwszorzędowymi przeciwko NeuN (1:100), GFAP (1:1 000), Iba-1 (1:100), p-ERK1/2 (1:100), TNF-α (1:200) lub COX-2 (1:50). Po trzykrotnym przemyciu w PBS sekcje inkubowano z odpowiednim przeciwciałem wtórnym sprzężonym z zielonym lub czerwonym fluorophorem (1:400) przez 1 h w temperaturze pokojowej, przemyto ponownie trzykrotnie w PBS i zamontowano z użyciem medium anty-fade oraz szkiełka cover-slip. W każdej serii barwień uwzględniono sekcje kontrolne negatywne, przetworzone bez przeciwciała pierwszorzędowego. Obrazy zostały pozyskane przez badacza w procedurze ślepej próby przy użyciu mikroskopu fluorescencyjnego. Przeglądowe obrazy przy niskim powiększeniu wykonano przy użyciu obiektywu 10×, natomiast obrazy immunoreaktywności komórkowej i kolokalizacji pozyskano przy użyciu obiektywów 20× lub 40×, zgodnie z odpowiednim panelem rysunku. Dla porównań w obrębie tego samego rysunku i serii barwień powiększenie obiektywu, natężenie oświetlenia, czas ekspozycji, wzmocnienie detektora, ustawienia kamery oraz parametry przetwarzania obrazu zostały ustalone po optymalizacji poniżej poziomu nasycenia. Osobne kanały fluorescencyjne pozyskiwano sekwencyjnie, aby zminimalizować nakładanie się kanałów. W przypadku każdego zwierzęcia zarejestrowano trzy niezachodzące na siebie pola w ipsilateralnym rogu tylnym. Natężenie fluorescencji ilościowo określono za pomocą oprogramowania do analizy obrazu po konwersji do 8 bitów, odjęciu tła z wykorzystaniem obszaru wolnego od komórek oraz zastosowaniu identycznego obszaru zainteresowania (ROI) i progu w każdej serii barwień; wartości z pól uśredniono, aby uzyskać jedną wartość na zwierzę. Pola z prześwietleniami, pofałdowaniami tkanki, rozdarciami, słabym ogniskowaniem lub nierównym tłem zostały wykluczone i ponownie pozyskane przy tych samych nienasycających ustawieniach. Barwienie uznano za prawidłowe, gdy architektura tkanki była nienaruszona, sygnał docelowy przekraczał poziom kontroli bez przeciwciała pierwszorzędowego i analiza nie była zaburzona przez żadne istotne pofałdowanie, rozdarcia lub region nasycony.
In vitro eksperymenty na pierwotnych astrocytach rdzenia kręgowego
Pierwotne astrocyty rdzenia kręgowego szczura hodowano w standardowych warunkach sterylnych w pełnej pożywce hodowlanejj w temperaturze 37 °C w inkubatorze z nawilżaną atmosferą zawierającą 5% CO2. Komórki wykorzystywano po osiągnięciu konfluencji na poziomie około 70%–80% i przydzielano do grup: kontrolnej, stymulowanej LPS, LPS + PPF, LPS + U0126 oraz grupy ratowania ERK1/2. PPF oraz U0126 dodawano w stężeniu 10 µM. Warunki stymulacji LPS, traktowania lekami oraz zbioru materiału były identyczne dla równoległych dołków w każdym eksperymencie. W celu analizy selektywności szlaków pobrano lizaty komórkowe do analizy Western blotting w celu oznaczenia p-ERK1/2, t-ERK1/2, p-p38, całkowitego p38, p-JNK, całkowitego JNK oraz odpowiedniej kontroli załadunku. Nadnadkładowe pożywki z równoległych dołków pobrano, klarowano poprzez wirowanie i analizowano pod kątem zawartości TNF-α, PGE2 i IL-6 za pomocą testu ELISA zgodnie z instrukcjami producenta. Densitometria Western blot była przeprowadzana zgodnie z opisanymi powyżej zasadami analizy obrazu. W eksperymentach z ratowaniem ekspresję endogennego ERK1/2 wyciszano poprzez transfekcję siRNA, a przed traktowaniem wprowadzano konstrukt ekspresyjny konstytutywnie aktywnego ERK1/2 (CA-ERK1/2). Efektywność wyciszenia i nadekspresji potwierdzono metodą Western blotting przed interpretacją danych dotyczących cytokin. Komórki poddane działaniu odczynnika do transfekcji bez aktywnego siRNA lub konstruktu służyły, w zależności od potrzeb, jako kontrole proceduralne.
Projekt doświadczalny
Podział zwierząt doświadczalnych na podgrupy
Szczury przydzielono do sześciu grup przy użyciu metody tablicy liczb losowych; przydział do grup zakończono przed testami behawioralnymi i pobraniem tkanek. Sześć grup obejmowało grupę kontrolną (blank) (n = 6), grupę z bólem po nacięciu (IP) (n = 18), grupę z solą fizjologiczną (NS) (0,9% NS, 10 µL; n = 9), grupę PPF (10 µg w 10 µL; n = 12), grupę z dimetylosulfotlenkiem (DMSO) (10% DMSO, 10 µL; n = 9) oraz grupę U0126 (10 µg w 10 µL; n = 12). Szczury w grupie kontrolnej nie otrzymały ani nacięcia podeszwy, ani wstrzyknięcia do przestrzeni dokanałowej, pełniąc rolę kontroli nieleczonej. Szczury w grupie IP poddano nacięciu podeszwy bez wcześniejszego podania leku drogą dokanałową. Szczury w grupach NS, PPF, DMSO i U0126 otrzymały odpowiednie substancje w wstrzyknięciu dokanałowym na 30 min przed nacięciem podeszwy. Grupa NS służyła jako kontrola nośnika dla PPF, natomiast grupa DMSO jako kontrola nośnika dla U0126.
Dawki propentofylliny i U0126
Propentofyllina jest modulatorem glejowym; wybrano dawkę 10 µg, ponieważ w poprzednich badaniach przeprowadzonych przez grupę badawczą łagodziła ona ostrą hiperalgezję. U0126 jest inhibitorem MEK1/2 nieskonkurującym z adenozynotrifosforanem, stosowanym w celu zablokowania fosforylacji ERK1/2. W różnych modelach bólu zgłaszano skuteczne dawki dokanałowe w zakresie 1–10 µg30,31,32; w niniejszym badaniu zastosowano dawkę 10 µg. U0126 rozpuszczono w 10% dimetylosulfoksydzie, natomiast PPF rozpuszczono w 0,9% soli fizjologicznej. Końcowe stężenia wynosiły 1 µg/µL. Leki i roztwory nośnikowe przygotowano przed zabiegiem chirurgicznym, przechowywano w temperaturze 4 °C i wykorzystano w ciągu 12 h.
Wpływ przedoperacyjnego podania dopłynnego propentofylliny lub U0126 na hiperalgezję
Sześć szczurów z każdej grupy wybrano losowo do pomiarów behawioralnych na 24 h przed operacją, a uzyskane wartości PWMT i PWTL wyznaczono jako wartości bazowe. Iniekcje dokanaściowe podano 30 min przed operacją. Aby ocenić wpływ przedoperacyjnego dokanaściowego podania PPF i U0126 na hiperalgezję mechaniczną i termiczną, PWMT oraz PWTL oceniano po 2 h, 4 h, 8 h, 24 h i 72 h od nacięcia.
Projekt eksperymentalny do oceny wpływu przedoperacyjnego wewnątrzoponowego podania propentofylliny lub U0126 na ekspresję markerów neuronalnych i glejowych w rdzeniu kręgowym po nacięciu
Aby określić odpowiedni punkt czasowy po nacięciu do oceny efektu leczenia, w grupie IP przeprowadzono wstępną analizę przebiegu czasowego. W szczególności szczury w grupie IP zostały poddane eutanazji w 2 h, 4 h, 24 h i 72 h po nacięciu, a poziomy ekspresji markerów komórkowych NeuN, GFAP i Iba-1 w rdzeniu kręgowym zmierzono za pomocą metody Western blot (n = 3 na punkt czasowy). Na podstawie tej wstępnej analizy pierwsze 4 h po nacięciu wybrano jako wczesne okno obserwacyjne, ponieważ ekspresja NeuN osiągnęła najwyższy poziom w 4 h, a wczesne zmiany molekularne uznano za najistotniejsze dla początkowego rozwoju hiperalgezji po nacięciu. Punkt czasowy 4 h nie miał jednak reprezentować wszystkich czasowych zmian molekularnych po nacięciu.
W wybranym punkcie czasowym szczury, którym podano zastrzyk dokanałowy, zostały uśmiercone w celu przeprowadzenia analizy Western blot dla różnych markerów komórkowych (n = 3 na grupę) oraz oceny immunofluorescencyjnej morfologii różnych typów komórek (n = 3 na grupę). W grupie kontrolnej (blank) szczury zostały randomly uśmiercone, aby określić podstawowe poziomy ekspresji różnych markerów komórkowych (NeuN, GFAP i Iba-1) w rdzeniu kręgowym metodą Western blot (n = 3) oraz morfologię różnych komórek (neuronów, astrocytów i mikrogleju) za pomocą immunofluorescencji (n = 3). Zatem grupa kontrolna służyła jako baseline dla zwierząt nienaciętych i nieleczonych.
Wpływ leczenia na poziom p-ERK1/2 w rdzeniu kręgowym oraz na mediatory stanu zapalnego
Aby ustalić odpowiedni punkt czasowy po nacięciu do oceny wpływu leczenia na ekspresję p-ERK1/2 oraz poziomy cytokin zapalnych, w grupie IP przeprowadzono wstępną analizę przebiegu czasowego. W szczególności szczury w grupie IP uśpiono po 2 h, 4 h, 24 h i 72 h od nacięcia, a ekspresję p-ERK1/2 w rdzeniu kręgowym zmierzono za pomocą techniki Western blot (n = 3 na punkt czasowy). Na podstawie tego eksperymentu z przebiegiem czasowym oraz punktu czasowego, w którym ekspresja NeuN była najwyższa po nacięciu, wybrano 4 h po nacięciu jako stały punkt czasowy dla późniejszej oceny wpływu przedoperacyjnie podanego do przestrzeni podpajęczynówkowej PPF lub U0126 na ekspresję p-ERK1/2 w rdzeniu kręgowym oraz cytokiny zapalne. Punkt czasowy ten wybrano jako wczesne okno obserwacji mechanistycznej, a nie jako kompleksową reprezentację wszystkich zmian czasowych po nacięciu.
W wybranym punkcie czasowym szczury, którym podano wstrzyknięcie dokanalne, poddano eutanazji w celu przeprowadzenia analizy Western blot w kierunku ekspresji p-ERK1/2 (n = 3 na grupę) oraz oceny immunofluorescencyjnej cytokin zapalnych (n = 3 na grupę). W grupie kontrolnej (blank) szczury uśmiercono w sposób losowy, aby za pomocą Western blot określić podstawowe poziomy ekspresji p-ERK1/2 w rdzeniu kręgowym (n = 3) oraz cytokin zapalnych (TNF-α i COX-2) metodą immunofluorescencji (n = 3). Zatem grupa kontrolna służyła jako grupa bazowa, bez nacięć i bez podanego leczenia.
Lokalizacja komórkowa p-ERK1/2 w neuronach, astrocytach i mikrogleju rdzenia kręgowego
Aby dalej ocenić dystrybucję komórkową p-ERK1/2 w rdzeniu kręgowym po nacięciu, w grupach Blank i IP przeprowadzono barwienie immunofluorescencyjne 4 h po nacięciu (n = 3).
Analiza statystyczna
Dane przedstawiono jako średnia ± odchylenie standardowe. Wielkość próby określono w oparciu o wcześniejsze badania grupy badawczej oraz eksperymenty wstępne. Dane behawioralne przeanalizowano za pomocą dwuczynnikowej analizy wariancji (ANOVA) z powtarzanymi pomiarami, przyjmując grupę jako czynnik międzyosobniczy, a czas jako czynnik wewnątrzobiektowy. Dane z Western blot w funkcji czasu oceniono za pomocą jednoczynnikowej analizy ANOVA, a następnie przeprowadzono porównania parowe z korektą Bonferroniego. Dane z Western blot i immunofluorescencji dla ustalonych punktów czasowych oceniono za pomocą jednoczynnikowej analizy ANOVA z zaplanowanymi porównaniami z korektą Bonferroniego; porównania dwóch grup oceniono za pomocą testu t Studenta. Normalność rozkładu oraz jednorodność wariancji oceniono odpowiednio testem Shapiro-Wilka i testem Levene'a. Obustronną wartość p < 0,05 uznano za istotną statystycznie. Analizy statystyczne przeprowadzono przy użyciu oprogramowania do analizy statystycznej wymienionego w Tabeli Materiałów. W przypadku eksperymentów in vitro na astrocytach, niezależne hodowle traktowano jako jednostkę analizy; gęstość prążków w Western blot oraz stężenia cytokin porównywano za pomocą jednoczynnikowej analizy ANOVA, a następnie zaplanowanych porównań z korektą Bonferroniego lub testu t Studenta dla określonych porównań dwóch grup, zależnie od potrzeb.
Dostępność danych:
Dane potwierdzające wyniki niniejszego badania znajdują się w Pliku uzupełniającym 1.