Summary
一个后爪的短暂性烫伤(65 °C ± 0.5 °C,3 s)降低了同侧冯弗雷丝刺激的阈值(g)并改变了步态模式。此外,烧伤在强制游泳测试中诱发抑郁样行为。
Abstract
烫水是老年人和年轻人烧伤的最常见原因。这是主要的临床挑战之一,因为低收入和中等收入国家的死亡率和后遗症很高。烧伤经常诱发强烈的自发性疼痛和持续性异常疼痛以及危及生命的问题。更重要的是,过度疼痛往往伴有抑郁症,这可能会显著降低生活质量。本文展示了如何开发一种动物模型来研究烧伤引起的疼痛和抑郁样行为。麻醉后,通过将小鼠的一只后爪浸入热水(65°C±0.5°C)中3s诱导烧伤。烧伤后每2天进行一次von Frey测试和自动步态分析。此外,使用强制游泳试验检查抑郁样行为,并进行旋转杆试验以区分烧伤后异常的运动功能。这项研究的主要目的是描述用于研究烧伤引起的疼痛和小鼠抑郁样行为的动物模型的发展。
Introduction
组织损伤,如烧伤和创伤,通常与急性疼痛同时发生有关。烧伤和创伤相关症状估计每年有1,80,000例死亡是由烧伤引起的 - 绝大多数发生在低收入和中等收入国家,来自不同类型烧伤1。根据一份全球报告,烧伤在儿童中很常见,约占住院患者的40%-60%2,3。这些特定的伤害甚至更严重,因为它们可能发生在日常生活中,例如煮沸或洗澡水4,5。虽然在大多数情况下,急性疼痛可以在从组织损伤中恢复后自发解决,但由于神经系统的异常变化6,7,它可能变成慢性疼痛。
最近,有人提出急性疼痛可以诱发抑郁情绪,慢性疼痛可以引起焦虑和抑郁8,9,10,11。疼痛和抑郁的共存使患者更难治疗。抑郁症也倾向于增加疼痛敏感性,这很可能诱发更强烈的抑郁症和疼痛12。疼痛和抑郁症的并发症显示在外周炎症的动物模型中13,14,15,16。疼痛诱发的抑郁症的详细机制直到现在还不是很清楚17.因此,有必要开发更有效的烧伤治疗方法,以减轻副作用和症状。
因此,本研究旨在开发一种动物模型来研究烧伤引起的急性疼痛和小鼠抑郁样行为。为此,测量了烧伤相关的异常触觉敏感性,步态模式改变和抑郁样行为。此外,本研究还尝试使用非甾体抗炎药验证模型。
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Protocol
所有实验方案均由韩国忠南国立大学动物护理和使用委员会审查和批准,然后根据国际疼痛研究协会18的伦理准则进行。
1.后爪烫伤的诱导
- 将体重为20-25g的雄性ICR小鼠置于光照和温控室(12/12小时光暗循环,22.5°C±2.5°C),湿度为40%-60%。
注意:雄性和雌性小鼠都可用于此方案。 - 让动物自由接触食物和水,并在开始实验前适应环境至少1周。
注意:所有动物都进行了分组饲养,以排除隔离应力等变量。 - 将小鼠随机分配到实验组或对照组,并使用动物编号作为代码进行盲法实验。
- 在烧伤诱导当天,通过腹膜内(ip)注射300μL阿法沙酮以100mg / kg的剂量麻醉小鼠。在进行烧伤诱导时,请戴上手术服,手套和口罩。
- 深度麻醉小鼠后,用70%乙醇消毒右后爪周围。
注意:检查对施加在后脚趾或尾巴上的捏合刺激缺乏反应,以确认深度麻醉的状态。 - 将眼药膏涂抹在眼睛上,以防止诱导麻醉后角膜干燥。
- 将深度麻醉小鼠的右后爪浸入65°C±0.5°C的热水中3秒。在每只老鼠的脚踝上做一个标记,然后将后爪浸入热水中,以保持烧伤区域的一致性。
- 诱导烧伤后,将小鼠带入干净的家庭笼子中,并将其放在加热垫上,直到动物从麻醉中恢复。
注意:镇痛药对乙酰氨基酚(200mg / kg)从烧伤当天开始腹膜内给药,每日一次,持续7天(仅烧伤+对乙酰氨基酚组)。烧伤组用生理盐水作为载体对照。实验是根据先前研究4中描述的方法进行的。
2. 机械性痛觉减痛的测量
- 将小鼠带到行为测试室,让它们在测试前至少适应30分钟。进行测试时,请穿戴手术服、手套和口罩。
- 将小鼠放入金属网地板(网目尺寸:0.7厘米x 0.7厘米)上的方形盒子(直径:13厘米,高度:12厘米)中,让它们适应环境至少30分钟。
- 使用上升刺激方法19,20评估后爪的机械阈值。
- 以5-8秒的间隔轻轻戳一系列冯弗雷细丝,以刺激后足底。获取烧伤诱导前一天的基线值。
注意:在测试中使用0.16-1.2 g von Frey细丝来测量所有动物的爪子退出阈值。爪子退出反应测试以冯弗雷丝的最低弯曲力(在本方案中为0.16g)开始。如果没有响应,则施加具有下一个弯曲力的细丝。 - 进行五次试验,以评估每个同侧(受伤)后爪的机械阈值。
注意:冯·弗雷(von Frey)细丝的弯曲力在每只动物的五次试验中产生反应的三倍以上,表示为爪子退出阈值(PWT,g)。机械阈值在烧伤前一天和烧伤后 1、3、5 和 7 天测量。在动物中施用对乙酰氨基酚1小时后评估镇痛作用。
3. 自动步态分析
- 在步态分析系统中适应小鼠,每天一次,从烧伤前5天开始10-15分钟。在进行步态分析时,请戴上手术服、手套和口罩。
- 在测试当天,将小鼠带到行为测试室,并在测试前至少30分钟适应它们。
注意:在黑暗环境中进行适应和步态分析测试。按如下所示设置程序菜单的条件。- 运行程序后,单击“ 创建新实验 ”菜单以指定用于保存数据的文件夹。
- 指定后,将最大运行时间设置为 5 s,将最大允许速度变化设置为 50%。
- 选择已注册的摄像机,并在程序的 “设置 ”选项卡中将走道长度设置为 30 cm。
- 在程序菜单的“ 获取 ”选项卡上,选择“ 打开采集”。
- 根据状态消息,单击“ 捕捉背景 ”按钮以获取空走道的背景图像。
- 单击“ 开始采集 ”按钮,然后将鼠标放在左右可穿越走道的入口处。鼠标自由移动后,录制将自动开始。
注意:如果已成功记录动物的步态,并且已检测到所有脚步声,则该步态将被标记为“合规跑步”,并带有绿色图标。如果软件未检测到任何脚步声,则会显示一个红色图标,在这种情况下,建议再次执行录制。作者建议收集和分析至少五次以相似运行速度执行的成功合规运行。 - 在程序菜单的“ 获取 ”选项卡上,选择“ 对运行进行分类”。
注意:选择从上面的成功顺应性运行中获得的数据后,转到视频分析屏幕,其中记录了小鼠的步态模式。 - 选择要分析的运行,然后单击“ 自动分类 ”按钮。
- 执行自动分类后,去除鼻子,生殖器识别以及每次运行中爪子的错误识别到垃圾数据,然后分析数据。
注意:所有统计参数都会自动分析并保存在程序中,原始数据值可以在实验者的分析菜单中找到。在烧伤前 1、3、5 和 7 天进行自动步态分析。在Burn +对乙酰氨基酚组给予对乙酰氨基酚后30分钟和Burn组盐水处理后30分钟进行评估。该实验是根据先前研究4,21,22中描述的方法进行的。
4. 抑郁样行为的测量
注意:基于绝望的行为,水中不动时间是通过强制游泳测试来测量的。
- 将小鼠带到行为测试室,并在测试前至少30分钟适应它们。在进行强制游泳测试时,请戴上手术服,手套和口罩。
- 将小鼠放入含有15厘米水(25°C±0.5°C)的透明有机玻璃圆筒(10 cm x 25cm)中15分钟。
- 24小时后,将鼠标放入相同条件下的圆柱体中并测量静止时间。
注意:测量5分钟的测试时间的静止时间,并记录小鼠停止攀爬或游泳并漂浮以保持头部高于水面的时间。强制游泳测试在烧伤后的第7天进行。对烧伤+对乙酰氨基酚组给予对乙酰氨基酚1 h,烧伤组盐水处理后1 h进行评价。实验是根据先前研究23,24中描述的方法进行的。
5. 测量正常的运动功能
注意:进行轮棒试验以区分烧伤后异常的运动功能。
- 将小鼠带到行为测试室,并在测试前至少30分钟适应它们。在进行强制游泳测试时,请戴上手术服,手套和口罩。
- 将动物放在悬挂在设备底部上方16厘米处的滚动圆柱形平台上(5.7厘米宽;直径3厘米)。
- 让每只动物每天在轮转杆上训练一次,在引诱烧伤之前至少5天。
- 给药后每20分钟进行一次轮状棒试验,持续2小时。将截止时间设置为 2 分钟。
- 测量鼠标以每分钟15转的恒定速度在旋转杆上运行而不掉落的时间。
注意:轮状棒试验在引爆烧伤后7天进行。评估在Burn +对乙酰氨基酚组对乙酰氨基酚给药后立即进行,在Burn组进行盐水处理后立即进行。阿法沙酮在该试验中被用作实验治疗药物的阳性对照。在旋转测试期间,测量小鼠在旋转杆上运行而不掉落的时间持续时间。实验是根据先前研究22,25中描述的方法进行的。
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Representative Results
为了最大限度地减少动物的痛苦并减少根据三个Rs(替换,减少和改进)指南使用的动物数量,本研究的设计采用了最小数量的动物,用于收集通过初步实验建立的重要数据。在这项研究中,行为实验独立进行了两次,如下所示。步态分析,机械性异常和抑郁样行为测试与对照组(n = 5),烧伤(n = 7;载体对照;盐水)和烧伤+对乙酰氨基酚(n = 7)组一起进行。在轮状杆试验中,对照(n = 3),燃烧(n = 4;载体对照;盐水),燃烧+对乙酰氨基酚(n = 4),阳性对照(n = 4;设计了阿法沙隆)组。阿法沙酮是一种神经活性类固醇和麻醉剂,目前在兽医中用作可注射的全身麻醉诱导剂。在这项研究中,阿法沙酮用于动物麻醉中用于烧伤诱导,并在轮状杆试验中用作运动损伤的阳性对照药物。
数据以±.M平均值表示。此外,对不同时间获得的实验数据进行独立分析。疼痛行为反应计算为曲线下的面积(AUC)。进行双向重复测量方差分析,以确定机械性异常性疼痛测试,步态分析和轮状杆测试随时间变化的数据差异。Dunnett检验用于事后分析,以确定实验组之间的 P值。 P值小于0.05被认为是显著的。GraphPad Prism 6.0软件被用来分析这种统计有效性。所有统计分析程序都是根据实验条件盲目进行的。说明烧伤引起的组织损伤的图示于 补充图1中。
烧伤后爪子退出阈值(PWT,g)的时间过程变化如图 1所示。烧伤诱导小鼠PWT(g)在烧伤诱导后1 d降低,与对照组相比持续7 d。对乙酰氨基酚给药(200mg / kg,ip,每日一次,从烧伤诱导当天开始持续7天)显着降低了烧伤诱导的PWT降低(图1A,**p<0.01与烧伤组相比)。此外,AUC分析(7天)显示对乙酰氨基酚给药显着降低了烧伤引起的机械性异常(图1B,***p<对照组0.001,**p<0.01与烧伤组相比)。
烧伤后后后爪印区域随时间的变化如图 2所示。烧伤从诱导后第二天起显著减少同侧后爪印面积,并持续7 d。与载体治疗组相比,给予对乙酰氨基酚(200 mg / kg,即ip,从诱导烧伤当天开始每天一次,持续7 d)后爪印面积显着改善(图2A,B,*p<0.05和**p<0.01与烧伤组相比)。
烧伤后单一姿势的时间过程变化如图 3所示。烧伤在烧伤诱导后1 d减少了同侧后爪的单姿势(%),并且该减少维持了7天。与载体治疗组相比,对乙酰氨基酚给药(200 mg/kg,可见,从烧伤诱导当天开始,每日一次,持续7 d)改善了后爪单姿势(图3A,B,*p<烧伤组的0.05)。
从强制游泳试验中获得的静止时间的变化如图 4所示。与对照组相比,烧伤诱导小鼠在烧伤诱导后7 d的静止时间增加。在烧伤诱导的小鼠中,对乙酰氨基酚给药(200mg / kg,ip,每日一次,从烧伤诱导当天开始持续7天)显着降低了烧伤引起的不动时间增加(与烧伤组相比,<0.01和***p<0.001)。
根据旋转杆上运行时间的变化评估正常的运动功能,如图 5所示。与对照组相比,烧伤诱导小鼠在烧伤诱导后7天没有变化。相比之下,阿法沙酮治疗小鼠(阳性对照)的运行时间在约60分钟内显着减少。该结果表明,本研究中使用的烧伤不会导致运动障碍(*** p <0.001 vs 烧伤组)。
图1:通过von Frey试验在烧伤诱导的小鼠中评估的机械性异常性痛。 (A)与对照组相比,小鼠同侧后爪的爪子退出阈值(PWT,g)在烧伤后1天降低,持续7天。对乙酰氨基酚给药(200mg/kg,可见隔膜,每日一次,从烧伤诱导当天开始持续7天)可显著减少烧伤引起的机械性异常。(B)将PWT分析为曲线下的面积(AUC)。箭头表示药物管理的日期。p <对照组为0.001,** p <0.01与烧伤组。进行双向重复测量方差分析以确定冯弗雷检验时间过程中的总体效应。使用邓内特检验进行事后分析,以确定 P值。 请点击此处查看此图的大图。
图2:通过烧伤诱导小鼠的自动步态分析获得的爪子打印区域。 (A)通过步态分析软件捕获小鼠同侧和对侧后爪的代表性图像。与对照组相比,烧伤后爪子的接触尺寸减小。通过给予对乙酰氨基酚(200mg / kg,ip,每日一次,从烧伤诱导当天开始持续7天),这种减少部分恢复。白色矩形表示软件分析的后爪,(B)图表显示爪印区域的时间过程变化(%)。数据计算为同侧(右)和对侧(左)后爪之间打印区域的变化百分比(例如,50%的值表示左右后爪的相同爪印区域)。箭头表示药物管理的日期。* p < 0.05 和 ** p < 0.01 与 Burn 组比较。进行双向重复测量方差分析,以确定打印区域时间过程中对步态分析的总体影响。使用邓内特检验进行事后分析,以确定 P值。 请点击此处查看此图的大图。
图3:从烧伤诱导小鼠的自动步态分析中获得的单姿势。 (A)步态分析软件捕获单一姿势的代表性图像。不同的颜色表示每个爪子的姿势:蓝色,右前爪;粉红色,右后爪;黄色,左前爪;绿色,左后爪。烧伤后,同侧后爪的单一姿势缩短。通过给予对乙酰氨基酚(200mg / kg,ip,每日一次,从烧伤诱导当天开始持续7天)部分恢复这种变化。(B)图表显示了单一姿势的时间过程变化(%)。在计算同侧(右)和对侧(左)后爪之间单一姿势变化的百分比后,将数据汇总为折线图(例如,50%的值表示左右后爪中的相同单一姿势)。箭头表示药物管理的日期。* p < 0.05 vs. Burn 组。进行双向重复测量方差分析,以确定单一姿势对步态分析的时间过程中的总体影响。使用邓内特检验进行事后分析,以确定 P值。 请点击此处查看此图的大图。
图4:烧伤诱导小鼠强制游泳试验的静止时间。 与对照组相比,烧伤诱导小鼠在烧伤诱导后7 d的静止时间增加。在烧伤诱导的小鼠中,对乙酰氨基酚给药(200mg / kg,ip,每天一次,从烧伤诱导当天开始持续7天)显着减轻烧伤诱导的增强不动时间。p <对照组为0.001,** p <0.01与烧伤组。进行单向重复测量方差分析以确定强制游泳测试时间过程中的总体效果。使用邓内特检验进行事后分析,以确定 P值。 请点击此处查看此图的大图。
图5:基于烧伤诱导小鼠轮棒试验运行时间变化的正常运动功能评估。 与对照组和对乙酰氨基酚处理的烧伤组相比,烧伤诱导后7天烧伤诱导小鼠的运行时间没有变化。然而,阿法沙酮治疗小鼠(阳性对照)的运行时间显着减少到约60 s。这一结果表明,本研究中使用的烧伤不会引起运动损伤。p < 0.001 与刻录组。进行双向重复测量方差分析以确定旋转杆测试时间过程中的总体效应。使用邓内特检验进行事后分析,以确定 P值。 请点击此处查看此图的大图。
补充图1:诱导烧伤后组织损伤随时间的变化。 在烫伤诱导后,观察到显着的组织损伤,其随时间逐渐增加。在这项研究中,用作阳性对照药物的对乙酰氨基酚显示出对组织损伤的保护作用。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
烫伤是一种由加热的液体引起的热灼伤。有人认为,在大多数情况下会发生一度或二度烧伤,但长期接触热源可导致三度烧伤26。在本研究中,通过将小鼠的右后爪暴露在65°C的热水中3秒4,26来诱导烧伤。在烧伤的爪子中检测到组织损伤,其显示烧伤的常见症状,例如发红,皮肤剥落和肿胀(补充图1)4。
机械性异常疼痛测量是动物疼痛模型中常用的疼痛反应识别方法,在本研究中使用von-Frey细丝进行测量。使用von Frey细丝的上升刺激方法来确定诱导动物爪子戒断反应所需的机械阈值19,20。实验从刺激最少的细丝开始。响应于设定数(在该协议中为三倍)的细丝的弯曲力作为爪子取出阈值获得。
自由行走期间啮齿动物的步态分析用于研究帕金森病或肢体运动以及感觉运动障碍模型中的位置变化,包括脊髓损伤和中风27,28。步态分析系统自动分析各种步态参数,包括爪子强度、爪印、姿势阶段等。步态分析系统可以分析的参数变化可以用作疼痛动物模型步态分析中的疼痛相关指标。因此,步态分析可用作动物模型4,21,22中的非侵入性量化自发性疼痛的实验方法。基于先前在疼痛21,22的动物模型中疼痛诱导侧的步态参数降低的发现,该方案将每个步态参数量化为烧伤诱导的同侧和对侧的比率。在该协议中,将爪印面积和单姿势数据转换为同侧(受伤)和对侧(未受伤)后爪之间的变化率。50%的值表示同侧和对侧的爪印大小和到达地板的时间相同,而小于50%的值表示这些参数在烧伤引起的同侧后爪中减少。使用同侧和对侧后爪之间的百分比变化来获得所有数据(即正常小鼠显示〜50%,这意味着同侧:对侧比率为50:50)。在正常动物中,自由行走时,与每个后肢相关的参数在两侧看起来相同。然而,该方案的分析集中在疼痛诱导后同侧参数降低的事实上。此外,每种动物都有个体差异;按原样分析原始数据时,可能无法获得准确的数据。因此,将每个步态参数值转换为一个比率,以便在分析过程中获得更准确的结果。本研究表明,烧伤后同侧后爪的打印面积大小和单站立时间均有所减小,并且通过反复腹腔对乙酰氨基酚给药来恢复这种减少。这些变化与烧伤和药物给药后疼痛行为的类似时间过程变化模式相吻合。
虽然存在争议,但强制游泳测试是研究抑郁啮齿动物行为的最常用方法。动物试图从装满水的容器中逃脱,但最终没有动弹,引起绝望29。然而,有人认为,不动很难作为抑郁症的衡量标准进行评估,因为这种测试与耐力和绝望感有关。为了支持强迫游泳实验的结果,可以考虑其他评估凹陷的方法,例如尾巴悬浮试验,新奇抑制喂养试验和蔗糖消耗试验30,31。在本研究中,烧伤后固定时间增加,对乙酰氨基酚给药恢复这一增加。
本研究的方案旨在建立烧伤后伴随抑郁样行为的急性疼痛模型。本研究中的抑郁样行为可能是身体损伤和烧伤后热敏感性变化的次要影响15,32,33。结果可能表明,烧伤后诱发急性疼痛的小鼠表现出抑郁样的行为。它已被证明可以通过实验治疗的药物来改善疼痛反应和随之而来的抑郁样行为。
旋转杆测试是基于旋转载荷的性能测试,通常强行应用于具有运动活动的啮齿动物。该测试测量运行时间和耐力等参数。一些测试特征包括,除其他外,实验药物的影响或神经性疼痛模型中受试者的平衡,握力和运动协调评估22,25,34。如本研究结果所示,与对照组相比,烧伤或对乙酰氨基酚治疗后的轮棒运行时间无变化。
这项研究证明了一种动物模型的发展,用于研究烧伤引起的疼痛和小鼠抑郁样行为。在这方面,这项研究表明,烫伤会诱发机械性异常性疼痛,步态参数的改变以及不动时间等抑郁样行为。该模型适用于烧伤疼痛及其治疗的各个方面和结果的研究,有望为该研究领域带来重要信息。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
本研究得到了忠南国立大学和韩国政府资助的韩国国家研究基金会(NRF-2019R1A6A3A01093963和NRF-2021R1F1A1062509)的支持。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL syringe | BD | 307809 | |
1.5 mL tube | Axygen | MCT-150-C | |
50 mL tube | SPL | 50050 | |
Acetaminophen BioXtra, ≥99.0% | Sigma-Aldrich | A7085-100G | This analgesic agent is used as a positive control. |
Alfaxan multidose (Alfaxalone) | JUROX Pty.Limited | In this experiment, this material was used for animal anesthesia, and was used as a positive control for experimentally treated drugs in the rota-rod test. | |
CatWalk automated gait analysis system | Noldus | CatWalk XT | Gait analysis in freely walking rodents is used to study the changes in limb movement and positioning in models with sensory-motor dysfunction |
OPTISHIELD (Cyclosporin ophthalmic ointment) | Ashish Life Science | This material was used for an ointment to prevent corneal drying after induction of anesthesia. | |
Plexiglass cylinder | SCITECH KOREA | custom made products | Used in forced swimming test |
Rota-rod system | SCITECH KOREA | Accelerating rota rod | Used in the measurement of Normal Motor Function |
von Frey filaments | North Coast Medical | NC12775 | Used in the measurement of Mechanical Allodynia |
Waterbath | CHANGSHIN SCIENCE | C-WBE | Used in the burn injury induction |
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