Yürütülen deneyler, Çin, Gansu Eyaleti'ndeki Lanzhou Üniversitesi İkinci Bağlı Hastanesi Etik Kurulu tarafından onaylanmıştır (etik onay no. 2017-070). Tüm prosedürler, Uluslararası Ağ Çalışmaları Derneği kılavuzlarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir26. Akredite bir laboratuvar hayvan merkezi'nden temin edilen ve 200–250 g ağırlığında olan toplam 66 yetişkin erkek Sprague–Dawley sıçanı kullanılmıştır. Cinsiyete bağlı hormonal etkilerle ilgili potansiyel değişkenliği azaltmak amacıyla çalışmaya yalnızca erkek sıçanlar dahil edilmiştir. Tüm protokoller, Uluslararası Ağ Çalışmaları Derneği kılavuzlarına26 uygun olarak yürütülmüş ve acıyı en aza indirmek için gerekli önlemler alınmıştır. Bu çalışmada kullanılan reaktifler, sarf malzemeleri, cihazlar ve yazılımlar hakkında ayrıntılı bilgiler Materyaller Tablosu'nda sunulmuştur.
Hayvanlar
Sıçanlar operasyon öncesinde çiftler halinde, insizyon sonrası ise yiyecek ve suya ad libitum erişim sağlanarak bireysel olarak barındırılmıştır. Oda, 12 saat ışık–12 saat karanlık döngüsünde ve 24 °C ± 2 °C sıcaklık kontrolünde tutulmuştur.
İntratekal enjeksiyon ve insizyonel ağrı modeli
Çözeltilerin intratekal uygulaması için sıçanlar %1,5–3 sevoflurane (burun konisi aracılığıyla verildi) ile anestezi altına alınmış ve vertebral kolon fleksiyona getirilerek pron pozisyona yerleştirilmiştir. Lomber bölgedeki tüyler tıraşlanmış ve L5–L6 intervertebral boşluk üzerindeki deri dezenfekte edilmiştir. L5–L6 intervertebral boşluktan perkütan olarak bir mikrosiringe yerleştirilmiştir. Subaraknoid boşluğa başarılı giriş, iğne ilerlemesi sırasında meydana gelen ani bir kuyruk sıçraması veya kuyruk hareketi ile belirtilmiş ve hafif aspirasyonla beyin omurilik sıvısının görülmesiyle ayrıca doğrulanmıştır. Bu belirtiler gözlemlenmediğinde, enjeksiyondan önce iğne pozisyonu ayarlanmıştır. Enjeksiyon, ancak her iki doğrulama kriteri de karşılandıktan sonra gerçekleştirilmiş ve enjeksiyon sonrası anormal nörolojik belirtiler gösteren hayvanlar çalışma dışı bırakılmıştır. Ardından ilgili çözelti yavaşça enjekte edilmiş ve enjeksiyondan sonra deri tekrar temizlenmiştir. Cerrahi işlem yaklaşık 3 dk sürmüş ve sıçanlar genellikle 5–10 dk içinde anesteziden çıkmıştır.
İnsizyonel ağrının sıçan modeli, daha önce tarif edildiği şekilde kurulmuştur27. Anestezinin ardından, arka patinin plantar yüzeyi %10 povidon-iyot ile dezenfekte edildi. Plantar deride, topuktan yaklaşık 0,5 cm mesafeden başlayıp ayak parmaklarına doğru uzanan 1 cm'lik boylamsı bir insizyon yapıldı. İnsizyon, deri ve fasyayı geçti. Plantar kas, oftalmik pens ile nazikçe kaldırıldı ve genel doku sürekliliği korunarak boylamsı olarak kesildi. Ardından kas tekrar konumlandırıldı, hemostaz sağlamak için hafif baskı uygulandı ve yara, 3-0 naylon kullanılarak iki matris sütür ile kapatıldı. Yara kapatıldıktan sonra insizyon bölgesi tekrar dezenfekte edildi. Cerrahi işlem sonrası sıçanlar tek tek barındırıldı ve güçlü ışıktan korunmuş, sessiz ve sıcak bir ortamda, yiyecek ve suya serbest erişimi olacak şekilde iyileşmeye bırakıldı. Hayvanlar ameliyat sonrası izlendi ve önceden tanımlanmış kriterleri karşılamayanlar derhal çıkarıldı. Yara enfeksiyonu; yara çevresinde kızarıklık, şişlik ve yerel sıcaklık artışı, kötü kokulu anormal sarı-yeşil pürülan eksuda, kalıcı yara açıklığı ile gecikmiş yara iyileşmesi, nekroz ve büyüme ile birlikte vücut sıcaklığının yükselmesi, letarji ve beslenme reddi gibi sistemik belirtilere göre belirlendi. Ek dışlama kriterleri arasında 30 dakika içinde anesteziden uyanamama, intraoperatif kas transversiyonu veya nörovasküler yaralanma, postoperatif self-mutilasyon, modelin başarısız kurulması ve arka ekstremite paralizisi veya insizyonel ağrı ile ilgisi olmayan ağırlık taşıyamama gibi nörolojik defisitler yer aldı. Yara enfeksiyonu veya dehissansı olan sıçanlar çalışmadan çıkarıldı.
Davranışsal ölçüm
Pati çekme mekanik eşiği (PWMT) ve pati çekme termal gecikmesi (PWTL), grup tahsisinden habersiz bir araştırmacı tarafından ölçülmüştür. Testler, en az 10 dakikalık aklimatizasyon sonrası, günün sabit bir saatinde sessiz bir odada gerçekleştirilmiştir; bölme, tel veya cam zemin, ortam ışığı ve ısı kaynağı yoğunluğu gruplar arasında sabit tutulmuştur. PWMT testi için, kalibre edilmiş von Frey filamentleri (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 ve 15.0 g), filament yaklaşık 1–2 mm bükülene kadar yaranın bitişiğindeki plantar yüzeye dik olarak uygulanmıştır. Ardışık stimülasyonlar 2 dakika arayla yapılmış ve %50 PWMT, yukarı-aşağı yöntemi kullanılarak belirlenmiştir28. PWTL testi için sıçanlar, cam zemin üzerindeki bireysel şeffaf bölmelere yerleştirilmiş ve radyant ısı kaynağı yaranın yanındaki plantar yüzeyle hizalanmıştır. Doku hasarını önlemek için 30 saniyelik bir kesme süresi (cut-off) uygulanmış, ardışık maruziyetler 2 dakika arayla yapılmış ve üç ölçümün ortalaması kaydedilmiştir29. Patinin kaldırılması, sallanması veya yalanması pozitif bir çekilme yanıtı olarak kabul edilmiştir; kişisel bakım, lokomosyon veya ısı kaynağı hizalamasının kaybından etkilenen denemeler, yeniden aklimatizasyon sonrası tekrarlanmıştır.
Western blot analizi
Önceden belirlenen zamanlarda, sıçanlar servikal dislokasyon ile sakrifiye edildi ve L4–L6 lomber spinal kord, 100:1 oranında proteaz inhibitörü eklenmiş radyoimmünopresipitasyon analiz lizis tamponuna hızla alındı. Doku homojenize edildi, 20 dk boyunca buz üzerinde bekletildi ve 4 °C'de 20 dk boyunca 15,000 × g hızında santrifüj edildi. Süpernatant 3:1 oranında 4× yükleme tamponu ile karıştırıldı, kaynayan suda 5 dk ısıtıldı ve −80 °C'de saklandı. Protein örnekleri (her şerit için 30 µg), %10 sodyum dodesil sülfat–poliakrilamid jellerinde ayrıldı ve 0,45 veya 0,22 µm poliviniliden florür membranlara aktarıldı. Başarılı aktarım, önceden boyanmış moleküler ağırlık markerının beklenen göçünün doğrulanması ve belirgin düzensiz veya kesintili aktarım bölgelerinin olmamasıyla kontrol edildi. Membranlar, oda sıcaklığında 2 saat boyunca %5 yağsız süt ve %3 sığır serum albümini ile bloke edildi ve 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) veya GAPDH (1:2.000) karşıtı primer antikorlarla 4 °C'de gece boyunca inkübe edildi. %0,05 Tween 20 (pH 7,4) içeren Tris-tamponlu salin ile yıkandıktan sonra, membranlar karşılık gelen yaban turba horseradish peroksidaz-konjuge ikincil antikor (1:5.000) ile oda sıcaklığında 1 saat boyunca inkübe edildi. Sinyaller geliştirilmiş kemilüminesans ile geliştirildi ve her hedef için aynı pozlama aralığı kullanılarak filme kaydedildi. Grup tahsisine kör olan bir araştırmacı, bant yoğunluğunu görüntü analiz yazılımı ile analiz etti. Görüntüler 8-bit gri tonlamaya dönüştürüldü, her banda özdeş bir dikdörtgen ilgi alanı uygulandı, komşu boş bir bölgeden yerel arka plan çıkarıldı ve entegre yoğunluk kaydedildi. Bir blot üzerindeki tüm şeritler için aynı bölge boyutu ve arka plan prosedürü kullanıldı. NeuN, GFAP, Iba-1 ve t-ERK1/2 GAPDH'ye göre normalize edildi; p-ERK1/2 t-ERK1/2'ye göre normalize edildi ve değerler daha sonra boş gruba göre göreceli olarak ifade edildi.
İmmünofloresan
Belirlenen zamanlarda, sıçanlara %3 pentobarbital sodyum (1,5 mL/kg) ile anestezi uygulanmış ve kalp yoluyla 300 mL önceden soğutulmuş 0,01 mol/L fosfat tamponlu salin (PBS; pH 7,4), ardından 250 mL önceden soğutulmuş %4 paraformaldehit ile perfüzyon yapılmıştır. L4–L6 omurilik bölgesi %4 paraformaldehit ile 6 saat boyunca post-fikse edilmiş, 4 °C'de %20–30 sakkaroz-PBS içinde gece boyunca kriyokoruklanmış ve −22 °C'de 10 µm kalınlığında kesitlere ayrılmıştır. Kesitler 0,01 mol/L PBS ile yıkanmış, oda sıcaklığında 1 saat boyunca %10 keçi serumu ile bloke edilmiş ve NeuN (1:100), GFAP (1:1.000), Iba-1 (1:100), p-ERK1/2 (1:100), TNF-α (1:200) veya COX-2 (1:50) karşıtı primer antikorlar ile 4 °C'de gece boyunca inkübe edilmiştir. Üç kez PBS ile yıkandıktan sonra, kesitler oda sıcaklığında 1 saat boyunca ilgili yeşil veya kırmızı florofor konjuge ikincil antikor (1:400) ile inkübe edilmiş, üç kez daha PBS ile yıkanmış ve antifade ortamı ile lam kapatılmıştır. Her boyama grubuna, primer antikor olmadan hazırlanan negatif kontrol kesitleri dahil edilmiştir. Görüntüler, körleme yöntemi kullanan bir araştırmacı tarafından floresan mikroskobu ile elde edilmiştir. Düşük büyütmeli genel görüntüler 10× objektif kullanılarak, hücresel immünoreaktivite ve ko-lokalizasyon görüntüleri ise ilgili şekil paneline göre 20× veya 40× objektifler kullanılarak alınmıştır. Aynı şekil ve boyama grubu içindeki karşılaştırmalar için objektif büyütmesi, aydınlatma şiddeti, pozlama süresi, detektör kazancı, kamera ayarları ve görüntü işleme parametreleri, doygunluk altı optimizasyondan sonra sabitlenmiştir. Kanal örtüşmesini minimize etmek için ayrı floresan kanalları ardışık olarak alınmıştır. Her hayvan için ipsilateral dorsal horn bölgesinden üç adet örtüşmeyen alan görüntülenmiştir. Floresan yoğunluğu, 8-bit dönüşümü, hücre içermeyen bir bölge kullanılarak arka plan çıkarımı ve her boyama grubu içinde özdeş bir ilgi alanı (ROI) ve eşik değerinin uygulanmasının ardından görüntü analiz yazılımı ile kantifiye edilmiş; hayvan başına tek bir değer elde etmek için alan değerlerinin ortalaması alınmıştır. Aşırı pozlama, doku katlanması, yırtılma, yetersiz odaklama veya düzensiz arka plan içeren alanlar hariç tutulmuş ve aynı doygunluk karşıtı ayarlarda yeniden görüntülenmiştir. Doku mimarisinin sağlam olduğu, hedef sinyalin primer antikorsuz kontrolden daha yüksek olduğu ve analizi etkileyen majör katlanma, yırtılma veya doygun bölge bulunmadığı durumlarda boyama kabul edilmiştir.
In vitro primer spinal astrosit deneyleri
Primer sıçan spinal astrositleri, nemlendirilmiş %5 CO2 inkübatöründe, 37 °C'de, komple kültür ortamında standart steril koşullar altında kültüre edilmiştir. Hücreler yaklaşık %70–80 konfluansa ulaştıklarında kullanılmış ve kontrol, LPS-stimüle, LPS + PPF, LPS + U0126 ve ERK1/2 rescue gruplarına atanmıştır. PPF ve U0126, 10 µM konsantrasyonunda eklenmiştir. LPS stimülasyonu, ilaç tedavisi ve toplama koşulları, her deneydeki paralel kuyucuklar arasında aynı tutulmuştur. Yolak seçiciliği analizi için hücre lizatları; p-ERK1/2, t-ERK1/2, p-p38, total p38, p-JNK, total JNK ve ilgili yükleme kontrolünün Western blotting analizleri için toplanmıştır. Paralel kuyucuklardan alınan kültür süpernatantları toplanmış, santrifüj ile berraklaştırılmış ve üretici talimatlarına uygun olarak enzyme-linked immunosorbent assay kullanılarak TNF-α, PGE2 ve IL-6 açısından analiz edilmiştir. Western blot densitometrisi, yukarıda açıklanan görüntü analiz prensipleri ile gerçekleştirilmiştir. Rescue deneyleri için endojen ERK1/2, siRNA transfeksiyonu ile baskılanmış ve tedaviden önce konstitütif aktif bir ERK1/2 (CA-ERK1/2) ekspresyon konstrüktü hücrelere aktarılmıştır. Sitokin verileri yorumlanmadan önce, knockdown ve overexpression verimliliği Western blotting ile doğrulanmıştır. Aktif siRNA veya konstrükt olmaksızın transfeksiyon reaktifine maruz kalan hücreler, uygun olduğunda prosedürel kontroller olarak kullanılmıştır.
Deneysel tasarım
Deney hayvanlarının alt gruplara ayrılması
Sıçanlar, rastgele sayı tablosu yöntemi kullanılarak altı gruba ayrılmış ve grup atamaları davranışsal testler ile doku toplama işleminden önce tamamlanmıştır. Altı grup; boş grup (n = 6), insizyonel ağrı (IP) grubu (n = 18), normal salin (NS) grubu (0,9% NS, 10 µL; n = 9), PPF grubu (10 µL içinde 10 µg; n = 12), dimetil sülfoksit (DMSO) grubu (10% DMSO, 10 µL; n = 9) ve U0126 grubu (10 µL içinde 10 µg; n = 12) şeklinde oluşturulmuştur. Boş gruptaki sıçanlara plantar insizyon veya intratekal enjeksiyon uygulanmamış ve bu grup tedavi edilmemiş kontroller olarak kullanılmıştır. IP grubundaki sıçanlara, intratekal enjeksiyonla ön tedavi uygulanmadan plantar insizyon yapılmıştır. NS, PPF, DMSO ve U0126 gruplarındaki sıçanlara, plantar insizyondan 30 dk önce ilgili ajanların intratekal uygulaması yapılmıştır. NS grubu PPF için taşıyıcı kontrol, DMSO grubu ise U0126 için taşıyıcı kontrol olarak kullanılmıştır.
Propentofyllin ve U0126 dozları
Propentofylline bir glial modülatördür ve araştırma grubunun önceki çalışmalarında akut hiperaljeziyi giderdiği için 10 µg'lık bir doz seçilmiştir. U0126, ERK1/2 fosforilasyonunu engellemek için kullanılan, adenozin trifosfatla rekabet etmeyen bir MEK1/2 inhibitörüdür. Ağrı modellerinde 1–10 µg arasındaki intratekal dozların etkili olduğu bildirilmiştir30,31,32; mevcut çalışmada 10 µg'lık doz kullanılmıştır. U0126 %10 dimetil sülfoksitte, PPF ise %0,9 normal salinde çözülmüştür. Final konsantrasyonlar 1 µg/µL olarak belirlenmiştir. İlaçlar ve taşıyıcılar cerrahi işlemden önce hazırlanmış, 4 °C'de muhafaza edilmiş ve 12 saat içinde kullanılmıştır.
Propentofylline veya U0126'nın preoperatif intratekal uygulamasının hiperaljezi üzerindeki etkisi
Davranışsal ölçüm için her gruptan altı sıçan, operasyondan 24 saat önce rastgele seçildi ve elde edilen PWMT ve PWTL değerleri bazal değerler olarak belirlendi. İntratekal enjeksiyonlar operasyondan 30 dakika önce uygulandı. PPF ve U0126'nın ameliyat öncesi intratekal uygulamasının mekanik ve termal hiperaljezi üzerindeki etkilerini değerlendirmek için, insizyondan sonra 2 sa, 4 sa, 8 sa, 24 sa ve 72 sa'da PWMT ve PWTL değerlendirmeleri yapıldı.
İnsizyon sonrası spinal nöronal ve glial marker ekspresyonu üzerine preoperatif intratekal propentofylline veya U0126 etkilerini değerlendirmek için deneysel tasarım
Tedavi etkisinin değerlendirilmesi için uygun insizyon sonrası zaman noktasını belirlemek amacıyla, öncelikle IP grubunda ön bir zaman seyri analizi gerçekleştirilmiştir. Spesifik olarak, IP grubundaki sıçanlar insizyondan 2 sa, 4 sa, 24 sa ve 72 sa sonra ötanize edilmiş ve omurilikteki NeuN, GFAP ve Iba-1 hücre belirteçlerinin ekspresyon seviyeleri Western blot ile ölçülmüştür (n = her zaman noktası için 3). Bu ön analize dayanarak, NeuN ekspresyonunun 4. saatte en yüksek seviyeye ulaşması ve erken moleküler değişikliklerin insizyonel hiperaljezinin başlangıç gelişimiyle en ilgili olduğu düşünülmesinden dolayı, insizyondan sonraki ilk 4 sa erken bir insizyon sonrası gözlem penceresi olarak seçilmiştir. Bununla birlikte, 4 saatlik zaman noktasının insizyon sonrası tüm zamansal moleküler değişiklikleri temsil etmesi amaçlanmamıştır.
Seçilen bu zaman noktasında, intratekal enjeksiyon yapılan sıçanlar, farklı hücre belirteçlerinin Western blot analizi (n = 3 grup başına) ve farklı hücre tiplerinin morfolojisinin immünofloresan değerlendirmesi (n = 3 grup başına) için ötanize edildi. Boş gruptaki sıçanlar, omurilikteki farklı hücre belirteçlerinin (NeuN, GFAP ve Iba-1) temel ekspresyon seviyelerini Western blot ile belirlemek (n = 3) ve farklı hücrelerin (nöronlar, astrositler ve mikroglia) morfolojisini immünofloresan ile değerlendirmek (n = 3) için rastgele sonlandırıldı. Böylece boş grup, insizyon yapılmamış ve tedavi uygulanmamış bazal kontrol grubu olarak hizmet etti.
Tedavi etkilerinin spinal p-ERK1/2 ve enflamatuar mediyatörler üzerindeki etkileri
p-ERK1/2 ekspresyonu ve inflamatuar sitokin seviyeleri üzerindeki tedavi etkilerini değerlendirmek için uygun insizyon sonrası zaman noktasını belirlemek amacıyla, öncelikle IP grubunda öncül bir zaman seyri analizi gerçekleştirilmiştir. Spesifik olarak, IP grubundaki sıçanlar insizyondan 2 sa, 4 sa, 24 sa ve 72 sa sonra ötanize edilmiş ve spinal p-ERK1/2 ekspresyonu Western blot ile ölçülmüştür (n = her zaman noktası için 3). Bu zaman seyri deneyine ve insizyon sonrası NeuN ekspresyonunun en yüksek olduğu zaman noktasına dayanarak, preoperatif intratekal olarak uygulanan PPF veya U0126'nın spinal p-ERK1/2 ekspresyonu ve inflamatuar sitokinler üzerindeki etkilerinin sonraki değerlendirmeleri için insizyondan 4 sa sonrası sabit zaman noktası olarak seçilmiştir. Bu zaman noktası, insizyon sonrası tüm zamansal değişimlerin kapsamlı bir temsili olarak değil, erken mekanistik bir gözlem penceresi olarak seçilmiştir.
Seçilen bu zaman noktasında, intratekal enjeksiyon uygulanan sıçanlar, p-ERK1/2 ekspresyonunun Western blot analizi (n = grup başına 3) ve inflamatuar sitokinlerin immünofloresan değerlendirmesi (n = grup başına 3) için sakrifiye edildi. Boş gruptaki sıçanlar, spinal korddaki p-ERK1/2 temel ekspresyon seviyelerinin Western blot ile (n = 3) ve inflamatuar sitokinlerin (TNF-α ve COX-2) immünofloresan ile (n = 3) belirlenmesi için rastgele sonlandırıldı. Böylece boş grup, insizyon yapılmamış ve tedavi uygulanmamış bazal kontrol grubu olarak kullanıldı.
Nöronlarda, astrositlerde ve mikroglialarda spinal p-ERK1/2'nin hücresel lokalizasyonu
İnsizyon sonrası spinal p-ERK1/2'nin hücresel dağılımını daha ayrıntılı değerlendirmek için, insizyondan 4 saat sonra Blank ve IP gruplarında immunofloresan boyama gerçekleştirilmiştir (n = 3).
İstatistiksel analiz
Veriler ortalama ± standart sapma olarak ifade edilmiştir. Örneklem büyüklüğü, araştırma grubunun önceki çalışmalarına ve ön deneylere referans alınarak belirlenmiştir. Davranışsal veriler; grup denekler arası faktör, zaman ise denek içi faktör olmak üzere iki yönlü tekrarlı ölçümler varyans analizi (ANOVA) ile analiz edilmiştir. Zaman seyirli Western blot verileri, tek yönlü ANOVA ve ardından Bonferroni düzeltmeli ikili karşılaştırmalar ile değerlendirilmiştir. Sabit zamanlı Western blot ve immünofloresan verileri, Bonferroni düzeltmeli planlanmış karşılaştırmalarla tek yönlü ANOVA ile değerlendirilmiş; iki grup karşılaştırmaları ise Student t-testi ile analiz edilmiştir. Normallik ve varyans homojenliği sırasıyla Shapiro–Wilk ve Levene testleri ile değerlendirilmiştir. İki yönlü p-değeri < 0.05 anlamlı kabul edilmiştir. İstatistiksel analizler, Materyal Tablosu'nda listelenen istatistiksel analiz yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. in vitro astrosit deneyleri için bağımsız kültür deneyleri analiz birimi olarak kabul edilmiştir; Western blot densitometrisi ve sitokin konsantrasyonları, uygunluğa göre tek yönlü ANOVA ve ardından Bonferroni düzeltmeli planlanmış karşılaştırmalarla veya önceden belirlenmiş iki grup karşılaştırmaları için Student t-testi kullanılarak karşılaştırılmıştır.
VERİ KULLANİLABİLİRLİĞİ:
Bu çalışmanın bulgularını destekleyen veriler Ek Dosya 1'de sunulmuştur.