마우스의 통증 행동을 측정하기위한 기계적 충돌 회피 분석

요약

기계적 충돌-회피 분석은 다양한 마우스 통증 모델에서 정서적-동기 부여 반응을 더 잘 이해하기 위해 사용될 수 있는 마우스에서 통증 감수성의 비반사적 판독으로서 사용된다.

초록

통증은 감각 (nociceptive) 및 정서적 (불쾌한) 차원으로 구성됩니다. 전임상 모델에서 통증은 전통적으로 통증의 nociceptive 성분에 대한 추론을 허용하지만 통증의 정서적 또는 동기 부여 성분에 대한 정보는 거의 제공하지 않는 반사 검사를 사용하여 평가되었습니다. 따라서 이러한 통증 성분을 포착하는 테스트를 개발하는 것은 번역적으로 중요합니다. 따라서 연구자들은 그 수준에서 통증 인식을 연구하기 위해 비 반사 행동 분석을 사용해야합니다. 기계적 충돌 회피 (MCA)는 3 챔버 패러다임에서 유해한 기계적 자극에 대한 동기 부여 반응을 연구하기 위해 확립 된 자발적 비 반사 행동 분석입니다. 경쟁하는 유해한 자극에 직면했을 때 마우스의 위치 선호도의 변화는 발의 촉각 자극과 비교하여 밝은 빛의 인식 된 불쾌감을 추론하는 데 사용됩니다. 이 프로토콜은 통증 연구자가 다양한 마우스 통증 모델에서 정서적 동기 부여 반응을 이해하는 데 사용할 수있는 MCA 분석의 수정 된 버전을 간략하게 설명합니다. 여기에 구체적으로 설명되지는 않았지만, 우리의 예시적인 MCA 데이터는 MCA 절차를 설명하기 위해 발바닥 내 완전한 프로인트의 보조제 (CFA), 절약 신경 손상 (SNI) 및 골절 / 주조 모델을 통증 모델로 사용합니다.

서문

통증은 감각 및 정서적 구성 요소에 대한 복잡한 경험입니다. 통증 인식의 역치의 감소와 열 및 / 또는 기계적 자극에 대한 과민증은이 경험의 주요 특징이며, 자극으로 유발 된 통증 행동 테스트는 (Hargreaves의 열 감도 테스트 및 기계적 감도의 폰 프레이 테스트와 같은) ^1,2. 이러한 테스트는 강력하고 재현 가능한 결과를 제공하지만, 인식 된 유해한 자극으로부터의 반사적 인 철수에 대한 의존으로 인해 제한됩니다. 이것은 이러한 검사에만 대한 통증 연구의 지속적인 의존에 의문을 제기했습니다. 이를 위해 통증 연구자들은 수년 동안 통증의 정서적 및 / 또는 동기 부여 구성 요소를 더 많이 포착하기 위해 설치류 통증 모델에 사용하기위한 대안 / 보완 행동 테스트를 모색 해 왔습니다. 이러한 유발되지 않은, 자발적인, 또는 비-반사적 조치들(예를 들어, 휠 러닝, 굴을 파는 활동, 컨디셔닝된 장소 선호 ^3,4,5)은 전임상 통증 연구의 번역성을 향상시키기 위한 시도로 구현되고 있다.

기계적 충돌 회피 (MCA) 분석은 원래 2016 년^Harte et al. 6에 의해 기술되었고, 래트^7,8에서 주로 사용되며^, 이전 접근법의 변형을 나타낸다 - 장소 탈출 회피 패러다임. 이 접근법에서, 뒷발의 유해한 자극은 그러한 자극(^9,10)을 탈출/회피하기 위해 동물의 의도적인 행동을 유도하기 위해 달리 바람직한 (어두운) 챔버에서 수행된다. 관찰자에 의한 뒷발의 수동 유해한 자극에 의존하는 대신, MCA 분석은 마우스가 혐오스러운 환경에서 벗어나 어두운 챔버에 도달하기 위해 잠재적으로 유해한 자극을 협상하도록 강요합니다. 분석에 그 이름을 부여하는 갈등 / 회피는이 두 가지 경쟁 동기에서 비롯됩니다 : 밝게 빛나는 영역을 탈출하고 발의 유해한 자극을 피하십시오. MCA 분석은 또한 통증 완화와 환경 단서의 결합이 통증 완화 / 보람있는 컨텍스트¹¹에 대한 선호도를 반영하는 행동의 변화를 유도하는 조건화 된 장소 선호도 테스트와 기능을 공유합니다.

근본적으로 말해서,이 모든 분석은 비슷한 접근법을 공유합니다 : 정서적 / 동기 부여 상태의 지표로 한 혐오스러운 환경에 대한 동물의 선호도의 변화를 사용합니다. MCA 분석은 밝게 빛나는 챔버와 조절 가능한 높이 프로브가있는 어두운 중간 챔버와 혐오스러운 자극이없는 어두운 세 번째 챔버로 구성된 3 챔버 패러다임입니다. 부상을 입지 않은 마우스는 일반적으로 밝은 빛에 대한 설치류의 선천적 혐오감을 감안할 때 어두운 방으로 탈출하도록 동기 부여됩니다¹². 이 예에서, 밝게 빛나는 환경에서 벗어나려는 자연스러운 동기는 어두운 환경에서만 독점적으로 발생하는 뒷발 자극 (조정 가능한 높이 프로브)을 만나는 경향을 극복합니다. 대조적으로, 통증을 경험하는 마우스는 (예를 들어, 염증 또는 신경병증으로 인해) 밝은 환경에서 더 많은 시간을 보내도록 선택할 수 있는데, 이는 진행중인 촉각 과민증의 설정에서 기계적 프로브의 불쾌한 촉각 경험을 피하려는 동기가 있기 때문이다.

이 문서에서는 MCA 분석의 수정된 버전에 대해 설명합니다. 우리는 마우스에서 사용하기 위해 원래의 방법 (래트⁶에서 수행됨)을 적응시켰다. 또한 데이터 수집을 간소화하기 위해 테스트된 프로브 높이의 수를 여섯 개에서 세 개(바닥 높이보다 0, 2, 5mm)로 줄였습니다. 이 접근법은 여러 통증 모델에 걸쳐 테스트되었으며 알려진 진통제로 검증되어 통증 과민증 및 / 또는 관련 정서적 및 동기 부여 변화가 이러한 행동 변화를 주도하고 있음을 나타냅니다. 이 접근법은 다른 비 반사 적 조치와 비교할 때 상대적으로 빠르고 적응력이 뛰어나며, 습관화 및 훈련 ^1,2의 며칠이 걸릴 수 있습니다. 통증의 다른 척도와 함께 MCA는 통증의 정서적 및 동기 부여 적 측면에 대한 귀중한 통찰력을 창출 할 수 있습니다.

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프로토콜

생쥐의 사용과 그에 따른 절차와 관련된 모든 실험은 MD 앤더슨 암 센터 및 스탠포드 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었으며, 실험실 동물의 관리 및 사용을위한 국립 보건원 가이드를 엄격히 준수했습니다.

1. MCA 건설

1. 측벽, 바닥, 천장에 사용되는 불투명 한 흰색 3mm 두께의 아크릴에서 125mm x 125mm x 125mm (너비 x 깊이 x 높이)의 125mm x 125mm x 125mm (너비 x 깊이 x 높이)의 챔버 1을 구성합니다. 전면 벽에 투명한 3mm 두께의 아크릴을 사용하십시오. 전용 아크릴 접착제를 사용하여 모든면을 미리 잘 붙입니다.
   주의: 아크릴 접착제는 유해 물질로 간주됩니다 (가연성, 증기 유해성, 삼키면 해로울 수 있으며 피부나 눈을 자극 할 수 있음). 이러한 접착제는 제조업체의 지침에 따라서만 사용해야 합니다(즉, 환기가 잘되는 곳에 적절한 PPE가 있는 경우).
2. 챔버 1의 뚜껑을 힌지로 부착하여 마우스를 챔버에 쉽게 넣고 챔버에서 회수 할 수 있도록하십시오. 자체 접착식 발광 다이오드(LED) 테이프를 뚜껑의 내부 표면에 부착하여 ~4800lux의 조명을 제공합니다.
3. 불투명 아크릴 시트를 위치 안팎으로 밀어 챔버 1을 MCA의 나머지 부분으로부터 닫습니다.
4. MCA 테스트 챔버인 챔버 2를 사방에 반투명 진한 빨간색 아크릴(두께 3mm)로 제작된 270mm 길이의 비조명 챔버로 구성하고, 상단에 힌지가 달린 뚜껑을 덮습니다. 챔버 2의 바닥에 2mm 구멍으로 구성된 13 x 31 그리드를 배치하여 직경 0.5mm 팁(예: 무딘 맵 핀)을 가진 무딘 프로브 어레이가 돌출될 수 있습니다.
   참고 : 120 그릿 사포 블록 또는 이와 유사한 무딘 핀. 구충 소독제로 소독하기 전에 세제로 따뜻한 물로 닦으십시오.
5. 프로브 베이스플레이트 아래에 아크릴 시트를 추가로 배치하여 프로브의 높이를 조정합니다(그림 1). 이 방법을 사용하여 프로브 높이의 세 가지 설정(0mm, 2mm 및 5mm)으로 장치를 구성합니다.
6. 무딘 맵 핀 또는 유사한 재료에 대한 대안으로 3D 프린터 파일을 사용하여 챔버 2의 바닥과 프로브 플레이트를 인쇄합니다(보충 파일 1: 기계 프로브를 참조하는 SpikeBed-MCA.stl 및 챔버 2의 바닥을 형성하는 보충 파일 2: MCA_baseplate.stl 참조).
   참고: 3D 인쇄를 사용할 수 없는 경우 장치의 벽을 구성하는 데 사용된 것과 동일한 아크릴 접착제를 사용하여 아크릴 시트에 핀 맵을 붙입니다.
7. 나일론 12 플라스틱 또는 이와 유사한 것과 같은 빨 수 있고 생체 적합성 재료로 인쇄하십시오 (권장).
8. 다음 치수의 컨스트럭트 챔버 3: 125mm x 125mm x 125mm를 비조명 반투명 진한 빨간색 아크릴 박스(모든면)로 사용하여 챔버 1의 반대쪽 끝에 배치합니다. 챔버 1 및 2와 유사한 힌지 뚜껑을 챔버에 놓습니다. 이 챔버는 챔버 2 내의 기계적 프로브로부터 어두워진 탈출 영역으로서 기능한다.

2. 마우스 MCA 습관화 및 테스트

1. 동물의 행동 결과와 관련된 모든 실험과 마찬가지로, 잠재적 편견을 최소화하기 위해 적절한 무작위 추출과 맹검을 관찰하십시오.
   주: 대표적인 결과는 8-12주령의 수컷 및 암컷 C57BL/6J 마우스(Jackson Laboratories 균주 번호 000664)를 사용하여 생성하였다. 마우스는 케이지 당 최대 5 개까지 사회적으로 수용되었으며, 음식과 물 광고 리비툼 에 접근 할 수 있었고 07:00 h에서 19:00 h 빛주기로 진행되었습니다. MCA는 09:00 h와 12:00 h 사이의 광기에서 일어났습니다.
2. 기준선 테스트가 예정되기 하루 전, 마우스를 케이지 메이트와 함께 5 분 (최소) ~ 15 분 (최대) 동안 MCA 유닛에 적응시켜 전체 장치의 사회적 탐구를 용이하게합니다.
3. 프로세스 전반에 걸쳐, 챔버 1의 LED가 꺼지고, 챔버 1과 2 사이의 장벽이 열린 상태로 유지되고, 프로브가 0의 높이로 설정되도록 하십시오(즉, 챔버 2의 바닥을 통해 돌출되지 않음).
4. 연구가 음성 대조군 동물 (즉, 가짜 수술 또는 비히클 주사 대조군)을 포함하는 경우 마우스의 기준선 시험 (선택적)을 수행한다. 원하는 경우 기준 테스트를 사용하여 챔버 2로 교차하지 않는 부상 없는 이상값을 제외할 수 있지만, 이것이 필요한 것으로 입증되지는 않았습니다. 사용되는 경우, 배제에 대한 모든 기준과 제외된 마우스의 수를 보고한다.
   1. 테스트를 시작하기 전에 전체 MCA 장치의 측면 뷰를 사용하여 삼각대에 1080p 푸티지를 녹화할 수 있는 비디오 카메라를 설정하십시오. MCA가 녹화된 이미지를 채우도록 시야를 조정합니다.
   2. 녹화가 시작되면 카메라의 시야각에 핸드헬드 드라이 지우기 보드를 잡고 동물의 테스트 실행에 대한 식별 정보(예: 마우스 ID, 프로브 높이, 날짜, 시점 등)로 비디오의 시작 부분에 레이블을 지정합니다.
   3. 첫 번째 실행의 경우 프로브 높이를 0으로 설정합니다. 테스트 할 마우스를 홈 케이지에서 장벽 도어가있는 챔버 1로 옮깁니다. 녹화된 푸티지에 표시되는 타이머를 시작합니다.
      참고: 타이머는 테스트의 여러 부분 사이의 간격이 실행 간에 일관되도록 합니다.
   4. 10초 후 챔버 1개의 LED를 켭니다. 마우스가 20초 동안 점등된 챔버에 들어간 후, 챔버 1과 2 사이의 장벽을 철회한다.
   5. 2 분 동안 동물을 관찰하십시오. 테스트가 진행되는 동안 스톱워치로 대기 시간 및/또는 체류 시간을 측정합니다. 대안적으로, 테스트가 완료되면 비디오 영상을 분석할 수 있다.
      참고: 처리량과 혐오스러운 자극에 장기간 노출되는 것을 피하기 위해 컷오프는 2분으로 설정되었습니다.
   6. 확인 된 몇 가지 유용한 결과 중 하나 이상을 측정하십시오 (아래 참조; 그림 1). 주어진 실험 설정에서 행동의 어떤 측면이 다른지 확인하기 위해 테스트를 시작할 때 5 가지 결과 측정을 모두 분석하는 것이 좋습니다.
      1. 옵션 I: 챔버 2에 대한 첫 번째 항목에 대한 대기 시간을 기록합니다. 옵션 II: 챔버 2를 가로질러 중간 이상 횡단하는 대기 시간을 기록합니다. 옵션 III: 챔버 2의 총 체류 시간을 기록합니다. 옵션 IV: 챔버 3(이스케이프)에 도달하기 위한 대기 시간을 기록합니다. 옵션 V : 옵션 II와 마찬가지로 2 분 이내에 각 챔버의 총 체류 시간을 기록하고 비율로 변환하십시오.
         참고 : 모든 실험은 독특하고 질병 모델에 고유 한 생물학적 요인 및 행동 변화의 영향을받을 수 있으므로 연구자는 이러한 측정 및 기타 조치를 스스로 실험 할 수 있습니다.
   7. 검사가 완료되면 마우스를 홈 케이지로 돌려 보내고 70 % 에탄올로 MCA 챔버를 청소하고 완전히 건조시킵니다.
      참고 : 배설물 볼리는 일반적으로 에탄올 / 소독제 전에 종이 타월로 챔버에서 비교적 쉽게 청소할 수 있습니다. 보다 철저한 청소가 필요한 경우, 챔버 2와 3을 분해하여 따뜻한 비눗물에 담글 수 있습니다.
   8. 프로브 높이가 0으로 설정된 코호트에서 모든 마우스를 실행한 후, 3mm 길이의 아크릴 시트를 기계적 프로브 베이스플레이트 아래에 삽입하고 프로브 높이 2mm로 2.4.2 내지 2.4.7단계를 반복한다.
   9. 프로브 높이가 2mm로 설정된 모든 마우스를 실행한 후, 프로브 베이스 플레이트 아래에 두 번째 3mm 아크릴 시트를 넣고 프로브 높이가 5mm인 상태에서 2.4.2 ~ 2.4.7단계를 반복합니다.
      참고: 8마리의 마우스 그룹은 이 접근법을 사용하여 약 2시간 내에 시험할 수 있다. 더 정확한 약물 후 타이밍이 필요한 경우 (예 : 약물 시간 코스 실험의 경우) 더 작은 그룹 크기를 사용하십시오.
   10. 테스트 세션이 끝날 때 소독제로 최종 청소를 수행하십시오.
5. 통증 과민증을 유발 한 후 및 / 또는 약물 치료로 테스트를 반복하십시오.
6. 기준선에서의 각 마우스의 성능을 통증이 유발 된 후의 성능과 비교하십시오. 비히클 처리 동물과 약물 치료 동물을 동시에 비교하여 약리학 적 개입의 영향을 평가하십시오.
7. 동물이 원하는 결과 측정값을 만족시키지 않고 2분 컷오프에 도달하면 비모수 통계 분석(예를 들어, Mann Whitney U Test)을 수행하여 비연속 데이터를 생성합니다.

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결과

MCA 분석은 여러 기계적으로 구별되는 마우스 통증 모델과 함께 성공적으로 사용되었습니다. 도 2는 선택의 결과 측정이 챔버 2 의 중간 지점을 횡단했던 데이터를 도시한다(도 2A). 챔버 3으로의 탈출 대 중간 지점을 사용하여 얻은 데이터는 매우 유사하며, 5 mm 프로브 높이를 갖는 신경병증성 통증의 절약 신경 손상 (SNI) 모델에서 챔버 3 탈출에 대한 중?...

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토론

모든 행동 테스트와 마찬가지로, 적절한 취급, 무작위 화 및 동물 치료에 대한 맹목은 전체적으로 필수적입니다. 복잡한 행동과 의사 결정에 대한 다요인적 투입을 감안할 때, 동물은 고통을 최소화하면서 가능한 한 일관되게 다루고, 습관화하고, 테스트해야합니다. 또한 챔버 1에서 마우스 배치 타이밍을 재현하고, LED 조명을 켜고, 장벽을 제거하는 데주의를 기울여야합니다.이 차이는 후속 동작?...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
32.8ft 3000K-6000K Tunable White LED Strip Lights, Dimmable Super Bright LED Tape Lights with 600 SMD 2835 LEDs	Lepro	SKU: 410087-DWW-US	For lighting chamber 1. https://www.lepro.com/32ft-dimmable-tunable-white-led-strip-lights.html
3D printed 'spike bed' and 'chamber 2 floor'	Shapeways	N/A	Optional, for mechanical probes as an alternative to blunted map pins.
70% ethanol	Various	N/A	To clean MCA between mice.
Acryl-Hinge 2	TAP Plastics	N/A	for attaching chamber lids to rear walls. https://www.tapplastics.com/product/plastics/handles_hinges_latches/acryl_hinge_2/122
Chemcast Cast Acrylic Sheet, Clear	TAP Plastics	N/A	3mm thick. For front wall of chamber 1. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_cast_clear/510
Chemcast Cast Transparent Colored Acrylic, Transparent Dark Red - 50%	TAP Plastics	N/A	3mm thick. 50% light transmission. For walls and lids of chambers 2 and 3. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_transparent_colors/519
Chemcast Translucent & Opaque Colored Cast Acrylic, Sign Opaque White - 0.1%	TAP Plastics	N/A	3mm thick. For side walls and lid of chamber 1. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_color/341
Disinfectant (e.g. Quatricide)	Pharmacal Research Laboratories, Inc.	65020F	To disinfect MCA at the end of a testing session.
Dry-erase markers and board	Various	N/A	To add experimental info to the beginning of video footage.
Map pins	Various	N/A	Optional, for mechanical probes. Use sandpaper to blunt sharp points before use. Can be used in place of 3D-printed parts.
Paper towels	Various	N/A	To clean/disinfect MCA.
SCIGRIP Weld-On #3 Acrylic Cement	TAP Plastics	N/A	For assembling acrylic sheets into chambers and affixing hinges. https://www.tapplastics.com/product/repair_products/plastic_adhesives/weld_on_3_cement/131
Stopwatch	Various	N/A	To record escape latencies/dwell times in real-time or from recorded video.
Timer	Various	N/A	To ensure LED turn-on, barrier removal and test completion are timed consistently.
Video camera	Various	HDRCX405 Handycam Camcorder	To record mouse behavior in the MCA device. Can be substituted with any consumer-grade video camera capable of 1080p resolution.
Tripod	Famall	N/A	Any tripod that can hold the camera at bench height for recording MCA footage is acceptable.