慢性疼痛动物模型：皮层可塑性作为其新终点测量方法

摘要： 慢性疼痛的动物模型被广泛用于研究慢性疼痛的基本机制，并评估潜在的新的治疗慢性疼痛的药物。用于测量慢性疼痛的不同的标准之中，行为反应通常被用来作为终点测量。然而，并不是所有的慢性疼痛情况可以通过行为反应被容易地测量的，如头痛，幻痛和疼痛相关的脊髓损伤。提出皮质指数在疼痛相关的皮质区的神经元的可塑性变化，可以作为用于慢性疼痛的终点测量。皮质指数不仅适用于缺乏动物模型支撑的慢性疼痛条件，也作为潜在药物治疗慢性疼痛的额外筛选方法。这些皮质指数是活动依赖性的即时早期基因、电生理鉴定的可塑性变化及信号蛋白的生化分析。它可以被用来评估新的作用于周围或脊髓部位的镇痛化合物。我希望，这些新的皮质终点测量将有助于我们的搜索新的，更有效的，疼痛的药物，并有助于减少虚假药物靶点。

介绍：疼痛至少有两种不同的主要形式：急性疼痛，持续时间短，并经常作为保护和学习的信号。它也被称为生理上的疼痛，部分原因是由于其重要的生理功能。第二种形式是慢性疼痛，是持久的疼痛所造成的损伤组织或神经系统。虽然它也通知动物或患者受伤部位，慢性疼痛的长期成分不是生理上的关键，它会导致认知障碍，情感的痛苦，睡眠和情绪障碍的损失。因此，它也被称为病理性疼痛。由于缺乏对疼痛机制的细胞和分子机制的认识；黑盒实验研究疼痛的实验方法已被基础研究人员和药物开发人员广泛应用。许多不同的实验方法，其中，对伤害性刺激的行为反应或机械刺激后组织或神经损伤被广泛用于新药物的潜在镇痛作用的研究，常拟作为疼痛指标的终点。神经生物学方法的使用主要是针对疼痛传导的基本机理的研究，调制和可塑性；尚未使用或作为痛苦的终点测量。

面临的问题：药物发现和转化医学研究：虽然慢性疼痛的动物模型，极大地促进了我们的理解基本的疼痛机制，仍然有许多主要的问题，使用动物行为模型不能解决。许多形式的临床疼痛无法模仿的动物模型。例如，它是很难衡量的截肢动物的痛苦；在脊髓损伤动物中测量伤害性戒断反应是不可能的。模仿头痛和慢性背部疼痛的动物也被证明是非常困难的，因为没有一个明确的行为与运动相关的运动反应，可以测量这样的痛苦。此外，即使在许多疼痛的条件下，在动物行为反应的疼痛的测量是可能的，疼痛指数往往会受到运动或前运动功能不必要的副作用。例如，在化疗引起的神经性疼痛的动物模型情况下，同样的化学物质也造成运动神经元/神经损伤。运动功能的缺陷直接影响伤害性反应的测量，如果只使用运动反应作为疼痛指数，如撤退阈值或延迟。大多数潜在的镇痛药物也作用于非选择性运动神经元。

经典的疼痛终点---慢性疼痛的行为模型：行为研究已被广泛用于测量慢性疼痛的终点。大多数药物的药物发现主要集中在两个主要领域：目标蛋白和行为的终点。慢性疼痛动物模型中的行为评价作为临床前研究的终点。尽管行为测试有许多局限性（任何药物或基因突变的前运动或运动副作用都可以很容易地影响在自由运动条件下的行为反应）未提供一致的非行为终点的慢性疼痛也使药物发现变得复杂，很多潜在靶向药物在慢性疼痛动物模型中表现很好。

皮层可塑性作为慢性疼痛的终点测量：提出使用皮层可塑性作为一个端点测量慢性疼痛，包括生化，电生理和成像测量。这种非行为的测量也可以在动物模型（如炎症性和神经性疼痛的动物模）被用来测量皮质反应，行为测试是适用的。在行为测量是不可能的疼痛类型情况下，这些皮质标记物可以用来评估疼痛。皮质长期变化可作为测量慢性疼痛动物模型药物作用的标志物。如果他们是潜在的镇痛药的慢性疼痛，作用于周围或脊髓水平的药物可能会减少或抑制这些激活的皮质。

1、 活性依赖的即刻早期基因（IEG）：活动依赖的即刻早期基因被中枢神经系统中的活动神经元激活。外周伤害性刺激或损伤引起c-fos和cAMP反应元件结合蛋白磷酸化激活（pCREB）在脊髓背角神经元。这种激活在脊髓背角神经元可以抑制或阻断药物或抑制行为敏感化。利用基因敲除小鼠实验表明，IEG激活量可能同疼痛行为表型相关。腺苷酸环化酶亚型1（AC1）或Ac1和AC8基因敲除小鼠表明：慢性炎性痛和神经病理性疼痛明显减少。在AC1，AC8，或Ac1和8双基因敲除小鼠（DKO），pCREB免疫后引起的炎症也减少了。类似于ACC，基因表达量也可能同疼痛行为表型相关。除了检测基线神经元损伤后的变化，动物在受伤后两周，IEG活性返回到ACC的基线水平。非伤害性刺激，通常没有引起任何明显的行为反应和基因表达。在成年大鼠神经损伤相似的研究报道，轻度伤害性刺激引发的皮层phosphorylated-c-jun活性显著激活。

2、 皮层电位：谷氨酸位于皮质区，包括主要的兴奋性递质ACC。CFA注射引起的谷氨酸介导的兴奋性输入输出关系显著增强传输成年小鼠的ACC。在大鼠炎症动物中也发现了类似的变化。Bie等人发现：CFA大鼠炎症引发在ACC神经元增加AMPA受体介导的反应，观察的输入输出曲线左移。

3、 在体内电生理作为慢性疼痛的直接证据：一个关键问题是是否损伤ACC的可塑性造成正常动物ACC突触传递的长期变化。为了测试这一点，我们使用麻醉大鼠进行了实验。我们测量周围的电击放置记录电极对麻醉大鼠ACC的突触反应。在高强度的刺激下，足以激活伤害性Aδ和C纤维，诱发突触性后电位。数字截肢侧的后爪迅速而持久的增强（超过120分钟）的感观反应。感官反应的增强不需要受伤后持续活动。这些结果表明，塑性变化可能在ACC突触过程中发生。此外，麻醉大鼠体内的细胞内记录已证实了类似的研究结果。

4、 长期结构改变：考虑到广泛分布的神经元可塑性发生在周围损伤后的中枢神经系统，预计将发现与慢性疼痛有关的脑区长期变化。众所周知，在断肢的猴上报道了皮层重组躯体感觉皮层。最近，如慢性背部疼痛，已被报道患者皮质区的损失。在炎症性疼痛或慢性疼痛的动物模型中，镇痛药抑制大分子的合成。也有报道皮质区神经损伤的结构或突触的变化。Metz等人报道的2 / 3层锥体神经元在对侧内侧前额叶皮质（mPFC）急性片在大鼠坐骨神经性疼痛的神经损伤模型显示损伤与假手术动物的前额叶皮质之间的形态差异。受伤的大鼠的神经元的基底树突更长，同假手术的动物相比有更多的分支。脊柱密度也有选择地增加在受伤的大鼠的神经元基底树突。

5、 皮质终点如何应用：损伤触发大脑不同部位的分子和细胞的变化。这取决于大脑的特定区域，这些神经生物学变化会导致疼痛的不同方面，如学习和记忆、焦虑、不愉快和关注。虽然这些变化中的一些可以观察到的行为水平（即，减少延迟撤退，或增强对有害刺激的反应），在行为层面很难进行研究。对人而言使用皮质的终点评估新的药物对脊髓损伤引起的疼痛的影响是使用的一个很好的例子。但在脊髓损伤的动物模型中，用行为试验来评价药物的镇痛效果是不可能的。我建议可以使用皮质终点。例如，在疼痛相关脑区如IEGS激活可用于评价早期活性，在脊髓损伤引起的慢性疼痛中，测量谷氨酸介导的反应和生化标记物可以用来评估增强的传导。使用皮质指数来研究动物的"疼痛"有一定的局限性。重要的是要进行额外的实验，以区分这些皮质指数，是重要的疼痛相关的记忆，但不是痛苦本身的可能的变化。考虑到皮层神经元在不同的情况下往往被激活，如果损伤也位于大脑内，这不是一个容易的任务。使用选择性的基因操纵的小鼠或药物抑制剂可能有助于解决这些问题。

结论：综上所述，神经生物学研究生理和病理机制的疼痛和慢性疼痛对理解皮质区长期可塑性变化提供重要信息。在慢性疼痛的过程中这些皮质的变化可以作为一个有价值的指标来衡量动物的"疼痛"。

http://link.springer.com/article/10.1186/1744-8069-7-54