白珊珊,莫思怡,徐嘯翔,劉 云,謝秋菲△,曹 燁△
(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院, 1.修復(fù)科, 2.口頜功能診療研究中心 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室, 北京 100081)
口頜面疼痛可由多種疾病引起,其機制尚未完全明確,也缺乏有效的治療手段[1-2]。臨床有部分患者因咬合干擾出現(xiàn)口頜面疼痛,甚至表現(xiàn)為廣泛的頜面部疼痛,影響患者身心健康,其機制研究具有重要意義。
評估各種動物模型的疼痛程度是疼痛研究的重要方法,嚙齒類動物的疼痛可分為刺激誘發(fā)性疼痛(stimulus-evoked pain)與非刺激誘發(fā)性疼痛(non stimulus-evoked pain)[3-4],分別對應(yīng)動物行為的誘發(fā)反應(yīng)與非誘發(fā)反應(yīng),如von Frey法、熱板測試等都是經(jīng)典的刺激誘發(fā)反應(yīng)實驗。動物疼痛表情測量量表、操縱行為實驗(operant behavior)、跑輪實驗等均為非刺激誘發(fā)反應(yīng)實驗[3-4]。誘發(fā)反應(yīng)包括機械刺激及熱刺激誘發(fā)反應(yīng),其中使用von Frey纖維是經(jīng)典的機械刺激誘發(fā)反應(yīng)測試方法[5-6],當所使用的von Frey纖維刺激超過疼痛閾值后,動物會出現(xiàn)抓臉、理毛、回避等行為,研究者通過這些行為判定疼痛,該方法操作簡單,可重復(fù)測量。但是,有研究指出這些行為均屬于受腦干支配的反射行為[7],另外,該方法對疼痛的評估主要依賴于研究者的操作與判斷,較易出現(xiàn)實驗者偏倚[7-9]。動物的非刺激誘發(fā)疼痛與人類的自發(fā)性疼痛和背景疼痛(background pain)相似,非刺激誘發(fā)疼痛均可歸于此類。人類的疼痛行為多為非刺激誘發(fā)反應(yīng),行為復(fù)雜,因此使用多種行為學(xué)方法研究這些行為學(xué)表現(xiàn)具有重要意義[3-4]。近年來,Neubert等[9]創(chuàng)建了行為學(xué)方法——口頜面自我賞罰實驗(orofacial operant test),此方法基于操縱行為測試(operant behavior test),旨在通過獎賞-懲罰模式評價動物的疼痛表現(xiàn)[8-10]。自我賞罰實驗允許動物在接受獎賞或逃避傷害性刺激間做出選擇,與誘發(fā)反應(yīng)測試方法相比更為客觀,更能反映動物高級中樞對傷害性刺激加工后的表現(xiàn)[9-11]。
三叉神經(jīng)病理性疼痛模型與咬合干擾模型(experimental occlusal interference, EOI)均是口頜面疼痛研究中的重要動物模型,三叉神經(jīng)病理性疼痛模型的大鼠表現(xiàn)出明顯的口頜面誘發(fā)疼痛反應(yīng)(如機械刺激反應(yīng)閾值下降)和自發(fā)性反應(yīng)(如術(shù)后實驗動物出現(xiàn)特定的疼痛表情及異常的面部梳理行為)[12-15]。相關(guān)模型包括眶下神經(jīng)慢性縮窄模型(chronic constriction injury of the infraorbital nerve,ION-CCI)、部分眶下神經(jīng)結(jié)扎模型(partial infraorbi-tal nerve ligation,pIONL)、部分眶下神經(jīng)切斷模型(partial infraorbital nerve transection,pIONX)等,既往已有關(guān)于ION-CCI模型與pIONL模型的自我賞罰實驗研究[8,16]。EOI模型包括在實驗動物牙齒上加冠、咬合板等方式施加咬合干擾形成口頜面疼痛模型[12-13],既往研究中未見此動物模型的自我賞罰實驗相關(guān)研究。
本課題組的前期研究建立了成熟穩(wěn)定的EOI模型和神經(jīng)病理性疼痛模型,并對誘發(fā)痛敏行為學(xué)有較深入的研究。本實驗旨在將自我賞罰實驗引入EOI模型,探索新的頜面部行為學(xué)研究方法,同時測定神經(jīng)病理性疼痛模型的自我賞罰實驗行為學(xué)結(jié)果,比較不同疼痛模型的痛敏特點異同,并將兩種模型的自我賞罰實驗結(jié)果與誘發(fā)反應(yīng)結(jié)果相對比,以期能全面反映不同疼痛模型的疼痛特點。
健康雄性Sprague-Dawley SPF級大鼠60只,初始體質(zhì)量180~200 g,由北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司提供[實驗動物生產(chǎn)許可證號:SCXK(京)2016-0011],飼養(yǎng)于北京大學(xué)口腔醫(yī)院[實驗動物使用許可證號:SYXK(京)2016-0007]。24 h晝夜交替,室溫25 ℃,誘發(fā)反應(yīng)實驗大鼠自由飲食飲水,自我賞罰實驗大鼠測試日預(yù)先禁食不禁水,其余時間自由飲食飲水。實驗動物倫理審查批準號:LA2017091。
1.2.1大鼠EOI模型的建立 參考Cao等[17]的實驗方法,實驗組大鼠經(jīng)乙醚輕度麻醉后,取上頜藻酸鹽印模,灌制模型,制作右上第一磨牙鎳鉻合金牙冠,確定牙合面厚度為0.4 mm。大鼠于1%(體積分數(shù))戊巴比妥鈉(40 mg/kg,Sigma,USA)全身麻醉下使用樹脂粘接劑(Panavia F,Kuraray,Japan)將牙冠粘固于大鼠右上第一磨牙。sham組大鼠為假手術(shù)組,操作步驟同手術(shù)組但不粘固牙冠。
1.2.2大鼠pIONX模型的建立 參考Cao等[18]的實驗方法,大鼠在1%戊巴比妥鈉全身麻醉下,于右上第一磨牙前齦頰溝處行縱行切口,鈍性分離周圍組織,暴露眶下神經(jīng)分支。使用顯微外科剪剪斷約外側(cè)1/2的眶下神經(jīng)分支,術(shù)后縫合線縫合傷口。sham組大鼠為假手術(shù)組,操作步驟同手術(shù)組,但不進行神經(jīng)切斷。
實驗大鼠在建模前4~6 d熟悉環(huán)境,實驗者每日安撫大鼠30 min,之后使用von Frey纖維測定建模前與建模后固定時間點EOI組與pIONX組大鼠雙側(cè)觸須墊機械刺激反應(yīng)閾值。
實驗使用Ugo Basile面部疼痛測試儀(Ugo Basile Orofacial Stimulation Test System,ComerioVA,Italy), 該儀器由標準動物籠與測試單元連接而成,測試單元主要包括刺激裝置、食物獎勵、紅外線探頭等部分,刺激裝置包括機械刺激模塊與溫度刺激模塊,提供頜面部機械與熱傷害性刺激。機械刺激裝置包括三種不同的密度模塊,模塊上分別設(shè)有不同數(shù)量的NiTi刺激絲,分別為(左側(cè)+右側(cè))6+6、9+9與13+13(圖1)。實驗過程中,動物將頭探出窗口獲得食物獎勵時會觸動刺激裝置產(chǎn)生頜面部傷害性刺激,通過分析動物忍受傷害性刺激時的攝食情況(攝食總時間與攝食總次數(shù))評估其疼痛程度。
具體測試方法參考Cha等[8]的研究,非測試期大鼠自由飲食飲水,測試日預(yù)先禁食,將大鼠置于標準動物籠中,放置機械刺激模塊,提供食物獎勵,大鼠經(jīng)過窗口獲得食物獎勵時紅外裝置可自動檢測該行為并將結(jié)果傳入計算機,大鼠經(jīng)過適應(yīng)期訓(xùn)練后,能夠忍受機械刺激間斷性獲取食物獎勵。大鼠每次測試時均先熟悉環(huán)境,隨后打開攝食窗口,測試大鼠固定時間段內(nèi)的攝食水平。本實驗參考相關(guān)研究的參數(shù)[8-10]進行設(shè)計,結(jié)合EOI模型特點,最終將禁食時間確定為(20±1) h,食物獎勵為30%(體積分數(shù))煉奶(Nestle Carnation),飲水瓶口與機械刺激間距離為14 mm,大鼠在攝食期間機械刺激位于觸須墊后方至咬肌前緣,機械刺激選擇中等密度模塊(9+9 NiTi刺激絲)。大鼠在進入測試籠后先熟悉環(huán)境10 min,隨后打開窗口,測試10 min攝食水平(攝食總時間與攝食總次數(shù))。
既往研究已證實EOI與pIONX模型的建立對實驗大鼠體質(zhì)量無影響[17-18]。選擇與后續(xù)行為學(xué)實驗動物起始體質(zhì)量接近的大鼠12只(自由飲食飲水大鼠6只與間斷性禁食大鼠6只), 按照后續(xù)行為學(xué)實驗時間點測定實驗動物體質(zhì)量并進行比較。
實驗采用盲法,大鼠隨機分為8組(每組6只),4組為機械刺激誘發(fā)反應(yīng)組,以von Frey纖維測定機械刺激反應(yīng)閾值(分別為sham-EOI、EOI、sham-pIONX、pIONX組,sham為假手術(shù)組);4組為自我賞罰實驗組,以Ugo Basile口頜面疼痛測試儀測定自我賞罰實驗行為學(xué)表現(xiàn)(分別為sham-EOI、EOI、sham-pIONX、pIONX,sham為假手術(shù)組)。
機械刺激誘發(fā)反應(yīng)組中的4組大鼠分別于建模前1~3 d及建模后1、3、7、10、14、21 d每天固定時間點測試,每側(cè)重復(fù)測試5次,每次間隔1 min,取平均值作為該側(cè)機械刺激反應(yīng)閾值。自我賞罰實驗組大鼠進行2周適應(yīng)訓(xùn)練,熟悉自我賞罰行為學(xué)實驗儀器及人員,適應(yīng)訓(xùn)練成功的大鼠在測試期間可忍受頜面部傷害性刺激,間斷性獲得食物,且攝食水平穩(wěn)定。訓(xùn)練成功的大鼠在適應(yīng)訓(xùn)練期結(jié)束后,連續(xù)測定3次基線攝食水平,取平均值為基線攝食水平,測定基線后,分別于建模后1、3、7、10、14、21 d每天固定時間點進行大鼠自我賞罰實驗行為學(xué)測定。
使用SPSS 20.0軟件,計量資料以均數(shù)±標準誤表示,對自由飲食飲水大鼠與間斷性禁食大鼠的每次平均體質(zhì)量采用獨立樣本t檢驗分析兩組間差異,對各組不同時間點的機械刺激反應(yīng)閾值與自我賞罰行為學(xué)結(jié)果分別采用重復(fù)測量方差分析、Bonferroni后檢驗,對各組相同時間點的機械刺激反應(yīng)閾值與自我賞罰行為學(xué)結(jié)果進行多因素方差分析、Bonferroni后檢驗。P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
自由飲食飲水大鼠與間斷性禁食大鼠在測試期間體質(zhì)量均出現(xiàn)緩慢增加,7 d開始間斷性禁食大鼠的體質(zhì)量略低于自由飲食飲水大鼠,21 d兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),其余時間點差異無統(tǒng)計學(xué)意義(圖2)。
機械刺激誘發(fā)反應(yīng)組中,sham-pIONX與pIONX組大鼠雙側(cè)機械刺激反應(yīng)閾值變化見圖3。pIONX組大鼠手術(shù)側(cè)與非手術(shù)側(cè)機械刺激反應(yīng)閾值均下降,1~21 d與對照組相比差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),7~10 d達到最低點,之后出現(xiàn)升高,但機械刺激反應(yīng)閾值持續(xù)至觀察終點仍未恢復(fù)至基線水平(P<0.05),雙側(cè)機械反應(yīng)閾值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
自我賞罰實驗組中,sham-pIONX與pIONX組大鼠在建模后一周內(nèi)總攝食時長均呈現(xiàn)上升趨勢,但各時間點間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。建模7 d后,大鼠總攝食時長下降,10~14 d最低,之后出現(xiàn)回升,但在測試末仍未回到基線水平,pIONX組大鼠建模后10、14、21 d總攝食時長與對照組相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),與自身基線相比差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。實驗期間兩組總攝食次數(shù)的各時間點差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見圖4。
機械刺激誘發(fā)反應(yīng)組中,sham-EOI與EOI組大鼠雙側(cè)機械刺激反應(yīng)閾值變化見圖5。EOI組在施加0.4 mm咬合干擾后,機械刺激反應(yīng)閾值呈下降趨勢,但建模后1~3 d與對照組相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),之后機械刺激反應(yīng)閾值顯著下降,7~21 d與對照組相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),7 d達到最低點,之后有所回升,但持續(xù)至觀察終點差異仍有統(tǒng)計學(xué)意義。EOI組大鼠干擾側(cè)與非干擾側(cè)機械刺激反應(yīng)閾值間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。
自我賞罰實驗組中,sham-EOI組大鼠攝食水平穩(wěn)定,總攝食時長與總攝食次數(shù)各時間點間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。 EOI組大鼠在建模后,總攝食時間顯著下降,與對照組相比,1~21 d差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),7~10 d最低,之后出現(xiàn)回升,但持續(xù)至觀察終末差異仍有統(tǒng)計學(xué)意義。建模后7、10、14 d總攝食時間與自身基線的對比結(jié)果差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),實驗期間兩組的總攝食次數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見圖6。
目前認為疼痛是一種多維的復(fù)合感覺,一個簡單的痛覺過程至少包含三個維度:感覺維度、情緒維度和認知維度[19]。動物模型與疼痛行為評估均是疼痛研究的重要組成,一直以來,該領(lǐng)域的研究者們不斷創(chuàng)新、發(fā)展實驗方法,以期能客觀評價實驗動物疼痛行為。動物疼痛行為評估通常包括“反射行為”(reflexive behaviors)與“自愿行為”(voluntary reactions),其中又包括非習(xí)得與習(xí)得行為[20]。不同評估方法可獲得不同信息,如動物的屈肌反射中樞為脊髓,更復(fù)雜的非習(xí)得行為(如舔爪、發(fā)聲、理毛等)的中樞可能由腦干介導(dǎo)[20-23],這些非習(xí)得行為在去大腦的動物中也可觀察到[7],較之更復(fù)雜的習(xí)得行為則需要經(jīng)過大腦加工處理,如實驗動物通過操縱實驗學(xué)會自我選擇食物或逃避傷害性刺激。因此,客觀評價習(xí)得行為更能反映高級中樞對傷害性刺激的整合,對研究疼痛的中樞機制具有重要意義。
Ugo Basile口頜面疼痛測試儀是一種能夠評估反應(yīng)高級中樞對疼痛整合行為的儀器,曾用于研究三叉神經(jīng)病理性疼痛(眶下神經(jīng)慢性縮窄模型與眶下神經(jīng)部分結(jié)扎模型)、口頜面炎性痛模型,探索行為學(xué)特點及其相關(guān)機制[8-11,24],在三叉神經(jīng)病理性疼痛研究中,多個實驗均使用該方法評價了動物模型的行為學(xué)特點,探索該模型實驗動物機械痛覺過敏與冷刺激痛覺過敏的自我賞罰實驗行為學(xué)表現(xiàn)[8-10]。
臨床上可觀察到咬合干擾相關(guān)口頜面疼痛患者的焦慮、抑郁等評分較高,更容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情緒。動物研究也提示,咬合問題與情緒、精神心理等因素相關(guān),如一項關(guān)于獼猴的研究顯示,功能失調(diào)的咬合關(guān)系可能導(dǎo)致與情緒壓力相關(guān)的磨牙癥[25]。顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病(temporomandibular disorders, TMD)相關(guān)口頜面疼痛研究顯示,咬合因素可能為TMD的危險因素,而TMD患者多伴有心理問題[26-27]。本課題組的前期研究發(fā)現(xiàn),海馬、前扣帶回等均參與了咬合干擾致口頜面痛敏的中樞機制[28-29],提示該模型痛覺的產(chǎn)生與情緒認知等相關(guān)。因此,使用自我賞罰實驗方法可能更全面地反映該模型的行為學(xué)特點。
自我賞罰實驗在既往的研究應(yīng)用中,測試前禁食時間多為12~15 h,機械刺激多選擇密度最低的機械刺激模塊(6+6 NiTi刺激絲),食物獎勵包括30%煉奶與20%蔗糖[8-11,30-31]。本研究的預(yù)實驗發(fā)現(xiàn),設(shè)置三種不同密度NiTi刺激絲時,實驗大鼠總攝食時間隨密度增加而降低,訓(xùn)練失敗的大鼠增多,但大鼠疼痛時總攝食時間的變化量增加,另一方面,隨禁食時長增加,實驗動物總攝食時長增加,EOI組大鼠使用最低密度NiTi刺激絲時,施加干擾后總攝食時間降低較少,綜上,我們最終選擇中等密度NiTi刺激絲與更長的禁食時間,以達到建模后實驗動物總攝食時間變化量明顯,且適應(yīng)期后總攝食時間與大部分相關(guān)研究相似(≥200 s/10 min)。EOI模型與既往研究中神經(jīng)病理性疼痛與急性炎性痛模型相比,可能具有疼痛癥狀較輕、動物自發(fā)性行為更少的特點,因此更長的禁食時長與較強的機械刺激更適用。
自我賞罰實驗?zāi)軌蚍从掣呒壷袠袑μ弁吹恼?,實驗過程操作方便,實驗大鼠在適應(yīng)期訓(xùn)練結(jié)束后,實驗人員每次測試僅需安裝操作儀器,并不需對實驗大鼠反復(fù)操作,能夠減少實驗動物恐懼、緊張等心理,且實驗結(jié)果穩(wěn)定,不同模型對照組及假手術(shù)組大鼠的攝食水平穩(wěn)定。但是,自我賞罰實驗也存在一些缺點,如實驗周期長,適應(yīng)期訓(xùn)練需要2~3周,實驗動物存在訓(xùn)練失敗的可能,實驗前需對大鼠禁食。
本研究評價了禁食對實驗動物的影響,以往關(guān)于EOI模型與pIONX模型的研究顯示建模并不會影響實驗大鼠的體質(zhì)量增長[17-18],因此,本研究僅探索自我賞罰實驗方法對實驗大鼠的體質(zhì)量影響。實驗中發(fā)現(xiàn),隨實驗時間延長,自我賞罰實驗大鼠與空白對照大鼠相比,體質(zhì)量增長較慢,測試第21天兩組體質(zhì)量差異有統(tǒng)計學(xué)意義,提示實驗中長期間斷性禁食影響大鼠生長。后續(xù)研究中,隨實驗時間延長,測試時間點間隔應(yīng)延長,尤其在長期慢性痛研究中,需要注意禁食時間與禁食時長的選擇。
本實驗結(jié)果顯示,pIONX模型與EOI模型大鼠在建模后von Frey纖維機械誘發(fā)反應(yīng)實驗結(jié)果與自我賞罰實驗結(jié)果中表現(xiàn)出不同的時程特點。
pIONX模型建模后,機械刺激誘發(fā)疼痛在建模后1 d開始出現(xiàn),持續(xù)到測試末,而自我賞罰行為學(xué)表現(xiàn)則在建模1周后下降。自我賞罰實驗疼痛行為的出現(xiàn)晚于機械刺激誘發(fā)的疼痛行為,原因可能為手術(shù)導(dǎo)致的急性神經(jīng)損傷后,損傷神經(jīng)周圍會出現(xiàn)異位神經(jīng)斷端的異常興奮,并對內(nèi)源性細胞因子等反應(yīng)增強,引起實驗動物對機械刺激的躲避行為[32-33],但并不影響自我賞罰實驗行為表現(xiàn),隨時間延長,疼痛逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁?,出現(xiàn)了中樞敏化,神經(jīng)病理性疼痛表現(xiàn)出神經(jīng)損傷后持續(xù)的異常輸入引發(fā)的脊髓背角神經(jīng)元興奮性增強、腹后丘腦脊髓背角廣動力范圍神經(jīng)元興奮性增強、前扣帶回星形膠質(zhì)細胞標記物表達上調(diào)等[18,33-34],此時,自我賞罰實驗的行為學(xué)表現(xiàn)即總的攝食時長開始減少。
EOI模型建模后,機械刺激誘發(fā)的疼痛在建模后7 d差異有統(tǒng)計學(xué)意義,持續(xù)到測試末,而自我賞罰實驗的疼痛出現(xiàn)早于機械刺激誘發(fā)的疼痛,提示0.4 mm咬合干擾會直接刺激大鼠口腔內(nèi)多種感受器,給實驗大鼠帶來的不適感更強,自我賞罰實驗的陽性結(jié)果出現(xiàn)得更早。既往研究也顯示,長期EOI模型存在外周與中樞敏化機制,隨咬合干擾時間延長,實驗大鼠出現(xiàn)中樞敏化,表現(xiàn)為長期咬合干擾后三叉神經(jīng)脊束核尾側(cè)亞核神經(jīng)元反應(yīng)高度活躍、膠質(zhì)細胞活化、前扣帶回突觸傳導(dǎo)增強等,另外海馬的記憶功能也參與相關(guān)機制[28-29,35]。中樞敏化也表現(xiàn)為痛敏感受野擴大,出現(xiàn)觸須墊機械反應(yīng)閾值降低,因此,自我賞罰實驗的疼痛感受出現(xiàn)早于觸須墊局部機械刺激誘發(fā)反應(yīng)的疼痛。
上述結(jié)果也提示,對于機械刺激誘發(fā)的疼痛出現(xiàn)晚于自我賞罰實驗陽性結(jié)果的模型(如EOI模型),自我賞罰實驗可應(yīng)用于觀察建模后早期的疼痛表現(xiàn),對研究這一階段的口頜面疼痛機制有重要意義。實驗中,兩種模型總攝食次數(shù)與對照組相比差異均無統(tǒng)計學(xué)意義,組內(nèi)差異大,這與既往大部分研究相同,反映出不同實驗大鼠個體間的攝食習(xí)慣差異[8-10]。
綜上,自我賞罰實驗可以作為咬合干擾致口頜面疼痛的行為學(xué)測定新方法,在神經(jīng)病理性疼痛和咬合干擾所致口頜面疼痛的模型中均可穩(wěn)定應(yīng)用。在本實驗兩種模型中,自我賞罰實驗與機械刺激誘發(fā)反應(yīng)均表現(xiàn)出了不同的痛敏時程,兩種方法互為補充可以更全面地揭示不同模型的疼痛行為學(xué)特點,在未來研究中應(yīng)根據(jù)不同實驗研究的需要選擇合適的行為學(xué)方法,以更好地探索口頜面疼痛的相關(guān)機制。
北京大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版)2020年1期