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背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究

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背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究 背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究倡 宋英1 ,张咏梅1,徐洁1 ,武静茹1,秦霞1 ,花嵘2 (1.徐州医学院麻醉学重点实验室,江苏 徐州 221004;2.中国人民解放军第九七医院急诊科,江苏 徐州 221004)   摘要:目的 探讨大鼠腰 4、5背根神经节慢性压迫 (chronic compression of dorsal root ganglion ,CCD)损伤后, 脊髓背角广动力 (wide dynamic range, WDR)神经元电生理学特性的改变。 方法 健康 SD大鼠随机分为正...
背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究
背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究倡 宋英1 ,张咏梅1,徐洁1 ,武静茹1,秦霞1 ,花嵘2 (1.徐州医学院麻醉学重点实验室,江苏 徐州 221004;2.中国人民解放军第九七医院急诊科,江苏 徐州 221004)   摘要:目的 探讨大鼠腰 4、5背根神经节慢性压迫 (chronic compression of dorsal root ganglion ,CCD)损伤后, 脊髓背角广动力 (wide dynamic range, WDR)神经元电生理学特性的改变。 方法 健康 SD大鼠随机分为正常组 和 CCD组(每组 12只),分别检测机械痛敏和热痛敏行为,并利用在体细胞外电生理学方法记录脊髓背角 WDR 神经元放电。 结果 CCD术后大鼠出现了机械痛敏和热痛敏行为。 与正常组大鼠相比,CCD 组大鼠脊髓背角 WDR神经元兴奋性增高,现为有自发放电的神经元比例增加、放电频率增加,对外周感受野轻刷、钳夹等刺激 的反应性增强。 36.36%(12/33)的 CCD组大鼠WDR神经元对 Aβ纤维刺激出现后放电现象。 结论 大鼠腰 4、 5背根节慢性压迫后引起WDR神经元的兴奋性增加,其可能参与神经病理性疼痛的发生。 关键词:背根节慢性压迫模型;广动力神经元;背根节神经元;兴奋性 中图分类号:R338.2  文献标志码:A  文章编号:1000 -2065(2013)03 -0141 -04 Electrophysiological properties of wide dynamic range neurons in spinal dorsal horn of rats with neuropathic pain induced by chronic compression of dorsal root ganglion neuron SONG Ying1, ZHANG Yongmei1 , XU Jie1 , WU Jingru1 , QIN Xia1 ,HUA Rong2 (1.Key Laboratory of Anesthesiology, Xuzhou Medical College, Xuzhou, Jiangsu 221004, China; 2.Department of Emergency Medicine, The 97th Hospital of PLA, Xuzhou, Jiangsu 221004)   Abstract: Objective To investigate the electrophysiological properties of wide dynamic range (WDR) neurons in spinal dorsal horn of rats with neuropathic pain induced by chronic compression of dorsal root ganglion neuron (CCD) model in a large size of samples.Methods Adult Sprague -Dawley rats were divided into normal (n =12) and CCD(n =12) groups randomly.Electrophysiological technique was used to record the characteristics of WDR neurons in the spi - nal dorsal horn.Results Mechanical allodynia and thermal hyperalgesia developed in CCD rats .Compared with normal rats, the WDR neurons in CCD rats showed an increase in excitability , manifested by an increase in the proportion of neurons that exhibited spontaneous activities and frequency .In addition, the firing of WDR neurons increased siginifi- cantly in response to brush, light pinch and sever pinch on peripheral cutaneous receptive field , comparing to those in normal group.There were 36.36 % (12/33) of WDR neurons showed after -discharge in response to innocuous me- chanical stimuli on cutaneous receptive field in CCD rats which was not seen in control rats .Conclusion The excitabili- ty of spinal WDR neurons increases in CCD rats and the increased excitability of WDR neurons may contribute to the de - velopment of neuropahtic pain. Key words: chronic compression of dorsal root ganglion neuron model ; wide dynamic range neuron ; dorsal root gan- glion neuron; excitability   神经病理性疼痛是指创伤或疾病累及躯体感觉 系统后直接导致的疼痛,目前临床上缺乏有效的治 疗手段和方法,是疼痛研究领域关注的一个难点。 脊髓背角是痛觉传递的初级中枢,伤害性信号 由初级感觉神经元传入,在此经过初步整合后通过 脊髓上行通路(脊丘束、脊网束、脊颈束等)传递,经 丘脑到达大脑皮质引起痛觉。 广动力(wide dynamic range,WDR)神经元是脊髓背角非特异性伤害感受 神经元,主要分布在背角Ⅴ层,它们对触、压、温度及 伤害性等刺激都发生反应,并且随刺激强度增加反 ·141·徐州医学院学报 ACTA ACADEMIAE MEDICINAE XUZHOU 2013,33(3) 倡 基金项目:国家自然科学基金青年项目(31200836);徐州医学院振兴、院长专项人才基金(2012KJZ15);南京军区 创新项目(09MA036);江苏省麻醉学重点实验室开放课题 (KJS1103)万方数据 应程度呈递增改变,WDR神经元在痛觉强度的分辨 中有重要作用。 研究结果显示,外周神经损伤后, WDR神经元的电生理学特性发生改变,可能参与神 经病理性疼痛的发生。 在疱疹病毒诱发的神经病理 性疼痛模型上发现,WDR神经元对轻刷等非痛性机 械刺激的反应性增强[1] ;大鼠脊神经结扎损伤后, WDR神经元与正常大鼠相比兴奋性增加, 出现感 受野扩大、自发放电增多、放电阈值降低、放电潜伏 期缩短等表现[2] 。 但是外周神经损伤后 WDR 神经 元电生理学特性的改变还存在争议,有研究显示外 周神经损伤后刺激 C类纤维引起的 WDR神经元的 反应性没有改变,甚至有所降低[3] 。 背根节慢性压迫( chronic compression of dorsal root ganglion,CCD)模型模拟了椎间孔狭窄压迫背 根节及其邻近根丝引起的根性神经痛,与临床实际 病症较为近似。 先前的研究中,人们对于背根神经 节(dorsal root ganglion, DRG)水平致痛机制进行了 深入探讨,但有关 CCD 模型大鼠 WDR 神经元的电 生理改变的报道有限。 本研究以 CCD 模型为实验 对象,应用在体细胞外记录的方法,观察脊髓背角 WDR神经元电生理特性的改变,为神经病理性疼痛 的脊髓机制研究积累理论基础。 1 资料和方法 1.1 实验动物 本研究选用 SD 大鼠 24 只,性别 不限,体重 180 ~250 g,随机分为 CCD组(n =12)和 正常组(n =12)。 SD 大鼠由徐州医学院实验动物 中心提供。 1.2 CCD模型制备 SD大鼠用 1%戊巴比妥钠 40 mg/kg腹腔麻醉,常规手术暴露 L4、L5 的横突和椎 间孔,将直径 0.4 mm、长 4 mm 的 L 型不锈钢柱插 入左侧 L4 -L5椎间孔,对相应DRG形成稳定压迫。 术毕切口处撒少量青霉素粉末抗炎,然后逐层缝合 肌肉和皮肤。 1.3 机械痛敏行为学测试 术前 2 天对大鼠进行 基础值检测,术后 24 h 开始机械痛敏行为学测试。 测试场所室温控制在(20 ±2)℃,大鼠适应 30 min; 按刺激强度递增顺序依次施加 Von Frey 纤维细丝 (1 ~26 g)至大鼠足底中心,以细丝稍稍弯曲作为完 全受力;每次刺激持续 5 s,间隔 15 s,连续测量 5次;如果大鼠抬腿次数低于 50%,更换更高克数细 丝,直到每 5 次检查过程中抬腿次数大于或等于 3 次,此纤维细丝的克数被定义为机械缩足反射阈值 (paw withdraw threshold,PWT)。 1.4 热痛敏行为学测试 术前 2 天对大鼠进行基 础值检测,术后 24 h开始热痛敏行为学测试。 大鼠 先适应 30 min,然后用辐射热光源照射大鼠足底,大 鼠出现迅速缩足反应时所显示的时间即为热缩足潜 伏期(paw withdraw latency,PWL)。 重复测量 5 次, 时间间隔大于 10 min。 1.5 在体细胞外记录 大鼠术后 2 ~8 天,在 17% 乌来糖及 1% α-氯醛糖复合麻醉下 (0.5 ml/ 100 g, i.p.),将颈部皮肤肌肉切开,T9 水平横断脊 髓,目的是消除上位中枢对 WDR 神经元活动的影 响,然后暴露脊髓腰膨大并撕除硬脊膜,将周围皮肤 及筋膜提起做成液槽,用人工脑脊液(ACSF:NaCl 125、KCl 3.8、 NaH2PO3 1.2、NaHCO3 26、glucose 10、 MgCl2 1.0、CaCl2 2.0,mmol/L)覆盖组织。 记录过程 中用变温毯维持大鼠体温 37℃。 玻璃微电极尖端电阻 8 ~10 MΩ,内充 2 mol/L NaCl溶液。 在脊髓中动脉旁垂直进针,电极下行过 程中,给予记录侧后肢皮肤轻刷及钳夹等刺激, WDR神经元特点是反应程度随刺激强度增加呈递 增改变。 记录侧后肢腘窝处切开皮肤,纵向钝性分 离肌肉组织,游离出坐骨神经并悬挂于刺激电极。 将皮肤筋膜提起固定于金属框做液槽,内充灌石蜡 油防止组织干燥并起到绝缘作用。 WDR 神经元电 信号经 AxoClamp-700A采集,经 1322 A/D 板转换 输入计算机存储,以备分析。 1.6 统计学处理 采用 SPSS 16.0 软件进行统计 处理。 计量数据以 珋x ±s表示,用两独立样本的均数 t表示;多组比较用单因素重复测量方差分析(one - way repeated -measures ANOVA),组间比较用 t 检 验。 率的比较用 χ2 检验。 P <0.05 为差异有统计 学意义。 2 结 果 2.1 行为学结果 DRG慢性压迫损伤后大鼠术侧 后肢出现对机械刺激和热刺激痛觉敏化。 正常组大 鼠后足 PWT 为(14.3 ±0.5) g,在持续的检测过程 中没有明显改变;CCD组大鼠术后第 1天 PWT从术 前(14.7 ±1.02)g 降至 (3.0 ±1.72 )g,术后第 2 天触诱发痛行为发展至峰值水平,此敏化状态持续 出现至术后 20 天,与正常组相比差异有统计学意义 (P <0.05)。 见图 1 -A。 大鼠术侧后肢对热刺激也出现敏化现象:CCD 组第 4天术侧后肢 PWL 为(9.68 ±1.40) s,与术前 (14.9 ±0.86) s 比较差异有统计学意义 (P < ·241· 徐州医学院学报 ACTA ACADEMIAE MEDICINAE XUZHOU 2013,33(3) 万方数据 礼∥竺 ;:;[蛰 0.05),此后敏化状态持续出现至术后 20天,与正常 组相比差异有统计学意义(P <0.05)。 正常组 PWL 为(14.6 ±1.46)s,在检测过程中没有明显改变。 见 图 1 -B。 图 1 2组大鼠术侧后肢 PWT及 PWL变化 与正常组比较:倡P <0 .05 2.2 WDR 神经元的电生理特性 选择 CCD 组出 现敏化行为的大鼠进行在体 WDR 神经元细胞外记 录,如果神经元有自发放电活动,则先记录 5 min 基 础放电,再给予外周刺激。 正常组 WDR 神经元自发放电发生率为 25.50%(12/47),而 CCD 组大鼠可达 59.46% (22/37),组间差异有统计学意义(χ2 =11.68,P < 0.01)。 CCD组术后自发放电频率也增加,平均为 (4.30 ±0.69)Hz(n =22),与正常组相比增加了 617%,两组间差异有统计学意义(P <0.05)。 此外,CCD后 WDR 神经元对外周刺激反应性 增强:给予术侧足底感受野毛刷轻刷(1 Hz,10 s)、 静脉夹钳夹(1.3 N, 作用面积 1 mm2 ,持续 10 s)、 动脉夹钳夹(3 N, 作用面积 1 mm2 ,持续 10 s)等刺 激后,正常组 WDR 神经元的放电频率分别为 (66.85 ±8.12)Hz(n =27)、(116.95 ±22.99)Hz(n =27)、(200.00 ±30.88)Hz(n =27),CCD 组分别 为(151.77 ±21.71)Hz(n =20)、(344.70 ±39.35 ) Hz(n =20)、(812.88 ±150.24 )Hz(n =20),CCD 组与正常组比较分别增加了 127 %、195 %、306 %, 差异均有统计学意义(P <0.05)(图 2)。 图 2 CCD组和正常组大鼠WDR神经元 对外周机械刺激的反应特性 与正常组比较:倡P <0.05 2.3 WDR 神经元对外周刺激出现后放电 WDR 神经元对外周感受野伤害性刺激有长时程高频率持 续放电的特殊形式称为后放电[4] ,即当刺激停止 后,放电仍能持续一段时间。 后放电认为与 C类纤 维兴奋有关。 正常组只有 40.00 %(16/40)WDR 神经元对痛刺激出现后放电,而 CCD 组 WDR 神经 元后放电发生率达到 75.76 %(25/33),组间差异 有统计学意义(χ2 =9.39,P <0.01)(图 3)。 图 3 2组WDR神经元对非痛电刺激后放电记录 A.正常组;B.CCD组   特别值得注意的是:当 CCD组大鼠给予坐骨神 经非痛电刺激(100 μA,50 μs,1 Hz,10 s;文献报道 ·341·徐州医学院学报 ACTA ACADEMIAE MEDICINAE XUZHOU 2013,33(3) 万方数据 此刺激强度仅引起 Aβ纤维兴奋[5] )时可以在 36.36%(12/33)的 WDR 神经元记录到后放电;而 正常组大鼠 WDR神经元刺激停止后,放电终止,没 有后放电。 提示 CCD 组大鼠对非痛刺激的后放电 是外周神经损伤后 WDR 神经元放电的特征性改 变,这种反应模式契合触诱发痛的特征,可能是触诱 发痛的脊髓机制。 3 讨 论   CCD 组 WDR 神经元的自发放电发生率、放电 频率与正常组相比都有显著增加,类似的现象在脊 神经结扎模型大鼠也曾经观察到[6] 。 目前认为自 发放电的产生机制可能与 DRG 神经元的兴奋性增 加有关[7] ,此外脊髓小胶质细胞激活、脊髓下行抑 制系统去抑制或下行易化系统激活等也参与 WDR 神经元自发放电的发生。 本研究结果显示,CCD 术后大鼠 WDR 神经元 对外周感受野轻触、不同程度钳夹刺激的反应性与 正常组比较均显著增高。 WDR 神经元对外周传入 刺激反应性增高是中枢敏化的一种表现,能有效地 增加外周传入信号强度,参与痛觉敏化发生。 背根 节慢性压迫可引起局部炎症反应,导致炎性细胞如 白细胞介素( IL) -β、 IL -6 及肿瘤坏死因子 α (TNF -α)水平增高,而炎症因子能够使脊髓背角 突触后神经元致敏,从而能够增强传入的痛觉信 号[8] ;慢性神经病理性痛导致 Aβ纤维损伤部位及 胞体兴奋性增加,异位自发放电活动传入脊髓也可 引起和维持中枢敏化[9] ;此外脊髓背角 NMDA型谷 氨酸受体增多、抑制性递质系统如甘氨酸等功能降 低[10]等亦可导致痛觉过敏发生。 值得注意的是:CCD 损伤后 WDR 神经元出现 了特征性表现,即在外周感受野的非痛刺激后出现 了长时程的后放电。 正常状态下后放电是 WDR 神 经元对伤害性刺激的反应特性,在脊髓损伤模型中 也观察到了此现象[11] 。 2005 年 Zheng 等[12]提出坐 骨神经结扎模型损伤早期,刺激 Aβ纤维可引起脊 髓背角神经元场电位幅度增加,而且与触诱发痛敏 出现时间部分吻合,认为外周神经损伤后 Aβ纤维 活动可引起脊髓背角神经元发生可塑性改变。 这些 研究为 Aβ纤维参与触诱发痛的发生提供了理论支 持。 但是,通常 Aβ纤维兴奋引起触感觉,外周神经 损伤后脊髓背角WDR神经元对非痛刺激产生与疼 痛刺激相似的反应可能与 DRG 神经元合成递质转 型有关,合成和释放 P 物质、降钙素基因相关肽 (CGRP)等肽类物质[2,13]参与后放电的发生。 该现 象的发生机制仍有待深入研究。 参考文献: [1] Nishikawa Y, Sasaki A, Andoh T, et al.Modality -specific hy- perexcitability of dorsal horn neurons to mechanical stimuli in her- petic mice [ J].Neuroreport, 2009, 20(12): 1077 -1080. 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[13] Devor M.Ectopic discharge in Abeta afferents as a source of neu- ropathic pain [ J].Exp Brain Res, 2009, 196(1): 115 -128. 收稿日期:2013 -01 -25 修回日期:2013 -03 -10 本文编辑:孙立杰 ·441· 徐州医学院学报 ACTA ACADEMIAE MEDICINAE XUZHOU 2013,33(3) 万方数据 背根节压迫大鼠脊髓背角广动力神经元电生理学特性研究 作者: 宋英, 张咏梅, 徐洁, 武静茹, 秦霞, 花嵘, SONG Ying, ZHANG Yongmei, XU Jie , WU Jingru, QIN Xia, HUA Rong 作者单位: 宋英,张咏梅,徐洁,武静茹,秦霞,SONG Ying,ZHANG Yongmei,XU Jie,WU Jingru,QIN Xia(徐 州医学院麻醉学重点实验室,江苏徐州,221004), 花嵘,HUA Rong(中国人民解放军第九七医 院急诊科,江苏徐州,221004) 刊名: 徐州医学院学报 英文刊名: ACTA ACADEMIAE MEDICINAE XUZHOU 年,卷(期): 2013,33(3) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xzyxyxb201303001.aspx
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