光遺伝学による島皮質グルタミン作動性ニューロンの抑制を用いた三叉神経病的疼痛の制御

はじめに

三叉神経病的疼痛（trigeminal neuropathic pain, TNP）は、三叉神経の皮神経節に沿って伝播する急激で激しい刺痛発作を特徴とする重篤な顔面疾患です。TNPの発生率は女性が男性のほぼ2倍です。従来の外科的治療法（根切断術や微小血管減圧術など）は典型的なTNP患者の大多数に有効ですが、非典型的なTNP患者では効果が不十分で、一部の患者では症状が持続したり副作用が生じたりします。そのため、脳の異なる領域についてさらに研究を進め、新しい鎮痛介入法を開発することが急務となっています。

島皮質（insular cortex, IC）は、社会的相互作用、学習と記憶、感情表現、味覚、不安など、いくつかの感覚的および認知的プロセスにおいて重要な役割を果たしています。ICは前島、顆粒状島、無顆粒状島の3つの亜領域に分かれています。以前の研究では、顆粒状島（dysgranular insular cortex, DPIC）が疼痛処理において重要な役割を果たしていることが示されています。

論文の出典

本研究は、Jaisan Islam、Elina KC、Soochong Kim、Moon Young Chung、Ki Seok Park、Hyong Kyu Kim、Young Seok Parkによって行われました。著者らは韓国のChungbuk National University、Soonchunhyang University、Eulji Universityなどの大学に所属しています。論文は2023年9月12日にNeuromolecular Medicine誌にオンライン掲載されました。

研究方法

実験手順

研究では、8週齢の雌性Sprague–Dawley ラット40匹を使用し、三叉神経損傷の慢性絞扼損傷モデル（chronic constriction injury of infraorbital nerve, CCI-ION）を用いてTNPモデルを構築しました。ラットはランダムにTNP群、偽手術群、対照群に分けられました。

CCI-ION手術

CCI-ION群のラット（n=16）の左側眼窩下神経（ION）に手術を行いました。手術手順にはIONの露出と絹糸による結紮が含まれます。偽手術群のラット（n=16）は同様の手術を受けましたが、IONの結紮は行いませんでした。

光遺伝学的ウイルスの定位注入

光遺伝学的ウイルス（AAV2-CAMKIIa-eNpHR3.0-EYFP）または無効ウイルス（AAV2-CAMKIIa-EYFP）の定位注入後、ラットには光刺激用の光ファイバーが植え込まれました。注入部位はCCI-ION側のラットの対側DPICでした。各群は術後毎日行動観察を行いました。

行動分析

エアパフテスト、冷痛覚過敏テスト、機械的アロディニアテスト、高架式十字迷路テストが含まれます。行動テストはCCI-ION手術前および手術後7日、14日、21日、28日目に実施されました。

DPICG光遺伝学的抑制下での体外単一ニューロン電気記録

黄色レーザー光刺激を用いてDPICGを刺激し、体外単一ニューロン電気記録技術を用いてCCA-ION側対側の三叉神経尾側核（TNc）および腹側後内側視床（VPM）のニューロン活動を観察しました。結果の分析には、全体的な神経発火率およびバースト発火率、ならびにこれらの発火率に対する光遺伝学的抑制の影響が含まれました。

免疫蛍光および組織学的検査

行動テストと電気記録の完了直後に心臓灌流を行い、ラットの脳組織を4%パラホルムアルデヒドで固定し、その後切片化して免疫蛍光染色を行い、c-Fos、pERK、CREBの陽性ニューロンの発現を観察しました。

データ分析

GraphPad Prismソフトウェアを使用してデータ分析を行い、結果を平均±標準偏差（SD）で表示しました。データは分散分析（ANOVA）またはt検定によって比較され、p<0.05を統計的に有意と見なしました。

研究結果

行動テスト結果

エアパフテスト

TNP群のラットは顕著な機械的アロディニアを示し、そのエアパフ耐性レベルは4週間で22.71 ± 2.49 psiから13.98 ± 2.32 psiに低下しました。

冷痛覚過敏テスト

冷痛覚過敏テストでは、TNP群のラットの冷感受性スコアが16.875 ± 2.65から23.208 ± 2.63に増加しました。

機械的アロディニアテスト

機械的アロディニアテストでは、TNP群のラットの機械的刺激に対する感受性が著しく増加し、その閾値は12.652 ± 1.92 gから7.24 ± 2.06 gに低下しました。

高架式十字迷路テスト

TNP群のラットは顕著な不安様行動を示し、オープンアームでの滞在時間と進入回数がそれぞれ0.45 ± 0.033%および0.47 ± 0.066%から0.29 ± 0.037%および0.31 ± 0.052%に有意に減少しました。

DPICGの光遺伝学的抑制がTNcおよびVPMの神経発火に与える影響

DPICGの光遺伝学的抑制により、TNP群ラットのTNcニューロンの発火率が26.94 ± 6.11 スパイク/秒から20.87 ± 3.49 スパイク/秒に有意に低下し、同時にバースト発火率も有意に低下しました。

同様に、VPMニューロン活動では、光遺伝学的抑制により発火率が45.57 ± 3.90 スパイク/秒から36.88 ± 2.17 スパイク/秒に低下し、バースト発火率は0.281 ± 0.0253から0.234 ± 0.0178に低下しました。

免疫蛍光結果

光遺伝学的抑制後、DPICおよびTNcにおけるc-fosの発現が有意に減少し、神経活動の低下を示しました。同時に、外傷後のcrebおよびperk陽性ニューロンの発現も有意に減少し、DPICGの抑制がTNPに対して鎮痛効果を持つことをさらに証明しました。

結論

本研究では、DPICGの光遺伝学的抑制によりTNPの行動反応を効果的に改善し、TNcおよびVPMの神経活動を減少させ、著しい鎮痛効果を生み出すことが明らかになりました。研究結果は、DPICGがTNPの神経回路において重要な役割を果たしており、その過剰活性状態を抑制することで疼痛処理経路を調節し、最終的に鎮痛効果をもたらすことを示しています。これは、TNPにおけるDPICの分子メカニズムをさらに研究するための効果的な実験方法を提供し、光遺伝学的手法を用いた新しい鎮痛療法の開発に理論的根拠を提供しています。

研究の意義

本研究は、TNP制御におけるDPICGの重要性を検証し、DPICGの光遺伝学的抑制による鎮痛効果の新しい方法を提案しました。これはTNP治療に新しい視点を提供するだけでなく、疼痛研究における光遺伝学技術の可能性も示しています。研究結果は、TNPに対する新しい鎮痛療法の開発の基礎となる可能性があり、重要な理論的および応用的価値を持っています。