Мигрень - распространенное неврологическое заболевание, приводящее к хроническим головным болям. Этим расстройством страдают до 10–15% населения, однако нейрохимические механизмы возникновения мигрени изучены недостаточно [1]. Рядом клинических исследований показано, что высокие концентрации серосодержащей аминокислоты гомоцистеина (Гц) в плазме (гипергомоцистеинемия, ГГц) могут провоцировать начало приступов мигрени. Однако, остается неисследованным механизм и мишени патогенного действия Гц в тригеминальной системе, а также отсутствуют данные об изменении возбудимости ее периферического звена при действии этой аминокислоты. Предположено, что Гц может оказывать свое действие на нейроны тройничного ганглия (TG) в том числе и через изменение числа или активности глутаматных рецепторов в их цитоплазматической мембране. Глутамат − основной возбуждающий нейромедиатор в нервной системе, обеспечивающий синаптическую передачу от первичных афферентов к ноцицептивным нейронам второго порядка в стволе мозга. Однако роль глутамата в периферических механизмах мигрени, в частности, во время генерации ноцицептивных болевых сигналов в мозговых оболочках, остается также малоизученной. Глутамат возбуждает нейроны в основном через ионотропные АМПА, НМДА или каинатные рецепторы, при этом рецепторы НМДА (НМДАР) обладают самым высоким сродством к глутамату и относительно низкой десенсибилизацией, что делает их наиболее вероятными кандидатами для участия в эффектах глутамата в мозговых оболочках. В связи с этим, целью нашего исследования был анализ возбудимости периферического отдела тройничного нерва крысы и изолированных TG-нейронов в условиях моделирования пренатальной ГГц, а также выяснение роли НМДА-рецепторов в активации периферических окончаний тройничного нерва крысы.

В исследовании учувствовали две группы животных: контрольная и группа пренатальной гГЦ, которая моделировалась как описано ранее [2]. Потенциалы действия (ПД), генерирующиеся в периферических отростках тройничного нерва, регистрировали внеклеточным стеклянным электродом. Для этого использовали препарат получерепа крыс Р30-40. Половина черепной коробки очищалась от периферических тканей с сохранением твердой оболочки мозга вместе с сосудами и нервными волокнами. Аппликация веществ производилась область расхождения медиальной менингеальной артерии. Регистрация вызванных Са2+-ответов была проведена на первичной культуре нейронов, изолированных из тройничного ганглия крыс P10-14, визуализацию клеток проводили с помощью маркера Fluo4 AM с последующим количественным анализом [3]. Методика patch-clamp применялась для регистрации потенциала на мембране TG-нейронов, что позволило оценить изменения активных и пассивных электрических свойств мембраны в условиях пренатальной гГЦ. Аппликация агониста НМДАР (100 мкМ) на TG-нейроны производилась с использованием системы быстрой перфузии в течение 20с. Для всех экспериментов с агонистом НМДАР в качестве базового использовался безмагниевый раствор, дополненный глицином (30 мкМ).

Было показано, что минимальная концентрация KCl, вызывающая повышение частоты импульсации в тройничном нерве, отличается в контрольной и гГЦ группах. В контроле пороговая концентрация составила 25 мМ, в группе гГЦ − 5 мМ. Анализ пассивных и активных электрических свойств мембраны TG-нейронов показал, что входное сопротивление, мембранный потенциал покоя, амплитуда ПД, а также порог генерации ПД достоверно не отличались в группах контроля и пренатальной ГГц, однако, средняя величина реобазы для нейронов животных с пренатальной ГГц была достоверно ниже контрольных значений. Показано также, что 30,3% нейронов в контроле и 23% нейронов в группе ГГц генерировали серии ПД при увеличении силы инъецируемого тока до двух реобаз. Среднее количество ПД за 1с возрастало при такой стимуляции для нейронов крыс группы ГГц более, чем в два раза, по сравнению с контролем. При внеклеточной регистрации ПД в тройничном нерве крысы в контроле наблюдалась базовая частота генерации ПД, которая при аппликации агониста НМДАР увеличивалась практически вдвое. У контрольных животных НМДА вызывал кратковременное повышение уровня кальция в 14,3% TG-нейронов (n=101/706), что также указывало на функциональную экспрессию рецепторов НМДА[4]. У животных группы ГГц НМДА-вызванные Са2+-транзиенты наблюдались лишь в 6,19% TG-нейронов (n=31/501), что может быть связано с хроническими условиями окислительного стресса. При этом средние амплитуда, площадь и полуширина ответов на НМДА в группе ГГц достоверно не менялись по отношению к контрольным параметрам.

Таким образом, в условиях пренатальной гГЦ наблюдается повышенная возбудимость афферентов тригеминального нерва и изолированных нейронов тройничного ганглия. Можно предположить, повышение частоты приступов мигрени при высоком уровне Гц может быть связано именно с сенситизацией тригеминальной системы, иннервирующей менингеальную оболочку, активация которой является триггером ноцицептичной импульсации.

Работа выполнена за счет средств Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030)» и гранта РНФ номер № 20-15-00100.

Литература:

1. Vos T. et al. Years lived with disability (YLDs) for 1160 sequelae of 289 diseases and injuries 1990–2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010 //The lancet. – 2012. – Т. 380. – №. 9859. – С. 2163-2196.

2. Gerasimova E. et al. Effects of maternal hyperhomocysteinemia on the early physical development and neurobehavioral maturation of rat offspring //BioNanoScience. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 155-158.

3. Koroleva K. et al. Protective Effects of Hydrogen Sulfide Against the ATP-Induced Meningeal Nociception //Frontiers in cellular neuroscience. – 2020. – Т. 14. – С. 266.

4. Guerrero-Toro C. et al. Testing the Role of Glutamate NMDA Receptors in Peripheral Trigeminal Nociception Implicated in Migraine Pain //International Journal of Molecular Sciences. – 2022. – Т. 23. – №. 3. – С. 1529.

Migraine is a common disease that causes chronic headaches. This disorder affects up to 10–15% of the population, but its neurochemical mechanisms are not well-understood [1]. Several clinical studies have shown the connection between high concentrations of the sulfur-containing amino acid homocysteine (Hcy) in plasma (hyperhomocysteinemia, HHcy) and the frequency of migraine attacks. However, the mechanism and targets of Hcy effect in the trigeminal system remain unexplored, such as changes in the excitability of its peripheral part in conditions of the increased levels of this amino acid.

It was suggested that Hcy could change the number or activity of glutamate receptors in trigeminal ganglion (TG) neurons. Glutamate is the most common excitatory neurotransmitter in the nervous system. It provides a transmission from primary afferents to second-order nociceptive neurons in the brainstem. However, its role in the peripheral mechanisms of migraine during the generation of nociceptive signals in the meninges also remains unclear. Glutamate excites neurons through ionotropic AMPA, NMDA, or kainate receptors. Among these types, NMDA receptors (NMDAR) have the highest affinity for glutamate and relatively low desensitization, which makes them the most suitable candidates for participating in the effects of glutamate in the meninges. Our study aimed to analyze the excitability of the peripheral part of rat trigeminal nerve as well as the excitability of isolated TG-neurons under conditions of prenatal HHcy modelling. Besides, current work aimed to test the role of NMDAR in the activation of the peripheral endings of the rat trigeminal nerve.

The study involved two groups of animals: the control group and the group with prenatal HHCy, which was modelled as described previously [2]. Action potentials (AP) generated in the peripheral endings of the trigeminal nerve were recorded using an extracellular glass electrode. To do this half-skull preparation of P30-40 rats was used. Half of the cranium was cleared of peripheral tissues, while the hard shell of the brain with blood vessels and nerve fibres was left intact. Substances were applied to the divergence of the medial meningeal artery. Registration of evoked Ca2+ responses was performed using a primary culture of neurons isolated from the trigeminal ganglion of P10-14 rats; cells were visualized using the Fluo4 AM marker with the following quantitative analysis [3]. The patch-clamp technique was used to measure the membrane potential of TG-neurons, which allowed us to evaluate changes in the electrical properties of the membrane under conditions of prenatal HHcy. Application of the NMDAR agonist (100 μM) on TG neurons was performed using a rapid perfusion system (application time 20 s). A magnesium-free external solution supplemented with the co-agonist glycine (30 μM) was used in all experiments with the NMDAR agonist.

It was shown that the threshold concentration of KCl, which caused an increase in the frequency of trigeminal nerve spiking, differs in the control and HHcy groups. In control threshold concentration was 25 mM while in HHCy group it was 5 mM. An analysis of the passive and active electrical properties of the membrane of TG-neurons showed that the input resistance, the resting membrane potential, the AP amplitude, and the AP generation threshold did not differ significantly in control and prenatal HHCy groups, however, the mean rheobase for neurons of animals with prenatal HHcy was significantly lower than the control values. It was also shown that 30.3% of neurons in the control group and 23% of neurons in the HHCy group generated AP series in response to the increase in the strength of the injected current up to two rheobases. The average number of APs per 1 s increased than twice for neurons in HHcy group under conditions of such stimulation compared with control. During the extracellular recording of APs in trigeminal nerve frequency of spikes was almost doubled by applying an NMDAR agonist. In control animals NMDA caused a transient increase in Ca2+-levels in 14.3% of TG neurons (n=101/706), which also indicated a functional expression of NMDA receptors [4]. In rats of the HHcy group, NMDA-induced Ca2+ transients were observed only in 6.19% of TG neurons (n=31/501), which may be associated with chronic oxidative stress. At the same time, the average amplitude, area, and FWHM of responses to NMDA in the HHcy group did not change significantly compared with the control parameters.

In summary under conditions of prenatal HHcy occurs a higher excitability of trigeminal nerve afferents and increased excitability of isolated TG-neurons. It can be assumed that an increase in the frequency of migraine attacks associated with a high level of Hcy in blood may be explained by the sensitization of the trigeminal system which provides innervation to the dura mater. Activation of the dura mater is a trigger of nociceptive impulses.

This work has been supported by the Kazan Federal University Strategic Academic Leadership Program (PRIORITY-2030) and by the Russian Science Foundation (grant number 20-15-00100).

References:

1. Vos, Theo, et al. "Years lived with disability (YLDs) for 1160 sequelae of 289 diseases and injuries 1990–2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010." The Lancet 380.9859 (2012): 2163-2196.

2. Gerasimova, Elena, et al. "Effects of maternal hyperhomocysteinemia on the early physical development and neurobehavioral maturation of rat offspring." BioNanoScience 7.1 (2017): 155-158.

3. Koroleva, Kseniia, et al. "Protective effects of hydrogen sulfide against the ATP-induced meningeal nociception." Frontiers in cellular neuroscience 14 (2020): 266.

4. Guerrero-Toro, Cindy, et al. "Testing the Role of Glutamate NMDA Receptors in Peripheral Trigeminal Nociception Implicated in Migraine Pain." International Journal of Molecular Sciences 23.3 (2022): 1529.