Мигрень - это неврологическое заболевание, первичная форма головной боли, симптомами которой являются периодические приступы головной боли средней и высокой интенсивности. Приступы мигрени, сопровождаются тошнотой, рвотой, фонофобией и/или светобоязнью. Одним из основных механизмов развития мигрени является повышение нейрональной возбудимости как периферических, так и центральных структур, активность которых лежит в основе генерации боли при мигрени. Гомоцистеин – это серосодержащая, образуется из метионина, поступающего с пищей. Нарушения метаболизма метионина приводят к повышению уровня гомоцистеина в плазме и цереброспинальной жидкости - гипергомоцистеинемии (гГЦ) [1, 2]. Распространяющаяся кортикальная деполяризация (РКД) представляет собой электрофизиологическое явление, лежащее в основе ауры при мигрени, приводит к нарушению ионного гомеостаза и к изменениям локальных сосудистых реакций. гГЦ по данным клинических является фактором развития мигрени, однако, экспериментальные данные, доказывающие такую зависимость, отсутствуют. Целью работы было исследование чувствительности к РКД у крыс с пренатальной гГЦ. Кроме того, были проанализированы механическая чувствительность и тревожность крыс с гГЦ в модели мигрени, вызванной нитроглицерином (НТГ).

Эксперименты проводили на крысах линии Wistar и были одобрены Локальным этическим комитетом КФУ (протокол № 33 от 25.11.2021 г). Пренатальную гГЦ индуцировали диетой с повышенным уровнем метионина. РКД регистрировали в соматосенсорной коре крыс in vivo в ответ на аппликацию повышающихся концентраций KCl (0.01-1.0 М). Кроме того, анализировали особенности распространения длительно возникающих РКД. После регистрации РКД для оценки метаболической активности клеток ткани мозга окрашивали 2,3,5-трифенилтетразолий хлор (ТТС). Механическую чувствительность исследовали с помощью волосков Фрея, уровень тревожности определяли в тесте темно-светлая камера и открытое поле.

В контрольной группе пороговая концентрация KCl для индукции РКД составляла 100 мМ, в группе гГЦ 10-50 мМ. Кроме того, в группе гГЦ РКД были более длительные, а скорость деполяризации РКД ниже по сравнению с контролем. Фоновый показатель нейрональной активности (множественные потенциала действия, МПД) в гранулярном и инфрагранулярном слоях был значительно выше в гГЦ группе, что указывает на большую возбудимости нейронов. Кроме того, прирост частоты МПД в группе гГЦ вначале РКД был достоверно выше относительно контроля. В следующей серии экспериментов исследовали способность соматосенсорной коры проводить длительные РКД при аппликации KCl в течение 2 часов. Количество РКД за 2 часа аппликации в гГЦ группе было достоверно выше, чем в контроле. В группе гГЦ повторные РКД распространялись преимущественно в нижних слоях, что может быть связаны с пониженной резистентностью нейронов к деполяризации, вызванной KCl. Действительно, окрашивание срезов мозга красителем ТТС показало наличие «некротическая воронки» у животных гГЦ группы.

Известно, что чувствительность к генерации РКД коррелирует с таким поведенческим фенотипом как механическая аллодиния, тревожность и фотофобия, поэтому мы проанализировали эти параметры у крыс гГЦ группы. В группе гГЦ механический порог был значительно ниже, чем в контрольной группе. Введение НТГ снижало механический порог животных группы гГЦ в течение первого часа, уже ко второму часу наблюдения порог достигал минимального уровня. В контрольной группе механическая гипералгезия развивалась только к третьему часу введения НТГ. Повторное введение НТГ вызывало хроническую базальную механическую гиперчувствительность, которая в контроле наблюдалась на 5 сутки, а в группе гГЦ - на третьи сутки эксперимента. В тесте «темно-светлая камера» время до первого входа в темную камеру и общее время, проведенное в светлой камере, в контрольной группе было достоверно больше, чем в группе гГЦ. Через 2 часа после инъекции НТГ оба параметра сократились в обеих группах, однако, более значительные изменения наблюдались в группе гГЦ.

Таким образом, у крыс с пренатальной гГЦ наблюдается повышенная возбудимость нейронов и предрасположенность к возникновению связанного с мигренью с аурой феномена РКД. При этом механическая алгезия, светобоязнь и тревожность крыс с гГЦ также ассоциируется с высоким риском развития РКД [3,4,5].

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-15-00100)



Список литературы:

1. Petras, M.; Tatarkova, Z.; Kovalska, M.; Mokra, D.; Dobrota, D.; Lehotsky, J.; Drgova, A. Hyperhomocysteinemia as a risk factor for the neuronal system disorders. J. Physiol. Pharmacol. 2014, 65, 15–23.

2. Sitdikova, G.F.; Hermann, A.; Yakovlev, A.V. Neurotoxic and neuroprotective effects of homocysteine and hydrogen sulfide.Uchenye Zap. Kazan. Univ. Seriya Estestv. Nauk. 2018, 160, 686–704.

3. Gerasimova E, Burkhanova G, Chernova K, Zakharov A, Enikeev D, Khaertdinov N, Giniatullin R, Sitdikova G. Hyperhomocysteinemia increases susceptibility to cortical spreading depression associated with photophobia, mechanical allodynia, and anxiety in rats // Behav Brain Res. 2021 Jul 9;409:113324. doi: 10.1016/j.bbr.2021.113324

4. Yakovleva O, Bogatova K, Mukhtarova R, Yakovlev A, Shakhmatova V, Gerasimova E, Ziyatdinova G, Hermann A, Sitdikova G. Hydrogen Sulfide Alleviates Anxiety, Motor, and Cognitive Dysfunctions in Rats with Maternal Hyperhomocysteinemia via Mitigation of Oxidative Stress // Biomolecules. 2020 Jul 2;10(7):995. doi: 10.3390/biom10070995

5. Gerasimova, E.; Yakovleva, O.; Enikeev, D.; Bogatova, K.; Hermann, A.; Giniatullin, R.; Sitdikova, G. Hyperhomocysteinemia Increases Cortical Excitability and Aggravates Mechanical Hyperalgesia and Anxiety in a Nitroglycerine-Induced Migraine Model in Rats. Biomolecules 2022, 12, 735. https://doi.org/10.3390/ biom12050735

Migraine is a neurological disease, the primary form of headache, the symptoms of which are periodic attacks of moderate to severe headache. Migraine attacks are accompanied by nausea, vomiting, phonophobia and/or photophobia. One of the main mechanisms of migraine development is an increase in neuronal excitability of both peripheral and central structures, the activity of which underlies the generation of pain in migraine. Homocysteine is a sulfur-containing substance that is formed from methionine in the diet. Disorders of methionine metabolism lead to an increase in the level of homocysteine in plasma and cerebrospinal fluid - hyperhomocysteinemia (hHCY) [1, 2]. Spreading cortical depolarization (CSD) is an electrophysiological phenomenon that underlies the aura in migraine, leads to disruption of ion homeostasis and changes in local vascular responses. hHCY according to clinical data is a factor in the development of migraine, however, there are no experimental data proving such a dependence. The aim of the work was to study the sensitivity to CSD in rats with prenatal hHCY. In addition, the mechanical sensitivity and anxiety of rats with hHCY were analyzed in a nitroglycerin (NTG)-induced migraine model.

The experiments were carried out on Wistar rats and were approved by the Local Ethical Committee of KFU (protocol No. 33 dated November 25, 2021). Prenatal hHCY was induced with a diet high in methionine. CSD was recorded in the somatosensory cortex of rats in vivo in response to the application of increasing concentrations of KCl (0.01–1.0 M). In addition, we analyzed the features of the distribution of long-term CSD. After registration of CSD 2,3,5-triphenyltetrazolium chlorine (TTC) was stained to assess the metabolic activity of brain tissue cells. Mechanical sensitivity was studied using Frey's hairs, the level of anxiety was determined in the test dark-light chamber and open field.

In the control group, the threshold concentration of KCl for the induction of CSD was 100 mM, in the hHCY group it was 10–50 mM. In addition, in the hHCY group, CSD s were longer, and the depolarization rate of CSD was lower compared to the control group. The baseline indicator of neuronal activity (multiple action potentials, MUA) in the granular and infragranular layers was significantly higher in the Hz group, indicating greater excitability of neurons. In addition, the increase in the frequency of MUA in the hHCY group at the beginning of the CSD was significantly higher than in the control group. In the next series of experiments, we investigated the ability of the somatosensory cortex to carry out long-term CSD with the application of KCl for 2 hours. The number of CSD for 2 hours of application in the hHCY group was significantly higher than in the control. In the hHCY group, repeated CSD propagated mainly in the lower layers, which may be associated with a reduced resistance of neurons to KCl-induced depolarization. Indeed, staining of brain sections with TTC dye showed the presence of a "necrotic funnel" in animals of the hHCY group.

It is known that sensitivity to the generation of CSD correlates with such a behavioral phenotype as mechanical allodynia, anxiety, and photophobia. In the HHC group, the mechanical threshold was significantly lower than in the control group. The introduction of NTG reduced the mechanical threshold of the animals of the hHCY group during the first hour, and by the second hour of observation, the threshold reached its minimum level. In the control group, mechanical hyperalgesia developed only by the third hour of NTG administration. Repeated administration of NTG caused chronic basal mechanical hypersensitivity, which was observed on the 5th day in the control group, and on the third day of the experiment in the hHCY group. In the “dark-light chamber” test, the time to the first entry into the dark chamber and the total time spent in the light chamber were significantly longer in the control group than in the hHCY group. Two hours after NTG injection, both parameters decreased in both groups, however, more significant changes were observed in the hHCY group.

Thus, in rats with prenatal HHC, there is an increased excitability of neurons and a predisposition to the occurrence of the phenomenon of CSD associated with migraine with aura. At the same time, mechanical algesia, photophobia, and anxiety in rats with HHC are also associated with a high risk of developing CSD [3,4,5]. The work was supported by the Russian Science Foundation (project no. 20-15-00100)



References:

1. Petras, M.; Tatarkova, Z.; Kovalska, M.; Mokra, D.; Dobrota, D.; Lehotsky, J.; Drgova, A. Hyperhomocysteinemia as a risk factor for the neuronal system disorders. J. Physiol. Pharmacol. 2014, 65, 15–23.

2. Sitdikova, G.F.; Hermann, A.; Yakovlev, A.V. Neurotoxic and neuroprotective effects of homocysteine and hydrogen sulfide.Uchenye Zap. Kazan. Univ. Seriya Estestv. Nauk. 2018, 160, 686–704.

3. Gerasimova E, Burkhanova G, Chernova K, Zakharov A, Enikeev D, Khaertdinov N, Giniatullin R, Sitdikova G. Hyperhomocysteinemia increases susceptibility to cortical spreading depression associated with photophobia, mechanical allodynia, and anxiety in rats // Behav Brain Res. 2021 Jul 9;409:113324.

4. Yakovleva O, Bogatova K, Mukhtarova R, Yakovlev A, Shakhmatova V, Gerasimova E, Ziyatdinova G, Hermann A, Sitdikova G. Hydrogen Sulfide Alleviates Anxiety, Motor, and Cognitive Dysfunctions in Rats with Maternal Hyperhomocysteinemia via Mitigation of Oxidative Stress // Biomolecules. 2020 Jul 2;10(7):995. doi: 10.3390/biom10070995

5. Gerasimova, E.; Yakovleva, O.; Enikeev, D.; Bogatova, K.; Hermann, A.; Giniatullin, R.; Sitdikova, G. Hyperhomocysteinemia Increases Cortical Excitability and Aggravates Mechanical Hyperalgesia and Anxiety in a Nitroglycerine-Induced Migraine Model in Rats. Biomolecules 2022, 12, 735