Мигрень является широко распространённым нервно-сосудистым заболеванием, характеризующимся сложным патогенезом и трудно поддающимся лечению. В связи с этим актуальным является исследование молекулярных механизмов, лежащих в основе возникновения боли, для поиска новых методов профилактики и лечения мигрени. Тригеминально-сосудистая система (система тройничного нерва) рассматривается как источник болевого сигнала при мигрени. Клинические и доклинические исследования демонстрируют повышенную возбудимость тригеминально-сосудистой системы во время приступов мигрени. Согласно тригемино-васкулярной теории патогенеза мигрени, в которой объединены нейрональные и сосудистые механизмы развития мигрени, нарушение взаимодействия между черепными сосудами, тройничным нервом и ЦНС приводит к развитию асептического нейрогенного воспаления оболочек головного мозга, провоцирующего ноцицептивную активность. Важную роль в этом процессе отводят тройничному нерву, как инициатору нейрогенного воспаления, с одной стороны, и проводнику ноцицептивной информации в ЦНС, с другой. Нейроны и афференты тройничного ганглия, а также тучные клетки, экспрессируют различные рецепторы и каналы, участвующие в восприятии повреждающего стимула и проведении ноцицептивной информации в ЦНС.

Недавно, в результате генетического анализа пациентов с мигренью была показана значимая роль мутации фермента синтеза СО гемоксигеназы в патогенезе данного заболевания. Монооксид углерода (CO) — это эндогенно продуцируемый сигнальный газотрансмиттер, участвующий в ноцицепции, нейротрансмиссии и церебральной гемодинамике. Однако, нейрональные механизмы участия CO в развитии мигрени практически не изучены. В связи с этим, целью нашей работы являлось выявление роли монооксида углерода (СО) в ноцицептивной активности афферентов тройничного нерва крысы.

Эксперименты проводились на самцах (4–8 нед.) крыс линии Wistar. В работе использовали электрофизиологический метод регистрации потенциалов действия (ПД) тройничного нерва, иннервирующего твердую мозговую оболочку в препарате получерепа крысы.

В нашем исследовании мы применяли донор CO, CORM-2 в концентрации 30 мкМ, блокатор CO, цинк протопорферин (ZnPP) в концентрации 10 мкМ, а также физиологический раствор, насыщенный CO.

Замена физиологического раствора, насыщенного O2, обычно используемого нами при проведении экспериментов, на физиологический раствор, насыщенный СО с инкубацией препарата в течение 30 мин привела к достоверному увеличению частоты ПД в два раза (в контроле частота составила 213.1±37.9 ПД за 5 мин; после добавления частота составила – 494.3±64.6 ПД за 5 мин; n=9; p = 0.009).

Использование химического донора СО, СORM-2 (30 мкМ), также приводило к увеличению частоты ПД. В контроле частота составила 126.3±35.5 ПД за 5 мин; после аппликации CORM-2 на пятой минуте частота составила – 280.3±36.5 ПД за 5 мин; на 10 минуте – 251.2±28.5 ПД за 5 мин; на 15 минуте – 217.6±28.5 ПД за 5 мин (n=4; p = 0.04).

Блокатор синтеза эндогенного СО, цинк протопорферин, ZnPP (10 мкМ), не влияет на частоту ПД в афферентах тройничного нерва. В контроле частота составила 141.25±43.9 ПД за 5 мин; после аппликации ZnPP на пятой минуте частота составила – 195.6±72.5 ПД за 5 мин; на 10 минуте – 201.6±66.6 ПД за 5 мин; на 15 минуте – 125.6±40.9 ПД за 5 мин (n=5). Полученные данные свидетельствует о том, что ферментные системы синтеза эндогенного СО не вносят вклад в базовую электрическую активность в афферентах тройничного нерва. Кроме того, нами было показано, что донор CO увеличивает ноцицептивную активность афферентов тройничного нерва, а для дальнейшего исследования рецепторных механизмов формирования ноцицептивной активности целесообразно использовать донор CO CORM-2.

Согласно литературным данным, механизмы действия СО могут быть связаны с активацией растворимой гуанилатциклазы (рГЦ). Действительно, нами было показано, что использование ингибитора рГЦ ODQ в концентрации 10 мкМ приводит к снижению про-ноцицептивного эффекта СО. Инкубация препарата в ODQ в течение 20 мин не приводила к изменениям частоты ПД (n=4; р = 0.87). Базовая частота ПД в тройничном нерве составила 187.5 ± 86.2 ПД за 5 мин и 172.5 ± 30.1 ПД за 5 мин после 20 минутной инкубации в ODQ (10 мкМ) (n=4; р = 0.87). Последующее добавление CORM-2 (30 мкМ) не вызывало достоверного изменения частоты ПД и к 10 мин аппликации частота ПД составила 145.2 ± 47.3 ПД за 5 мин и к 15 мин 129.7 ± 50.8 ПД за 5 мин (p = 0.62); 20 мин 127.1 ± 40.3 ПД за 5 мин (n=4; p = 0.12).

Полученные нами данные свидетельствуют о ведущей роли гуанилатциалзы в эффектах СО. Активация гуанилатциклазы приводит к синтезу цГМФ и активации протеинкиназы G, которая через процессы фосфорилирования может влиять на активность ионных каналов, рецепторов и играет важную роль в гомеостазе Ca2+. Кроме того, стимуляция растворимой гуанилатциклазы с помощью VL-102 непосредственно может повышать экспрессию и высвобождение CGRP из нейронов тройничного ганглия. Участие гуанилциклазы в про-ноцицептивных эффектах подтверждается также исследованиями, в которых ODQ оказывал антиноцицептивные эффекты после интратекальной инъекции в моделях воспалительной и нейропатической боли.

Полученные нами данные вносят вклад в понимание нейрональных механизмов участия CO в патогенезе мигрени, что в дальнейшем может играть роль для разработки специфических лекарственных средств, направленных на терапию мигрени.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта президента РФ МК-4584.2022.1.4.

Migraine is a widespread neurovascular disease characterized by complex pathogenesis and difficulties with its treatment. It is urgent to study the molecular mechanisms underlying the onset of migraine pain in order to find new methods of migraine prevention and treatment. The trigeminal vascular system is considered as a source of pain signal in migraine. Clinical and preclinical studies demonstrate increased excitability of the trigeminal vascular system during migraine attacks. According to the trigeminal-vascular theory of migraine pathogenesis, which combines neuronal and vascular mechanisms of migraine development, disruption of interaction between cranial vessels, trigeminal nerve and CNS leads to development of aseptic neurogenic inflammation of brain sheaths provoking nociceptive activity. An important role in this process is assigned to the trigeminal nerve as the initiator of neurogenic inflammation, on the one hand, and the as conductor of nociceptive information into the CNS, on the other hand. Neurons and afferents of the trigeminal ganglion, as well as mast cells, express various receptors and channels involved in the perception of the damaging stimulus and conduction of nociceptive information into the CNS.

Recently, a genetic analysis of patients with migraine has shown a significant role for a mutation of the CO synthesis enzyme hemoxygenase in the pathogenesis of this disease. Carbon monoxide (CO) is an endogenously produced signaling gas-transmitter involved in nociception, neurotransmission, and cerebral hemodynamics. However, the neuronal mechanisms of CO involvement in the development of migraine are virtually unstudied. Therefore, the aim of our research was to reveal the role of carbon monoxide (CO) in the nociceptive activity of rat trigeminal afferents.

Experiments were performed on male (4-8 weeks old) Wistar rats. We used an electrophysiological method of recording action potentials (APs) of the trigeminal nerve innervating the dura mater in a rat half-cranial preparation.

In our study, we used the CO donor, CORM-2 at a concentration of 30 μM, the CO blocker, zinc protoporferin (ZnPP) at a concentration of 10 μM, and a physiological solution saturated with CO.

Replacement of the physiological solution saturated with O2, commonly used in our experiments, with physiological solution saturated with CO with incubation of the preparation for 30 min resulted in a significant increase in AP frequency twofold (baseline AP frequency was 213.1±37.9 APs per 5 min; after addition the frequency was - 494.3±64.6 APs per 5 min; n=9; p = 0.009).

The use of the CO donor, SORM-2 (30 μM), also resulted in an increase in AP frequency. The baseline AP frequency was 126.3±35.5 APs per 5 min; after application of CORM-2, the frequency by 5 min was 280.3±36.5 APs per 5 min; by 10 min 251.2±28.5 APs per 5 min; by 15 min, 217.6±28.5 APs per 5 min (n=4; p = 0.04).

The endogenous CO synthesis blocker, zinc protoporferin, ZnPP (10 μM), did not affect the frequency of APs in trigeminal afferents. The baseline AP frequency was 141.25±43.9 APs per 5 min; after ZnPP application, the frequency by 5 min was 195.6±72.5 APs per 5 min; by 10 min, 201.6±66.6 APs per 5 min; by 15 min, 125.6±40.9 APs per 5 min (n=5). The data obtained indicate that the enzymatic systems of endogenous CO synthesis do not contribute to baseline electrical activity in trigeminal afferents. In addition, we have shown that the CO donor increases the nociceptive activity of trigeminal afferents, and it is reasonable to use the CO donor CORM-2 for further investigation of the receptor mechanisms of nociceptive activity formation.

According to the literature, the mechanisms of CO action may be related to the activation of soluble guanylate cyclase (sGC). Indeed, we have shown that the use of the sGC inhibitor ODQ at a concentration of 10 μM leads to a decrease in the pro-nociceptive effect of CO. Incubation of the half-skull preparation in ODQ for 20 min resulted in no change in the AP frequency (n=4; p=0.87). The baseline AP frequency in the trigeminal nerve was 187.5 ± 86.2 APs per 5 min and 172.5 ± 30.1 APs per 5 min after 20 min incubation in ODQ (10 μM) (n=4; p = 0.87). Subsequent addition of CORM-2 (30 μM) did not cause a significant change in AP frequency and by 10 min of application the AP frequency was 145.2 ± 47.3 APs per 5 min and by 15 min 129.7 ± 50.8 APs per 5 min (p = 0.62); by 20 min 127.1 ± 40.3 APs per 5 min (n=4; p = 0.12).

Our data indicate a leading role of soluble guanylate cyclase in the effects of exogenous CO in rat trigeminal afferents. Activation of guanylate cyclase leads to the synthesis of cGMP and activation of protein kinase G, which through phosphorylation processes can influence the activity of ion channels, receptors, and plays an important role in Ca2+ homeostasis. In addition, stimulation of soluble guanylate cyclase with VL-102 can directly increase the expression and release of CGRP from trigeminal ganglion neurons. The involvement of guanyl cyclase in pro-nociceptive effects is also supported by studies in which ODQ exerted antinociceptive effects after intrathecal injection in models of inflammatory and neuropathic pain.

Our findings contribute to the understanding of the neuronal mechanisms of CO involvement in the pathogenesis of migraine, which may play a role for the development of specific drugs aimed at migraine therapy in the future.

This work was supported by the grant of the President of the Russian Federation МК-4584.2022.1.4.