Development of theta-burst ultrasound as a non-invasive paradigm for pain management and bidirectional neuromodulation : Development of theta-burst ultrasound as a non-invasive paradigm for pain management and bidirectional neuromodulation = 통증 관리 및 양방향 신경 조절을 위한 비침습적 패러다임으로서의 theta-burst 초음파의 개발

국문 초록 (Abstract)

이 연구에서는 초음파의 통증 관리 대한 새로운 응용 기법 및 관련 기전에 대한 연구를 수행하였습니다. 제 1 장에서는 만성 신경병증성 통증에서 척수 성상교세포의 기능 및 역할을 연구하였고, 치료기법으로써 BDNF 관련 경로를 치료 전략의 대상으로 제안하였습니다. 제 2 장에서는 저강도 초음파의 진통 효과와 관련한 성상교세포의 역할과 이에 기반한 통증 완화의 가능성을 고찰하였습니다. 이러한 연구 결과들은 다양한 형태의 신경 조율을 위한 저강도 초음파의 잠재력을 보여주며, 만성 통증 조절을 위한 표적 솔루션으로써의 초음파의 임상 적용 가능성을 제시하고 있습니다.

제 1 장: 말초 부분 신경손상으로 인한 신경병증성 통증 기전에서의 성상교세포 특이적 기능 연구 신경병증성 만성 통증은 기존의 진통 치료로는 치료하기 어려운 임상적인 문제로 인식되고 있습니다. 척수 성상교세포에 대한 연구는 발전되고 있지만, 말초 좌골신경 부분적인 눌림 손상에 따른 신경병증성 통증에서의 성상교세포의 기능 변화와 역할에 대한 연구는 부족한 실정입니다. 이 연구에서는 만성 신경병증성 통증과 관련된 척수 성상교세포의 형태와 기능 변화를 통해서 초기 통증 반응에서 만성 통증으로의 이행되는 과정에서의 성상교세포의 중요성을 보여주었습니다. 또한, 기계적 알로디니아 (이질통) 지속과정에 있어서 척수내 뇌유래 신경영양인자(BDNF) 발현 증가와 성상교세포의 상관관계를 통해, 신경병증성 통증에서의 척수 신경계의 성상교세포 활성화와 BDNF 신호 전달의 연관성을 확인했습니다. 그리고 BDNF/TrkB 억제제를 통한 성상교세포의 활성화 억제가 기계적 알로디니아 완화를 유도함을 입증함으로써, 신경병증성 만성 통증 치료 및 관리를 위한 새로운 유형의 치료 방법을 제안하였습니다.

제 2 장: 초음파를 통한 신경병적 통증 관리 초음파 자극은 비침습적인 신경 조절 기술로 통증 치료의 새로운 기술로 조명되고 있습니다. 본 연구에서는 부분 압박 손상에 의한 신경병증성 통증에 대한 저강도 Theta-burst 초음파 (LI-cTBUS)의 진통 효과 및 관련 기전에 대한 연구를 수행하였습니다. 이 연구에서는 LI-cTBUS 가 기계적 자극에 대한 반응의 역치 증가를 통해서 현저한 신경병증성 만성 통증 상황하에서의 기계적 자극에 대한 유의한 수준의 진통 효과를 나타냄을 관찰하였으며, 이는 기계적 자극에 반응하는 TRPA1 의 활성화를 통해 중재됨을 규명하였습니다. 또한, LI-cTBUS 는 척수 성상교세포의 기능 조절 및 척수 통증 유발 인자로써 중요한 세포외 BDNF 의 흡수를 촉진함으로써 척수 BDNF/KCC2 경로의 균형 유지에 중요한 역할을 수행함을 규명하였습니다. 이 연구 결과는 LI-cTBUS 가 신경병증성 통증의 기계적 알로디니아 (이질통)를 효과적으로 완화시킨다는 것을 보여 주는 결과이며, 저강도 초음파 기술을 통한 신경병증성 만성 통증에 대한 진통유발 기전에서의 성상교세포와 기계적 감수기인 TRPA1 가 중요한 역할에 연구 결과를 보여주고 있습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we collectively explore innovative applications of ultrasound for pain management and brain modulation. Chapter I highlights astrocytes' role in chronic neuropathic pain, proposing a BDNF-related pathway as a target for treatment strategies. Chapter II introduces low-intensity ultrasound's analgesic effects mediated through astrocyte involvement, demonstrating potential for pain alleviation. These chapters underscore ultrasound's potential for diverse neurological applications, offering targeted solutions for pain and brain function modulation.
 
Chapter I

Neuropathic pain poses a formidable clinical challenge due to its persistent nature and resistance to conventional analgesic approaches. Although considerable insights have been gained into spinal astrocyte involvement in neuropathic pain, the alterations and contributions of these cells subsequent to a partial crush injury (PCI) remain inadequately explored. Our investigation centered on delineating the structural and functional adaptations of spinal astrocytes during the enduring phase of neuropathic pain employing a specific injury model. This model serves as a valuable tool in comprehending the mechanisms perpetuating chronic pain and underscores the indispensability of astrocytes in pain maintenance and sensitization. Through the examination of mechanical allodynia, a painful sensation in response to innocuous tactile stimuli, and the correlation with increased levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) along with reactive astrocytes, we identified a potential correlation between astrocytic activity and BDNF signaling. Ultimately, our research provides evidence that inhibiting astrocyte activation through a BDNF/TrkB inhibitor alleviates mechanical allodynia, underscoring the therapeutic potential of targeting glial BDNF-related pathways for pain management. These findings offer critical insights into the cellular and molecular dynamics of neuropathic pain, paving the way for innovative and targeted treatment strategies for this challenging condition.
 
Chapter II

Ultrasound stimulation, an emerging non-invasive neuromodulation approach, shows promise in pain management despite lacking a clear mechanism of action. This study unveils the analgesic impact of a specific ultrasound variant, low-intensity theta burst ultrasound with a continuous paradigm (LI-cTBUS), on neuropathic pain triggered by partial crush injury (PCI). We observe a significant pain-alleviating effect, characterized by an increase in mechanical thresholds, during and after LI-cTBUS treatments on the spinal cord. Interestingly, this analgesic effect is mediated through the activation of mechanosensitive TRPA1. Furthermore, LI-cTBUS induces a critical involvement of spinal astrocytes in pain modulation, facilitating the uptake of extracellular BDNF by these astrocytes, leading to the rebalance of the spinal BDNF/KCC2 pathway. Additionally, LI-cTBUS exhibits efficacy in reducing spinal astrogliosis and levels of astrocytic GABA, both in vivo and in vitro. Overall, this study demonstrates the efficient mitigation of mechanical allodynia in neuropathic pain through LI-cTBUS, shedding light on its therapeutic promise in pain management. The study underscores the indispensable role of astrocytes and the involvement of mechanosensitive TRPA1 in mediating LI-cTBUS's analgesic effects, offering significant scientific insights into potential therapeutic applications.

목차 (Table of Contents)

• ACKNOWLEDGEMENT 2
• ABSTRACT 8
• Table of Contents 11
• List of Figures 13
• Chapter 1 BDNF/TrkB signaling inhibition suppresses astrogliosis and alleviates mechanical allodynia in a partial crush injury model 19
• 1.1 Introduction 20
• 1.2 Method 22
• 1.2.1 Animal and partial crush injury (PCI) model 22
• 1.2.2. Von Frey Hair test 23
• 1.2.3. Immunohistochemistry 24
• 1.2.4. Immunoblotting 25
• 1.2.5. Pharmacological test 25
• 1.3 Results and discussion 27
• 1.3.1. Morphological analysis of spinal astrocytes in partial crush injury model 27
• 1.3.2. Spinal microglia dynamics in the progression of the partial crush injury model 31
• 1.3.3. Spinal BDNF and astrocytic co-localization during chronic pain development in the PCI model 33
• 1.3.4. Increase in mechanical withdrawal threshold and reduction of astrogliosis by BDNF/TrkB inhibitor 36
• 1.4 Conclusion 41
• Chapter 2 Low-Intensity Patterned-Theta Burst Ultrasound for Pain Management 45
• 2.1 Introduction 46
• 2.2 Method 48
• 2.2.1. Animals 48
• 2.2.2. Ultrasound beam profile measurement 48
• 2.2.3. Ultrasound stimulation patterns 48
• 2.2.4. Catwalk gait analysis 49
• 2.2.5. Primary spinal astrocytes isolation, cell cultures and in vitro ultrasound stimulation 50
• 2.2.6. Immunocytochemistry 51
• 2.2.7. Immunohistochemistry 52
• 2.2.8. Immunoblotting 52
• 2.2.9. RNA isolation and RT-PCR 54
• 2.2.10. Intrathecal injection 55
• 2.2.11. Fiber photometry in spinal cord 55
• 2.2.12. Apoptosis assay 56
• 2.2.13. Kainic acid injection 56
• 2.2.14. Statistical information 58
• 2.3 Results and discussion 59
• 2.3.1. Reducing mechanical allodynia with LI-cTBUS 59
• 2.3.2. LI-cTBUS improves motor function 77
• 2.3.3. Rebalancing the spinal BDNF/KCC2 and facilitating astrocytic uptake of BDNF by LI-cTBUS 79
• 2.3.4. Effects of LI-cTBUS in facilitating the astrocytic BDNF uptake 86
• 2.3.5. Effects of LI- cTBUS on astrocytic GABA activity, and spinal astrogliosis in PCI model 89
• 2.3.6. Effects of LI- cTBUS on astrocytic GABA activity, and spinal astrogliosis in vitro under ROS-induced stress environment 95
• 2.3.7. The role of TRPA1 mechanosensitive ion channel in LI-cTBUS-induced analgesia 98
• 2.4 Conclusion 104
• References 111