ÿþB l a c k w e l l S c i e n c e , L t d O x f o r d , U K C H A C e p h a l a l g i a 1 4 6 8 - 2 9 8 2 B l a c k w e l l S c i e n c e , 2 0 0 3 2 4 3 1 6 1 1 7 2 R e v i e w A r t i c l e N e u r o b i o l o g y o f c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e M A s h i n a
R E V I E W
N e u r o b i o l o g y o f c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e
M A s h i n a
D e p a r t m e n t o f N e u r o l o g y a n d D a n i s h H e a d a c h e C e n t e r , G l o s t r u p H o s p i t a l , U n i v e r s i t y o f C o p e n h a g e n , G l o s t r u p , C o p e n h a g e n , D e n m a r k
A s h i n a M . N e u r o b i o l o g y o f c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e . C e p h a l a l g i a 2 0 0 4 ;
2 4 : 1 6 1 1 7 2 . L o n d o n . I S S N 0 3 3 3 - 1 0 2 4
c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n , m i c r o d i a l y s i s , m u s c l e t e n d e r n e s s , n i t r i c o x i d e , t e n s i o n - t y p e
h e a d a c h e
M e s s o u d A s h i n a M D , P h D , D r S c i , D e p a r t m e n t o f N e u r o l o g y a n d D a n i s h H e a d a c h e
C e n t r e , G l o s t r u p H o s p i t a l , U n i v e r s i t y o f C o p e n h a g e n , D K - 2 6 0 0 G l o s t r u p , C o p e n h a g e n ,
D e n m a r k . T e l . + 4 5 4 3 2 3 2 3 0 0 , e x t . 3 0 6 8 , f a x + 4 5 4 3 2 3 3 9 2 6 , e - m a i l a s h i n a @ d a d l n e t . d k
R e c e i v e d 3 0 J a n u a r y 2 0 0 3 , a c c e p t e d 1 6 J u n e 2 0 0 3
w a s t o s t u d y t h e n e u r o b i o l o g y o f c h r o n i c t e n s i o n -
I n t r o d u c t i o n
t y p e h e a d a c h e . S p e c i f i c a i m s w e r e : ( i ) t o i n v e s t i g a t e
C h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e i s o n e o f t h e m o s t N O m e c h a n i s m s i n c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e
c o m m o n a n d i m p o r t a n t t y p e s o f p r i m a r y h e a d a c h e s s u f f e r e r s ; ( i i ) t o s t u d y p l a s m a l e v e l s o f C G R P , S P ,
( 1 ) a n d r e p r e s e n t s a c o n s i d e r a b l e h e a l t h a n d s o c i o - N P Y a n d V I P i n p a t i e n t s w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e
e c o n o m i c p r o b l e m ( 2 ) . I n c r e a s e d t e n d e r n e s s o f h e a d a c h e ; a n d ( i i i ) t o s t u d y i n v i v o s k e l e t a l m u s c l e
p e r i c r a n i a l m y o f a s c i a l t i s s u e s t o m a n u a l p a l p a t i o n b l o o d f l o w d u r i n g s t a t i c e x e r c i s e i n p a t i e n t s w i t h
i s t h e m o s t p r o m i n e n t a b n o r m a l f i n d i n g i n p a t i e n t s c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e .
w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e ( 3 6 ) . P a i n f u l
i m p u l s e s f r o m t h e s e t i s s u e s m a y b e r e f e r r e d t o t h e
N i t r i c o x i d e i n c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e
h e a d a n d p e r c e i v e d a s h e a d a c h e , a n d m y o f a s c i a l
m e c h a n i s m s m a y t h e r e f o r e p l a y a m a j o r r o l e i n
B i o s y n t h e s i s o f n i t r i c o x i d e
t h e p a t h o p h y s i o l o g y o f t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e ( 7 ) .
P r o g r e s s i n m o l e c u l a r n e u r o b i o l o g y o f p a i n ( 8 ) a n d T h e f r e e r a d i c a l N O i s a m e s s e n g e r m o l e c u l e i n v o l v e d
a n i n c r e a s i n g n u m b e r o f s t u d i e s o n t e n s i o n - t y p e i n v a r i o u s b i o l o g i c a l f u n c t i o n s ( 1 0 1 2 ) . N O i s s y n t h e -
h e a d a c h e ( 9 ) h a v e i n c r e a s e d o u r k n o w l e d g e a b o u t s i z e d b y a c o m p l e x f a m i l y o f n i t r i c o x i d e s y n t h a s e
t h e m e c h a n i s m s u n d e r l y i n g c h r o n i c h e a d p a i n . ( N O S ) e n z y m e s ( 1 3 ) . B e c a u s e N O i s h i g h l y r e a c t i v e
T h u s , s u b s t a n t i a l e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e i n d i c a t e s a n d u n s t a b l e , m u c h o f t h e r e s e a r c h o n i t s f u n c t i o n s
t h a t c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n , i . e . i n c r e a s e d e x c i t a b i l i t y o f i s b a s e d o n c h a r a c t e r i z a t i o n o f N O S . T h r e e d i s t i n c t
n e u r o n s i n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m ( C N S ) g e n e r - N O S e n z y m e s [ n e u r o n a l N O S ( n N O S ) , e n d o t h e l i a l
a t e d b y p r o l o n g e d n o c i c e p t i v e i n p u t f r o m t h e p e r i c - N O S , i n d u c i b l e N O S ) h a v e b e e n p u r i f i e d , c l o n e d a n d
r a n i a l m y o f a s c i a l t i s s u e s , p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n b i o c h e m i c a l l y c h a r a c t e r i z e d ( 1 3 ) . T h e p r e c i s e m e c h -
t h e p a t h o p h y s i o l o g y o f c h r o n i c p a i n ( 8 ) a n d c h r o n i c a n i s m o f N O f o r m a t i o n i s n o t f u l l y u n d e r s t o o d . I t i s
t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e ( 9 ) . F u r t h e r m o r e , d i s c o v e r y k n o w n t h a t N O i s s y n t h e s i z e d f r o m L - a r g i n i n e a n d
o f n e u r o t r a n s m i t t e r s a n d n e u r o m o d u l a t o r s s u c h a s t h a t t h e r e a c t i o n a l s o y i e l d s c i t r u l l i n e ( F i g . 1 ) .
n i t r i c o x i d e ( N O ) , c a l c i t o n i n g e n e - r e l a t e d p e p t i d e
( C G R P ) , s u b s t a n c e P ( S P ) , n e u r o p e p t i d e Y ( N P Y )
N O a n d n o c i c e p t i o n i n a n i m a l s t u d i e s
a n d v a s o a c t i v e i n t e s t i n a l p o l y p e p t i d e ( V I P ) i n v o l v e d
i n t h e p a i n p r o c e s s i n g p r o v i d e s n e w i n s i g h t s t o o u r N O o r N O S i m m u n o r e a c t i v i t y h a s b e e n i d e n t i f i e d i n
u n d e r s t a n d i n g o f t h e b i o l o g y o f c h r o n i c h e a d p a i n . t h e p e r i p h e r a l a n d c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m . I n t h e
T o e x p l o r e t h e n e u r o b i o l o g y o f h u m a n c h r o n i c p a i n p e r i p h e r a l n e r v o u s s y s t e m , n N O S i m m u n o r e a c t i v i t y
c o n d i t i o n s , i t i s n e c e s s a r y t o u t i l i z e a d v a n c e s m a d e w a s d e m o n s t r a t e d i n d o r s a l r o o t g a n g l i a i n b o t h m a n
i n b a s i c r e s e a r c h . T h e p u r p o s e o f t h e p r e s e n t t h e s i s a n d r a t ( 1 4 ) a n d i n p e r i v a s c u l a r n e r v e s o f l a r g e c e r e -
© B l a c k w e l l P u b l i s h i n g L t d C e p h a l a l g i a , 2 0 0 4 , 2 4 , 1 6 1 1 7 2 1 6 1
1 6 2 M A s h i n a
H
+
H 2 N N H + H 2 N N O H
H 2
O N H 2
N H N H
N H
1 N A D P H 1 N A D P H
+ " N = O
O 2 O 2
H 3 N + C O O H 3 N + C O O H 3 N + C O O
L - a r g i n i n e N G - h y d r o x y - L - a r g i n i n e L - c i t r u l l i n e
F i g u r e 1 N i t r i c o x i d e s y n t h a s e - c a t a l y s e d o x i d a t i o n o f L - a r g i n i n e . N i t r i c o x i d e i s s y n t h e s i z e d f r o m L - a r g i n i n e a n d t h e r e a c t i o n
a l s o y i e l d s c i t r u l l i n e . ( R e p r o d u c e d f r o m N i t r i c o x i d e i n t h e n e r v o u s s y s t e m . I n : V . B . M a y e r , e d i t o r . B i o c h e m i s t r y a n d m o l e c u l a r
p h a r m a c o l o g y o f n i t r i c o x i d e s y n t h a s e s , C h a p t e r 2 , 1 9 9 5 : 2 1 3 8 , w i t h p e r m i s s i o n f r o m E l s e v i e r . )
b r a l a r t e r i e s o f t h e r a t ( 1 5 ) a n d h u m a n b r a i n ( 1 6 ) . I n t y p e h e a d a c h e . T h u s , s e v e r a l s t u d i e s h a v e c o n s i s -
t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m , n N O S i s p r e s e n t e x c l u - t e n t l y r e p o r t e d i n c r e a s e d m y o f a s c i a l t e n d e r n e s s a s
s i v e l y i n n e u r o n s a n d N O S n e u r o n s w e r e d e m o n - t h e m o s t p r o m i n e n t a b n o r m a l f i n d i n g i n p a t i e n t s
s t r a t e d i n t h e s p i n a l t r i g e m i n a l n u c l e u s ( 1 7 ) a n d i n w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e ( 3 6 ) . F u r t h e r
t h e d o r s a l h o r n o f t h e s p i n a l c o r d ( 1 4 , 1 8 ) . s u p p o r t f o r m y o f a s c i a l i n v o l v e m e n t i s t h e f i n d i n g o f
N O d e r i v e d f r o m n e u r o n s w a s f i r s t r e c o g n i z e d i n c r e a s e d m u s c l e h a r d n e s s ( 3 0 ) a n d a p o s i t i v e c o r r e -
w h e n N - m e t h y l - D - a s p a r t a t e ( N M D A ) r e c e p t o r a c t i - l a t i o n b e t w e e n m u s c l e h a r d n e s s a n d t e n d e r n e s s i n
v a t i o n i n c e r e b e l l a r c u l t u r e s r e s u l t e d i n N O g e n e r a t i o n c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e ( 3 1 ) . I n a d d i t i o n t o
( 1 9 ) . I n v o l v e m e n t o f N O i n n e u r o n a l s i g n a l l i n g w a s f i n d i n g s i n t h e p e r i p h e r y , c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d -
c o n f i r m e d b y d e m o n s t r a t i n g t h a t N O S i n h i b i t o r s a c h e s u f f e r e r s a l s o e x h i b i t s i g n s o f i n c r e a s e d s e n s i -
b l o c k e d t h e s t i m u l a t i o n o f c y c l i c g u a n o s i n e m o n o - t i v i t y i n t h e C N S . T h u s , p r e s s u r e p a i n d e t e c t i o n a n d
p h o s p h a t e i n b r a i n t h a t i s a s s o c i a t e d w i t h a c t i v a t i o n t o l e r a n c e t h r e s h o l d s t o m e c h a n i c a l s t i m u l i h a v e b e e n
o f N M D A r e c e p t o r ( 2 0 , 2 1 ) . L a t e r , i t w a s d e m o n s t r a t e d f o u n d d e c r e a s e d i n t h e s e p a t i e n t s ( 3 2 , 3 3 ) . F u r t h e r -
t h a t s e n s i t i z a t i o n o f p a i n p a t h w a y s i n t h e s p i n a l c o r d m o r e , B e n d t s e n e t a l . ( 3 4 ) d e m o n s t r a t e d t h a t p a t i e n t s
m a y b e c a u s e d b y o r a s s o c i a t e d w i t h a c t i v a t i o n o f w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e h a d a q u a l i t a -
n N O S a n d t h e g e n e r a t i o n o f N O ( 2 2 2 4 ) . M o r e o v e r , t i v e l y a l t e r e d p a i n p e r c e p t i o n . O n t h e b a s i s o f t h e s e
p r o l o n g e d e l e v a t i o n o f N O l e v e l s w i t h i n t h e s p i n a l f i n d i n g s a n d d a t a f r o m b a s i c p a i n r e s e a r c h ( 3 5 ) , i t
d o r s a l h o r n i s i m p o r t a n t i n m a i n t a i n i n g t h e c e n t r a l h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t h e c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n a n d
s e n s i t i z a t i o n ( 2 5 ) . F i n a l l y , i t h a s b e e n s h o w n t h a t i n h i - t h e r e b y t h e c h r o n i c p a i n s t a t e i n p a t i e n t s w i t h
b i t i o n o f N O S r e d u c e s c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n i n p a i n c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e m a y b e d u e t o s e n s i -
m o d e l s ( 2 2 , 2 6 , 2 7 ) a n d t h a t n o c i c e p t i v e r e s p o n s e s i n t i z a t i o n a t t h e l e v e l o f t h e s p i n a l d o r s a l h o r n / t r i g e m -
t h e s e m o d e l s a r e e n h a n c e d b y N O d o n o r s ( 2 8 , 2 9 ) . i n a l n u c l e u s i n d u c e d b y p r o l o n g e d n o c i c e p t i v e i n p u t
T a k e n t o g e t h e r , t h e s e d a t a s u g g e s t t h a t N O i s a n f r o m p e r i c r a n i a l m y o f a s c i a l t i s s u e s ( 9 , 3 6 ) .
i m p o r t a n t t r a n s m i t t e r i n p a i n p a t h w a y s o f t h e s p i n a l
c o r d a n d t h a t N O c o n t r i b u t e s t o d e v e l o p m e n t a n d
I n h i b i t i o n o f N O S i n c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e
m a i n t e n a n c e o f c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n a t t h e s p i n a l l e v e l .
I n o r d e r t o t e s t t h e h y p o t h e s i s t h a t i n h i b i t i o n o f N O
a n d t h e r e b y c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n w o u l d r e d u c e
C e n t r a l s e n s i t i z a t i o n a n d c h r o n i c t e n s i o n - t y p e
c h r o n i c h e a d a c h e , A s h i n a e t a l . ( 3 7 ) i n v e s t i g a t e d t h e
h e a d a c h e
a n a l g e s i c e f f e c t o f t h e N O S i n h i b i t o r L - N G m e t h y l
N o c i c e p t i o n f r o m p e r i c r a n i a l m y o f a s c i a l t i s s u e s m a y a r g i n i n e h y d r o c h l o r i d e ( L - N M M A ) i n p a t i e n t s w i t h
p l a y a m a j o r r o l e i n t h e p a t h o p h y s i o l o g y o f t e n s i o n - c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e . I n a d o u b l e - b l i n d ,
© B l a c k w e l l P u b l i s h i n g L t d C e p h a l a l g i a , 2 0 0 4 , 2 4 , 1 6 1 1 7 2
N e u r o b i o l o g y o f c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e 1 6 3
p l a c e b o - c o n t r o l l e d c r o s s o v e r s t u d y p a t i e n t s r e c e i v e d t e m p o r a l r e g i o n w e r e l a r g e l y u n c h a n g e d f o l l o w i n g
L - N M M A o r p l a c e b o o n 2 d a y s . L - N M M A r e d u c e d t r e a t m e n t w i t h L - N M M A . T h u s , t h e s e s t u d i e s ( 3 7 ,
h e a d a c h e i n t e n s i t y s i g n i f i c a n t l y m o r e t h a n p l a c e b o 3 8 ) d e m o n s t r a t e d t h a t t h e N O S i n h i b i t o r , L - N M M A ,
( F i g . 2 ) . T o e x p l o r e t h e m e c h a n i s m s o f t h i s a n a l g e s i c r e d u c e s h e a d a c h e i n t e n s i t y a n d m u s c l e h a r d n e s s i n
e f f e c t A s h i n a e t a l . ( 3 8 ) a l s o s t u d i e d t h e r e l a t i o n s h i p p a t i e n t s w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e .
b e t w e e n m y o f a s c i a l f a c t o r s a n d N O S i n h i b i t i o n . T h i s A n i m p o r t a n t q u e s t i o n i s h o w L - N M M A m o d u -
s t u d y s h o w e d t h a t b o t h m u s c l e h a r d n e s s a n d t e n - l a t e s m y o f a s c i a l f a c t o r s i n p a t i e n t s w i t h c h r o n i c
d e r n e s s w e r e s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d f o l l o w i n g t r e a t - t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e a n d w h e t h e r t h e e f f e c t s o f L -
m e n t w i t h L - N M M A , w h i l e t h e r e w a s n o s i g n i f i c a n t N M M A a r e d u e t o a n a c t i o n i n m u s c l e , p e r i p h e r a l
r e d u c t i o n a t a n y t i m e a f t e r t r e a t m e n t w i t h p l a c e b o n e r v e s o r t h e C N S . I t i s w e l l e s t a b l i s h e d t h a t p e r s i s -
( F i g s 3 a n d 4 ) . T h e m u s c l e h a r d n e s s w a s s i g n i f i c a n t l y t e n t a c t i v i t y i n p e r i p h e r a l n o c i c e p t o r s m a y l e a d t o
r e d u c e d f o l l o w i n g t r e a t m e n t w i t h L - N M M A c o m - s e n s i t i z a t i o n o f n e u r o n s i n t h e s p i n a l d o r s a l h o r n ,
p a r e d w i t h p l a c e b o . T h e r e d u c t i o n i n t e n d e r n e s s p a r t l y v i a a c t i v a t i o n o f N M D A r e c e p t o r s ( 8 ) . M a n y
f o l l o w i n g t r e a t m e n t w i t h L - N M M A d i d n o t r e a c h o f t h e e f f e c t s o f N M D A r e c e p t o r a c t i v a t i o n a r e m e d i -
s t a t i s t i c a l s i g n i f i c a n c e c o m p a r e d w i t h p l a c e b o . T h e a t e d v i a p r o d u c t i o n o f N O ( 2 3 ) a n d , a s d e s c r i b e d
p r e s s u r e p a i n d e t e c t i o n t h r e s h o l d s i n t h e f i n g e r a n d e a r l i e r , a n i m a l m o d e l s o f p e r s i s t e n t p a i n h a v e s h o w n
t h a t i n h i b i t o r s o f N O S d e c r e a s e s e n s i t i z a t i o n o f t h e
s p i n a l d o r s a l h o r n i n d u c e d b y c o n t i n u o u s p a i n f u l
0 1 5 3 0 6 0 9 0 1 2 0
i n p u t f r o m t h e p e r i p h e r y ( 2 2 , 2 4 , 2 6 , 2 7 ) . O n t h e b a s i s
M i n
0
o f t h e s e f i n d i n g s A s h i n a e t a l . ( 3 7 , 3 8 ) s u g g e s t e d t h a t
t h e a n t i - n o c i c e p t i v e e f f e c t o f N O S i n h i b i t i o n i n
p a t i e n t s w i t h c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e i s p r o b -
1 0
a b l y d u e t o r e d u c t i o n o f c e n t r a l s e n s i t i z a t i o n a t t h e
l e v e l o f t h e s p i n a l d o r s a l h o r n / t r i g e m i n a l n u c l e u s .
*
O n e s h o u l d , h o w e v e r , a l s o c o n s i d e r o t h e r p o s s i b l e
2 0
*
m e c h a n i s m s o f a c t i o n . T h u s , i t i s p o s s i b l e t h a t L -
*
N M M A h a s d i r e c t a n t i - n o c i c e p t i v e e f f e c t s i n m y o f a s -
*
*
3 0 c i a l t i s s u e s . I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t N O S
i n h i b i t o r s h a v e a n t i - n o c i c e p t i v e e f f e c t s a f t e r p e r i p h -
F i g u r e 2 P e r c e n t c h a n g e s f r o m b a s e l i n e p a i n i n t e n s i t y o n a
e r a l a d m i n i s t r a t i o n , p r o b a b l y d u e t o i n h i b i t i o n o f
1 0 0 - m m v i s u a l a n a l o g u e s c a l e ( V A S ) i n 1 6 p a t i e n t s w i t h
e n d o t h e l i a l N O S ( e N O S ) ( 2 2 , 3 9 , 4 0 ) . H o w e v e r , t h e
c h r o n i c t e n s i o n - t y p e h e a d a c h e . T h e p a i n i n t e n s i t y w a s
e x a c t r o l e o f N O i n t h e p e r i p h e r y i s s t i l l f a r f r o m
s i g n i f i c a n t l y m o r e r e d u c e d f o l l o w i n g t r e a t m e n t w i t h L -
N M M A ( ) c o m p a r e d w i t h p l a c e b o ( ) ( P = 0 . 0 1 ) . * P <