جراحة زرع العصب المبهم البطني ودراسات التسجيل في الفئران المستيقظة
Summary
يصف هذا البروتوكول التقنية الجراحية لزرع مجموعة أقطاب كهربائية على العصب المبهم البطني في الفئران ، إلى جانب طرق اختبار الفيزيولوجيا الكهربية المزمنة والتحفيز باستخدام الجهاز المزروع.
Abstract
يمكن تطبيق تحفيز العصب المبهم البطني (VNS) على فرع الحجاب الحاجز من العصب المبهم للفئران. نظرا لموقعه التشريحي ، ليس له أي آثار تنفسية وقلبية خارج الهدف ترتبط عادة ب VNS عنق الرحم. عدم وجود آثار تنفسية وقلبية خارج الهدف يعني أن شدة التحفيز لا تحتاج إلى خفض لتقليل الآثار الجانبية الشائعة أثناء VNS عنق الرحم. تظهر بعض الدراسات الحديثة التأثيرات المضادة للالتهابات ل VNS في البطن في نماذج الفئران لمرض التهاب الأمعاء والتهاب المفاصل الروماتويدي وتقليل نسبة السكر في الدم في نموذج الفئران لمرض السكري من النوع 2. يعد الجرذ نموذجا رائعا لاستكشاف إمكانات هذه التقنية بسبب التشريح الراسخ للعصب المبهم ، والحجم الكبير للعصب الذي يسمح بسهولة التعامل معه ، وتوافر العديد من نماذج الأمراض. هنا ، نصف طرق تنظيف وتعقيم مجموعة قطب VNS البطني والبروتوكول الجراحي في الفئران. كما نصف التكنولوجيا المطلوبة لتأكيد التحفيز فوق العتبة عن طريق تسجيل جهود الفعل المركب المستحث. لدى VNS البطني القدرة على تقديم علاج انتقائي وفعال لمجموعة متنوعة من الحالات ، بما في ذلك الأمراض الالتهابية ، ومن المتوقع أن يتوسع التطبيق بشكل مشابه ل VNS عنق الرحم.
Introduction
تحفيز العصب المبهم (VNS) الذي يتم تقديمه في موقع عنق الرحم في الرقبة هو علاج معتمد من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للصرع المقاوم للحرارة والاكتئاب المقاوم وإعادة التأهيل بعد السكتة الدماغية1 ، ومعتمد من المفوضية الأوروبية لفشل القلب في أوروبا2. تمت الموافقة على VNS عنق الرحم غير الغازية من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) لعلاج الصداع النصفيوالصداع 1. من المتوقع أن يتوسع تطبيقه ، حيث أظهرت التجارب السريرية الأخيرة فعالية VNS في مؤشرات أخرى مثل مرض كرون3 والتهاب المفاصل الروماتويدي 4,5 وضعف تحمل الجلوكوز ومرض السكري من النوع 2 6,7. على الرغم من أنها واعدة ، إلا أن VNS عنق الرحم يمكن أن يسبب بطء القلب وانقطاع النفس بسبب التنشيط غير المستهدف للألياف العصبية التي تعصب الرئتين والقلب8،9،10. يتم الإبلاغ عن آثار جانبية مثل السعال والألم وتغيير الصوت والصداع وزيادة مؤشر انقطاع النفس ونقص التنفس بشكل شائع في المرضى الذين يتلقون VNSعنق الرحم 11,12. يعد تقليل قوة التحفيز استراتيجية شائعة لتقليل هذه الآثار الجانبية ، ولكن انخفاض الشحن قد يحد من فعالية علاج VNS عن طريق الفشل في تنشيط الألياف العلاجية11. لدعم هذه الفرضية ، كان معدل المستجيبين للمرضى الذين يتلقون تحفيزا عالي الكثافة لعلاج الصرع أعلى من معدل المرضى الذين يتلقون تحفيزا منخفض الكثافة13.
يتم تطبيق VNS البطني على العصب المبهم تحت الحجاب الحاجز ، فوق الفروع الكبدية والاضطرابات الهضمية14 (الشكل 1). أظهرت دراستنا السابقة أن VNS البطني في الفئران لا يسبب آثارا جانبية قلبية أو تنفسية مرتبطة ب VNS10 عنق الرحم. تظهر الدراسات السابقة أيضا التأثيرات المضادة للالتهابات ل VNS البطني في نموذج الفئران لمرض التهاب الأمعاء والتهاب المفاصلالروماتويدي 10,15 بالإضافة إلى انخفاض نسبة السكر في الدم في نموذج الفئران لمرض السكري من النوع 216. في الآونة الأخيرة ، تمت ترجمة تقنية VNS البطنية لأول تجربة سريرية بشرية لعلاج مرض التهاب الأمعاء (NCT05469607).
تم تطوير مجموعة أقطاب العصب المحيطي المستخدمة لتوصيل التحفيز إلى العصب المبهم البطني (WO2019095020 17) خصيصا للاستخدام في الفئران ، وتتألف من اثنين إلى ثلاثة أزواج من أقطاب البلاتين الموضوعة على بعد 4.7 مم ، مدعومة بكفة مطاطية من السيليكون من الدرجة الطبية ، ولسان خياطة لتثبيت المصفوفة في المريء ، وسلك رصاص وموصل عن طريق الجلد يتم تركيبه على منطقة أسفل الظهر (الشكل 2). يتم نفق سلك الرصاص تحت الجلد على الجانب الأيسر من. يسمح تصميم زوج الأقطاب الكهربائية المتعددة بالتحفيز الكهربائي للعصب بالإضافة إلى تسجيل جهود الفعل المركبة المستحثة كهربائيا (ECAPs) ، والتي تؤكد الوضع الصحيح للزرع على العصب وشدة التحفيز فوق العتبة. البطن VNS جيد التحمل في الفئران تتحرك بحرية لعدة أشهر10،15،16. هذا يسمح لتقييم فعاليته على نماذج المرض.
تصف هذه المخطوطة طرق تعقيم مصفوفة الأقطاب الكهربائية ، وجراحة زرع العصب المبهم البطني ، والتحفيز المزمن وتسجيل ECAPs في الفئران المستيقظة لدراسة فعالية VNS البطني في مجموعة متنوعة من نماذج المرض. تم تطوير هذه الطرق في الأصل لدراسة فعالية VNS في البطن في نموذج الفئران لمرض التهاب الأمعاء10 ، كما تم استخدامها بنجاح لنموذج الفئران من التهاب المفاصل الروماتويدي15 والسكري16.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم استخدام هذه الطريقة لجراحة زرع VNS في البطن والتحفيز المزمن للعصب المبهم وتسجيل ECAPs بنجاح وتحملها جيدا لمدة 5 أسابيع في الفئران بعد الزرع10،15،16. يعد تراجع المعدة والكبد والأمعاء للحصول على رؤية جيدة للمريء والعصب المبهم إحدى الخطوات الر?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل تطوير غرسة VNS في بطن الفئران من قبل وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) BTO ، تحت رعاية الدكتور دوغ ويبر والدكتور إريك فان جيسون من خلال مركز أنظمة الحرب الفضائية والبحرية (العقد رقم N66001-15-2-4060). تم دعم البحث الوارد في هذا المنشور من قبل صندوق حضانة معهد بيونيكس. يقر معهد بيونيكس بالدعم الذي يتلقونه من حكومة فيكتوريا من خلال برنامج دعم البنية التحتية التشغيلية. نود أن نشكر السيد أوين بيرنز على التصميم الميكانيكي ، والبروفيسور جون بي فورنيس على الخبرة التشريحية ، والبروفيسور روبرت كيه شيبرد على خبرة الواجهة الطرفية والتعديل العصبي والتسجيل ، والسيدة فيليبا كاميرير والسيدة إيمي مورلي لتربية واختبارها ، والسيدة فينيلا مونتز والدكتورة بيتا جريجسبي على نصائحهم بشأن رعاية بعد الجراحة ، والسيدة جيني تشو وفريق تصنيع الأقطاب الكهربائية من NeoBionica لإنتاج صفائف VNS.
Materials
| 0.9% saline | Briemarpak | SC3050 | |
| Baytril | Bayer | ||
| Betadine | Sanofi-Aventis Healthcare | ||
| Buprelieve (Buprenorphine) | Jurox | ||
| Data acquisition device | National Instruments | USB-6210 | |
| DietGel Boost (dietary gel supplement) | ClearH2O | ||
| Dumont tweezer, style 5 | ProSciTech | T05-822 | |
| Dumont tweezer, style N7, self-closing | ProSciTech | EMS72864-D | |
| Elmasonic P sonicator | Elma | ||
| Hartmann's solution | Baxter | AHB2323 | |
| Hemostat | ProSciTech | TS1322-140 | |
| HPMC/PAA Moisturising Eye Gel | Alcon | ||
| Igor Pro-8 software | Wavemetrics, Inc | ||
| Isoflo (Isoflurane) | Zoetis | ||
| Isolated differential amplifier | World Precision Instruments | ISO-80 | |
| Liquid pyroneg | Diversey | HH12291 | cleaning solution |
| Marcaine (Bupivacaine) | Aspen | ||
| Plastic drape | Multigate | 22-203 | |
| Rat vagus nerve implant | Neo-Bionica | ||
| Rimadyl (Carprofen) | Zoetis | ||
| Silk suture 3-0 | Ethicon | ||
| Silk suture 7-0 | Ethicon | ||
| SteriClave autoclave | Cominox | 24S | |
| Sterile disposable surgical gown | Zebravet | DSG-S | |
| Suicide Nickel hooks | Jarvis Walker | ||
| Ultrapure water | Merck Millipre | Milli-Q Direct | |
| Underpads | Zebravet | UP10SM | |
| Vannas scissors | ProSciTech | EMS72933-01 | |
| Vicryl suture 4-0 | Ethicon |
References
- Fang, Y. T., et al. Neuroimmunomodulation of vagus nerve stimulation and the therapeutic implications. Front Aging Neurosci. 15, 1173987 (2023).
- Fudim, M., et al. Device therapy in chronic heart failure: JACC state-of-the-art review. J Am Coll Cardiol. 78 (9), 931-956 (2021).
- Sinniger, V., et al. A 12-month pilot study outcomes of vagus nerve stimulation in Crohn’s disease. Neurogastroenterol Motil. 32 (10), 13911 (2020).
- Koopman, F. A., et al. Vagus nerve stimulation in patients with rheumatoid arthritis: 24 month safety and efficacy. Arthritis Rheumatol. 70, (2018).
- Genovese, M. C., et al. Safety and efficacy of neurostimulation with a miniaturised vagus nerve stimulation device in patients with multidrug-refractory rheumatoid arthritis: a two-stage multicentre, randomised pilot study. Lancet Rheumatol. 2 (9), e527-e538 (2020).
- Lu, J. Y., et al. A randomized trial on the effect of transcutaneous electrical nerve stimulator on glycemic control in patients with type 2 diabetes. Sci Rep. 13 (1), 2662 (2023).
- Huang, F., et al. Effect of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation on impaired glucose tolerance: a pilot randomized study. BMC Complement Altern Med. 14, 203 (2014).
- Chang, R. B., Strochlic, D. E., Williams, E. K., Umans, B. D., Liberles, S. D. Vagal sensory neuron subtypes that differentially control breathing. Cell. 161 (3), 622-633 (2015).
- McAllen, R. M., Shafton, A. D., Bratton, B. O., Trevaks, D., Furness, J. B. Calibration of thresholds for functional engagement of vagal A, B and C fiber groups in vivo. Bioelectron Med (Lond). 1 (1), 21-27 (2018).
- Payne, S. C., et al. Anti-inflammatory effects of abdominal vagus nerve stimulation on experimental intestinal inflammation). Front Neurosci. 13, 418 (2019).
- Ben-Menachem, E., Revesz, D., Simon, B. J., Silberstein, S. Surgically implanted and non-invasive vagus nerve stimulation: a review of efficacy, safety and tolerability. Eur J Neurol. 22 (9), 1260-1268 (2015).
- Parhizgar, F., Nugent, K., Raj, R. Obstructive sleep apnea and respiratory complications associated with vagus nerve stimulators. J Clin Sleep Med. 7 (4), 401-407 (2011).
- Mao, H., Chen, Y., Ge, Q., Ye, L., Cheng, H. S. h. o. r. t. -. and long-term response of vagus nerve stimulation therapy in drug-resistant epilepsy: A systematic review and meta-analysis. Neuromodulation. 25 (3), 327-342 (2022).
- Payne, S. C., Furness, J. B., Stebbing, M. J. Bioelectric neuromodulation for gastrointestinal disorders: effectiveness and mechanisms. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 16 (2), 89-105 (2019).
- Payne, S. C., Romas, E., Hyakumura, T., Muntz, F., Fallon, J. B. Abdominal vagus nerve stimulation alleviates collagen-induced arthritis in rats. Front Neurosci. 16, 1012133 (2022).
- Payne, S. C., et al. Blood glucose modulation and safety of efferent vagus nerve stimulation in a type 2 diabetic rat model. Physiol Rep. 10 (8), 15257 (2022).
- Shepherd, R. K., Fallon, J. B., Payne, S. C., Burns, O., Furness, J. B. Peripheral nerve electrode array. US patent. , (2019).
- Castoro, M. A., et al. Excitation properties of the right cervical vagus nerve in adult dogs. Exp Neurol. 227 (1), 62-68 (2011).
- Payne, S. C., et al. Differential effects of vagus nerve stimulation strategies on glycemia and pancreatic secretions. Physiol Rep. 8 (11), 14479 (2020).
- Prechtl, J. C., Powley, T. L. The fiber composition of the abdominal vagus of the rat. Anat Embryol (Berl). 181 (2), 101-115 (1990).
- Gasser, H. S., Erlanger, J. The role played by the sizes of the constituent fibers of a nerve trunk in determining the form of its action potential wave. Am J Physiol-Legacy Content. 80 (3), 522-547 (1927).
- Parker, J. L., Shariati, N. H., Karantonis, D. M. Electrically evoked compound action potential recording in peripheral nerves. Bioelectron Med. 1 (1), 71-83 (2018).
- Villalobos, J., et al. Stimulation parameters for directional vagus nerve stimulation. Bioelectron Med. 9 (1), 16 (2023).
- Verma, N., et al. Characterization and applications of evoked responses during epidural electrical stimulation. Bioelectron Med. 9 (1), 5 (2023).
- Hoffman, H. H., Schnitzlein, H. N. The numbers of nerve fibers in the vagus nerve of man. Anat Rec. 139, 429-435 (1961).
- Bassi, G. S., et al. Anatomical and clinical implications of vagal modulation of the spleen. Neurosci Biobehav Rev. 112, 363-373 (2020).
- Courties, A., Berenbaum, F., Sellam, J. Vagus nerve stimulation in musculoskeletal diseases. Joint Bone Spine. 88 (3), 105149 (2021).
- Hilderman, M., Bruchfeld, A. The cholinergic anti-inflammatory pathway in chronic kidney disease-review and vagus nerve stimulation clinical pilot study. Nephrol Dial Transplant. 35 (11), 1840-1852 (2020).
