Implantationschirurgie zur Stimulation des abdominalen Vagusnervs und Aufzeichnungsstudien an wachen Ratten
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt die chirurgische Technik zur Implantation eines Elektrodenarrays auf den abdominalen Vagusnerv bei Ratten, zusammen mit Verfahren für chronische elektrophysiologische Tests und Stimulation unter Verwendung der implantierten Vorrichtung.
Abstract
Die abdominale Vagusnervstimulation (VNS) kann auf den subdiaphragmatischen Ast des Vagusnervs von Ratten angewendet werden. Aufgrund seiner anatomischen Lage hat es keine respiratorischen und kardialen Off-Target-Effekte, die üblicherweise mit zervikalem VNS in Verbindung gebracht werden. Das Fehlen von respiratorischen und kardialen Off-Target-Effekten bedeutet, dass die Intensität der Stimulation nicht verringert werden muss, um Nebenwirkungen zu reduzieren, die häufig bei zervikalem VNS auftreten. Nur wenige neuere Studien zeigen die entzündungshemmende Wirkung von abdominalem VNS in Rattenmodellen für entzündliche Darmerkrankungen, rheumatoide Arthritis und Glykämiereduktion in einem Rattenmodell für Typ-2-Diabetes. Die Ratte ist ein großartiges Modell, um das Potenzial dieser Technologie zu erforschen, da die Anatomie des Vagusnervs gut etabliert ist, die Größe des Nervs eine einfache Handhabung ermöglicht und viele Krankheitsmodelle verfügbar sind. Hier beschreiben wir die Methoden zur Reinigung und Sterilisation des abdominalen VNS-Elektrodenarrays und des chirurgischen Protokolls bei Ratten. Wir beschreiben auch die Technologie, die zur Bestätigung einer überschwelligen Stimulation erforderlich ist, indem evozierte zusammengesetzte Aktionspotentiale aufgezeichnet werden. Die abdominale VNS hat das Potenzial, eine selektive, wirksame Behandlung für eine Vielzahl von Erkrankungen, einschließlich entzündlicher Erkrankungen, zu bieten, und es wird erwartet, dass sich die Anwendung ähnlich wie die zervikale VNS ausweiten wird.
Introduction
Die Vagusnervstimulation (VNS), die an der zervikalen Stelle im Hals verabreicht wird, ist von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für die Behandlung von refraktärer Epilepsie, refraktärer Depression und postischämischer Schlaganfallrehabilitationzugelassen 1 und von der Europäischen Kommission für Herzinsuffizienz in Europazugelassen 2. Die nicht-invasive zervikale VNS ist von der FDA für Migräne und Kopfschmerzen zugelassen1. Es wird erwartet, dass sich die Anwendung ausweiten wird, da jüngste klinische Studien die Wirksamkeit von VNS bei anderen Indikationen wie Morbus Crohn3, rheumatoider Arthritis 4,5 und beeinträchtigter Glukosetoleranz und Typ-2-Diabetes 6,7 zeigen. Obwohl vielversprechend, kann zervikale VNS Bradykardie und Apnoe verursachen, da die Nervenfasern, die die Lunge und das Herz innervieren, nicht zielgerichtet aktiviert werden 8,9,10. Nebenwirkungen wie Husten, Schmerzen, Stimmveränderungen, Kopfschmerzen und Anstieg des Apnoe-Hypopnoe-Index werden häufig bei Patienten berichtet, die zervikale VNS11,12 erhalten. Die Verringerung der Stimulationsstärke ist eine gängige Strategie zur Verringerung dieser Nebenwirkungen, jedoch kann eine reduzierte Ladung die Wirksamkeit der VNS-Therapie einschränken, da die therapeutischen Fasern nicht aktiviert werden11. Zur Unterstützung dieser Hypothese war die Ansprechrate von Patienten, die eine hochintensive Stimulation zur Behandlung von Epilepsie erhielten, höher als die von Patienten, die eine Stimulation niedriger Intensität erhielten13.
Die abdominale VNS wird am subdiaphragmatischen Vagusnerv oberhalb der Leber- und Zöliakieäste14 angelegt (Abbildung 1). Unsere vorherige Studie zeigte, dass VNS bei Ratten keine kardialen oder respiratorischen Nebenwirkungen verursacht, die mit zervikalem VNS10 verbunden sind. Frühere Studien zeigen auch entzündungshemmende Wirkungen von abdominalen VNS in einem Rattenmodell für entzündliche Darmerkrankungen und rheumatoide Arthritis10,15 sowie eine Verringerung der Glykämie in einem Rattenmodell für Typ-2-Diabetes16. Kürzlich wurde die abdominale VNS-Technologie für eine erste klinische Studie am Menschen zur Behandlung von entzündlichen Darmerkrankungen (NCT05469607) übersetzt.
Das periphere Nervenelektrodenarray, das zur Stimulation des abdominalen Vagusnervs (WO201909502017) verwendet wird, wurde speziell für den Einsatz bei Ratten entwickelt und besteht aus zwei bis drei Platinelektrodenpaaren im Abstand von 4,7 mm, die von einer medizinischen Silikonelastomermanschette, einer Nahtlasche zur Verankerung des Arrays an der Speiseröhre, einem Elektrodendraht und einem perkutanen Konnektor zur Befestigung an der Lendenwirbelsäule getragen werden (Abbildung 2). Der Bleidraht wird auf der linken Seite des Tieres unter die Haut getunnelt. Das Design mehrerer Elektrodenpaare ermöglicht die elektrische Stimulation des Nervs sowie die Aufzeichnung elektrisch evozierter zusammengesetzter Aktionspotentiale (ECAPs), die die korrekte Platzierung des Implantats auf dem Nerv und die überschwelligen Stimulationsintensitäten bestätigen. Abdominales VNS wird bei frei beweglichen Ratten für die Monate 10,15,16 gut vertragen. Dies ermöglicht die Bewertung seiner Wirksamkeit auf Krankheitsmodelle.
Dieses Manuskript beschreibt die Methoden für die Elektrodenarray-Sterilisation, die Implantation des abdominalen Vagusnervs und die chronische Stimulation und Aufzeichnung von ECAPs bei wachen Ratten zur Untersuchung der Wirksamkeit von abdominalen VNS in einer Vielzahl von Krankheitsmodellen. Diese Methoden wurden ursprünglich für die Untersuchung der Wirksamkeit von abdominalen VNS im Rattenmodell für entzündliche Darmerkrankungen10 entwickelt und wurden auch erfolgreich für ein Rattenmodell für rheumatoide Arthritis15 und Diabetes16 eingesetzt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Methode der abdominalen VNS-Implantation und der chronischen Stimulation des Vagusnervs und der Aufzeichnung von ECAPs wurde bei Ratten nach der Implantation 5 Wochen lang erfolgreich angewendet und gut vertragen 10,15,16. Das Zurückziehen von Magen, Leber und Darm, um eine gute Sicht auf die Speiseröhre und den Vagusnerv zu erhalten, ist einer der wichtigsten Schritte bei der Operation. Sobald diese Organe zurückgezoge…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Entwicklung des VNS-Implantats für den Bauch von Ratten wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) BTO unter der Schirmherrschaft von Dr. Doug Weber und Dr. Eric Van Gieson über das Space and Naval Warfare Systems Center (Vertrag Nr. N66001-15-2-4060) finanziert. Die in dieser Veröffentlichung berichtete Forschung wurde vom Bionics Institute Incubation Fund unterstützt. Das Bionics Institute dankt für die Unterstützung, die es von der Regierung von Victoria durch sein Operational Infrastructural Support Program erhält. Wir danken Herrn Owen Burns für das mechanische Design, Prof. John B. Furness für die anatomische Expertise, Prof. Robert K. Shepherd für die Expertise in den Bereichen periphere Schnittstelle, Neuromodulation und Aufzeichnung, Frau Philippa Kammerer und Frau Amy Morley für die Tierhaltung und -tests, Frau Fenella Muntz und Dr. Peta Grigsby für ihre Beratung zur postoperativen Tierpflege und Frau Jenny Zhou und dem Elektrodenherstellungsteam von NeoBionica für die Herstellung der VNS-Arrays.
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 |
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