Uyanık Sıçanlarda Abdominal Vagus Sinir Stimülasyonu ve Kayıt Çalışmaları için İmplantasyon Cerrahisi
Summary
Mevcut protokol, sıçanlarda abdominal vagus sinirine bir elektrot dizisi implante etmek için cerrahi tekniği ve implante edilen cihazı kullanarak kronik elektrofizyoloji testi ve stimülasyon yöntemlerini açıklamaktadır.
Abstract
Abdominal vagus sinir stimülasyonu (VNS), sıçanların vagus sinirinin subdiyafragmatik dalına uygulanabilir. Anatomik yerleşimi nedeniyle, servikal VNS ile yaygın olarak ilişkili herhangi bir solunum ve kardiyak hedef dışı etkisi yoktur. Solunum ve kardiyak hedef dışı etkilerin olmaması, servikal VNS sırasında yaygın olarak görülen yan etkileri azaltmak için stimülasyon yoğunluğunun azaltılmasına gerek olmadığı anlamına gelir. Son zamanlarda yapılan birkaç çalışma, inflamatuar bağırsak hastalığı, romatoid artrit sıçan modellerinde abdominal VNS’nin anti-inflamatuar etkilerini ve tip 2 diyabetli bir sıçan modelinde glisemi azalmasını göstermektedir. Sıçan, vagus sinirinin köklü anatomisi, kolay kullanım sağlayan sinirin büyük boyutu ve birçok hastalık modelinin mevcudiyeti nedeniyle bu teknolojinin potansiyelini keşfetmek için harika bir modeldir. Burada, sıçanlarda abdominal VNS elektrot dizisini ve cerrahi protokolü temizleme ve sterilize etme yöntemlerini açıklıyoruz. Ayrıca, uyarılmış bileşik aksiyon potansiyellerini kaydederek eşik üstü stimülasyonun doğrulanması için gerekli teknolojiyi de açıklıyoruz. Abdominal VNS, enflamatuar hastalıklar da dahil olmak üzere çeşitli durumlar için seçici, etkili tedavi sunma potansiyeline sahiptir ve uygulamanın servikal VNS’ye benzer şekilde genişlemesi beklenmektedir.
Introduction
Boyundaki servikal bölgede verilen vagus sinir stimülasyonu (VNS), refrakter epilepsi, refrakter depresyon ve iskemik inme sonrası rehabilitasyon için Amerika Birleşik Devletleri Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) onaylı tedavidir1 ve Avrupa’da kalp yetmezliği için Avrupa Komisyonu onaylıdır2. Non-invaziv servikal VNS, migren ve baş ağrısı için FDA onaylıdır1. Crohn hastalığı3, romatoid artrit 4,5 ve bozulmuş glukoz toleransı ve tip 2 diyabet 6,7 gibi diğer endikasyonlarda VNS’nin etkinliğini gösteren son klinik çalışmalarla uygulamasının genişlemesi beklenmektedir. Umut verici olmasına rağmen, servikal VNS, akciğerleri ve kalbi innerve eden sinir liflerinin hedef dışı aktivasyonu nedeniyle bradikardi ve apneye neden olabilir 8,9,10. Servikal VNS11,12 alan hastalarda öksürük, ağrı, ses değişikliği, baş ağrısı ve apne-hipopne indeksinde artış gibi yan etkiler yaygın olarak bildirilmektedir. Stimülasyon gücündeki azalma, bu yan etkileri azaltmak için yaygın bir stratejidir, ancak azaltılmış şarj, terapötik lifleri aktive etmede başarısız olarak VNS tedavisinin etkinliğini sınırlayabilir11. Bu hipotezi desteklemek için, epilepsi tedavisi için yüksek yoğunluklu stimülasyon alan hastaların yanıt verme oranı, düşük yoğunluklu stimülasyon alan hastalara göre daha yüksekti13.
Abdominal VNS, subdiyafragmatik vagus siniri üzerine, hepatik ve çölyak dallarının14 üzerine uygulanır (Şekil 1). Önceki çalışmamız, sıçanlarda abdominal VNS’nin servikal VNS10 ile ilişkili kardiyak veya solunumsal yan etkilere neden olmadığını göstermiştir. Daha önceki çalışmalar ayrıca, inflamatuar bağırsak hastalığı ve romatoid artrit10,15 sıçan modelinde abdominal VNS’nin anti-enflamatuar etkilerini ve ayrıca tip 2 diyabetli bir sıçan modelinde glisemide azalmayıgöstermektedir 16. Son zamanlarda, abdominal VNS teknolojisi, inflamatuar bağırsak hastalığının (NCT05469607) tedavisi için insanlarda ilk kez yapılan bir klinik çalışma için tercüme edilmiştir.
Abdominal vagus sinirine stimülasyon sağlamak için kullanılan periferik sinir elektrot dizisi (WO201909502017) sıçanlarda kullanılmak üzere özel olarak geliştirilmiştir ve tıbbi sınıf bir silikon elastomer manşet, diziyi yemek borusuna sabitlemek için bir dikiş tırnağı, bir kurşun tel ve lomber bölgeye monte edilecek bir perkütan konektör ile desteklenen, 4.7 mm aralıklarla yerleştirilmiş iki ila üç platin elektrot çiftinden oluşur (Şekil 2). Kurşun tel, hayvanın sol tarafında derinin altına tünel açılır. Çoklu elektrot çifti tasarımı, sinirin elektriksel stimülasyonunun yanı sıra, implantın sinire doğru yerleştirildiğini ve eşik üstü stimülasyon yoğunluklarını doğrulayan elektriksel olarak uyarılmış bileşik aksiyon potansiyellerinin (ECAP’ler) kaydedilmesine izin verir. Abdominal VNS,serbest hareket eden sıçanlarda 10,15,16 aylar boyunca iyi tolere edilir. Bu, hastalık modelleri üzerindeki etkinliğinin değerlendirilmesine izin verir.
Bu yazıda, çeşitli hastalık modellerinde abdominal VNS’nin etkinliğini incelemek için uyanık sıçanlarda elektrot dizisi sterilizasyonu, abdominal vagus siniri implantasyon cerrahisi ve ECAP’lerin kronik stimülasyonu ve kaydedilmesi yöntemleri açıklanmaktadır. Bu yöntemler başlangıçta inflamatuar barsak hastalığının sıçan modelinde abdominal VNS’nin etkinliğini incelemek için geliştirilmiştir10 ve ayrıca romatoid artrit15 ve diyabet16’nın sıçan modeli için başarıyla kullanılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu abdominal VNS implant cerrahisi yöntemi ve vagus sinirinin kronik stimülasyonu ve ECAP’lerin kaydedilmesi implantasyonu takiben sıçanlarda 5 hafta boyunca başarıyla kullanılmış ve iyi tolere edilmiştir 10,15,16. Yemek borusu ve vagus sinirini iyi bir şekilde görmek için mide, karaciğer ve bağırsağın geri çekilmesi ameliyatın en önemli adımlarından biridir. Bu organlar geri çekildiğinde, vagus siniri e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sıçan abdominal VNS implantının geliştirilmesi, Uzay ve Deniz Harp Sistemleri Merkezi aracılığıyla Dr. Doug Weber ve Dr. Eric Van Gieson’un himayesinde Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) BTO tarafından finanse edildi (Sözleşme No. N66001-15-2-4060). Bu yayında bildirilen araştırma, Biyonik Enstitüsü Kuluçka Fonu tarafından desteklenmiştir. Biyonik Enstitüsü, Operasyonel Altyapı Destek Programı aracılığıyla Victoria Hükümeti’nden aldıkları desteği kabul etmektedir. Mekanik tasarım için Bay Owen Burns’e, anatomik uzmanlık için Prof. John B Furness’e, periferik arayüz, nöromodülasyon ve kayıt uzmanlığı için Prof. Robert K Shepherd’a, hayvancılık ve test için Bayan Philippa Kammerer ve Bayan Amy Morley’e, ameliyat sonrası hayvan bakımı konusundaki tavsiyeleri için Bayan Fenella Muntz ve Dr. Peta Grigsby’ye ve VNS dizilerinin üretimi için Bayan Jenny Zhou’ya ve NeoBionica’dan elektrot üretim ekibine teşekkür ederiz.
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).
