Qui, presentiamo un metodo per la valutazione delle prestazioni e della sicurezza a lungo termine di array di elettrodi subdurali morbidi in un modello di minipig, descrivendo il metodo e gli strumenti chirurgici, la risonanza magnetica postoperatoria, l’elettrofisiologia della corteccia uditiva, le proprietà elettrochimiche dell’impianto e l’immunochimica post-mortem.
I disturbi e le malattie neurologiche possono essere diagnosticati o trattati utilizzando array di elettrocorticografia (ECoG). Nell’epilessia resistente ai farmaci, questi aiutano a delineare la regione epilettica da resecare. In applicazioni a lungo termine come le interfacce cervello-computer, questi elettrodi epicorticali vengono utilizzati per registrare l’intenzione di movimento del cervello, per controllare gli arti robotici di pazienti paralizzati. Tuttavia, le attuali griglie di elettrodi rigidi non rispondono alla necessità di registrazioni cerebrali ad alta risoluzione e di biointegrazione a lungo termine. Recentemente, sono stati proposti array di elettrodi conformabili per ottenere una stabilità dell’impianto a lungo termine con prestazioni elevate. Tuttavia, sono necessari studi preclinici per queste nuove tecnologie implantari per convalidare la loro funzionalità a lungo termine e il profilo di sicurezza per la loro traduzione su pazienti umani. In questo contesto, i modelli suini sono abitualmente impiegati nello sviluppo di dispositivi medici grazie alle loro grandi dimensioni degli organi e alla facilità di gestione degli animali. Tuttavia, solo poche applicazioni cerebrali sono descritte in letteratura, per lo più a causa di limitazioni chirurgiche e dell’integrazione del sistema implantare su un animale vivo.
Qui, riportiamo il metodo per l’impianto a lungo termine (6 mesi) e la valutazione degli array morbidi di ECoG nel modello minipig. Lo studio presenta in primo luogo il sistema implantare, costituito da un array di elettrodi microfabbricati morbidi integrati con una porta transdermica polimerica compatibile con la risonanza magnetica (MRI) che ospita i connettori della strumentazione per le registrazioni elettrofisiologiche. Quindi, lo studio descrive la procedura chirurgica, dall’impianto subdurale al recupero dell’animale. Ci concentriamo sulla corteccia uditiva come esempio di area bersaglio in cui i potenziali evocati sono indotti dalla stimolazione acustica. Descriviamo infine una sequenza di acquisizione dati che include la risonanza magnetica dell’intero cervello, la caratterizzazione elettrochimica dell’impianto, l’elettrofisiologia intraoperatoria e in movimento libero e la colorazione immunoistochimica dei cervelli estratti.
Questo modello può essere utilizzato per studiare la sicurezza e la funzione di un nuovo design di protesi corticali; Studio preclinico obbligatorio per prevedere la traduzione su pazienti umani.
I disturbi e le malattie neurologiche possono essere diagnosticati o trattati utilizzando array di elettrocorticografia (ECoG). Queste griglie di elettrodi sono impiantate sulla superficie del cervello e consentono la registrazione o la stimolazione della corteccia umana1. Nel caso dell’epilessia resistente ai farmaci, ad esempio, aiutano a delineare la regione epilettica da resecare2. In applicazioni a lungo termine come le interfacce cervello-computer, questi elettrodi epicorticali vengono utilizzati per registrare l’intenzione di movimento del cervello, per controllare gli arti robotici di pazienti paralizzati3. Tuttavia, le attuali griglie di elettrodi sono costituite da blocchi metallici rigidi incorporati in substrati polimerici rigidi e non rispondono alla necessità di registrazioni cerebrali ad alta risoluzione e di biointegrazione subdurale a lungo termine (>30 giorni). Piuttosto, creano reazioni tissutali locali che portano all’incapsulamento fibrotico del dispositivo impiantato, portando a prestazioni peggiori nel tempo. Recentemente, sono stati proposti array di elettrodi flessibili o estensibili che utilizzano substrati polimerici sottili prodotti con tecniche di microfabbricazione per ottenere elevate prestazioni in impianti a lungo termine limitando la reazione tissutale 4,5. Tuttavia, sono necessari studi preclinici per queste nuove tecnologie implantari per convalidarne la funzionalità a lungo termine e il profilo di sicurezza, in modo da poter prevedere la traslazione su pazienti umani. In questo contesto, i modelli di minipig e suini sono abitualmente impiegati nello sviluppo di dispositivi in altri contesti medici (ad esempio, il sistema cardiovascolare, scheletrico o gastrico) a causa delle loro grandi dimensioni degli organi e della facile gestione degli animali 6,7,8. Tuttavia, solo poche applicazioni mirate al cervello per la neurofisiologia sono descritte in letteratura, principalmente a causa delle limitazioni dell’approccio chirurgico e dell’integrazione del sistema implantare su un animale vivente 9,10,11,12. Questi spesso non sono compatibili con l’impianto cronico in animali vivi, in quanto richiederebbero, ad esempio, lo sviluppo di hardware complessi come l’elettronica incorporata impiantabile. Inoltre, non studiano l’influenza del sistema implantare sul tessuto bersaglio, che è cruciale per l’aspetto della biosicurezza negli studi traslazionali. Il modello suino è vicino all’anatomia umana in termini di struttura corticale, osso del cranio e spessore della pelle13. Inoltre, la loro capacità di apprendere compiti comportamentali li rende un potente modello per lo studio di strategie di riabilitazione funzionale o percezioni sensoriali14.
La traslazione delle nuove tecnologie e terapie all’uomo richiede la valutazione della sicurezza e dell’efficacia, come richiesto dalle autorità mediche competenti. Questi sono solitamente descritti nei documenti tecnici e nelle norme15, tuttavia richiedono solo il superamento di questi test e non indagano l’effetto effettivo dell’impianto del dispositivo o la raccolta di altri dati utili in parallelo allo studio di sicurezza. Per uno studio completo sulla biosicurezza e sulle prestazioni del cervello, presentiamo qui una raccolta longitudinale e sistematica di dati di imaging cerebrale, misurazioni elettrofisiologiche, valutazione delle proprietà elettrochimiche degli elettrodi impiantati e istologia post-mortem in un modello suino. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario considerare diversi aspetti, al fine di creare un modello sperimentale completo: (i) accesso chirurgico minimamente invasivo per l’impianto del dispositivo insieme a una porta transdermica meccanicamente stabile per il collegamento agli elettrodi, (ii) un robusto paradigma di registrazione elettrofisiologica che funge da output prestazionale per gli elettrodi impiantati sia in anestesia che in condizioni di movimento libero, (iii) imaging in vivo (tomografia computerizzata [TC] e/o risonanza magnetica [MRI]) in diversi momenti temporali per seguire l’evoluzione del cervello e dell’impianto, nonché la compatibilità del sistema impiantato con l’apparecchiatura di imaging, e (iv) una pipeline di preparazione dei tessuti per estrarre il cervello per l’analisi istologica.
In questo articolo, riportiamo il metodo per l’impianto a lungo termine (6 mesi) e la valutazione degli array di ECoG morbidi nel modello minipig (mostrato schematicamente nella Figura 1). Gli array di elettrodi morbidi sono stati presentati nei nostri precedenti rapporti e sono costituiti da sottili membrane siliconiche che incorporano film sottili elastici d’oro utilizzati come piste elettriche16,17. Il contatto con il tessuto avviene attraverso una miscela di nanoparticelle di platino incorporate in una matrice siliconica per un’interfaccia elettrochimica morbida ed efficiente con il tessuto cerebrale18. Gli impianti sono collegati attraverso un cavo flessibile incanalato subduralmente attraverso il cranio e la pelle a una porta transdermica che ospita i connettori sulla testa dell’animale. Le dimensioni e la forma dell’impianto possono essere personalizzate in base al target e alle esigenze dello studio. Le attuali strisce di elettrodi in questo studio rispecchiano le dimensioni reali delle strisce cliniche. Le strisce e le griglie subdurali clinicamente disponibili sono state utilizzate come comparatori utilizzando lo stesso approccio. La porta transdermica polimerica compatibile con la risonanza magnetica viene posizionata sul cranio utilizzando un sistema di pedane che la ancorano saldamente al cranio. Qui descriviamo in dettaglio la procedura chirurgica, dall’impianto subdurale di entrambi gli emisferi al recupero dell’animale. Ci concentriamo sulla corteccia uditiva come area bersaglio di esempio, dove i potenziali evocati sono indotti dalla stimolazione acustica sia in condizioni anestetizzate che in movimento libero. In diversi momenti, il cervello dell’animale viene sottoposto a risonanza magnetica (o TC per gli elettrodi clinici) sotto anestesia e vengono misurate le proprietà elettrochimiche degli elettrodi. I metodi di caratterizzazione degli elettrodi sono utilizzati per seguire l’evoluzione dell’impianto e dell’interfaccia elettrodo-tessuto (vedi Schiavone et al.19 per maggiori dettagli). Questi includono la cronoamperometria per sondare le capacità di stimolazione del contatto dell’elettrodo, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) che può indicare l’evoluzione dei componenti resistivi e capacitivi dell’elettrodo e le misurazioni della resistenza intercanale per sondare i guasti di incapsulamento ermetico. Infine, abbiamo sviluppato una pipeline di estrazione dei tessuti per perfondere il cervello dopo l’eutanasia, espiantarlo con gli elettrodi in posizione, sezionarlo ed eseguire analisi istologiche utilizzando diversi marcatori di infiammazione. Nel complesso, questo metodo consentirà studi preclinici con una robusta raccolta di dati multimodali per la futura traduzione clinica di nuove tecnologie e terapie sul cervello.
Riportiamo qui un metodo per l’impianto a lungo termine e la valutazione di array soft ECoG. In questo studio, abbiamo progettato un approccio chirurgico coerente e minimamente invasivo per l’impianto bilaterale di griglie di elettrodi funzionali sui lobi temporali (in questo caso, mirando alla corteccia uditiva). In primo luogo abbiamo valutato la funzionalità della griglia registrando con successo i potenziali evocati nel corso dello studio (6 mesi) e monitorando le proprietà elettrochimiche degli elettrodi (vedi Figura 6). In secondo luogo, abbiamo valutato la biosicurezza delle griglie, in vivo utilizzando la risonanza magnetica e stabilendo un sistema completamente compatibile con la risonanza magnetica, e post-mortem progettando un protocollo per la raccolta dei tessuti e l’immunocolorazione.
Per ridurre al minimo l’invasività, abbiamo ottimizzato le dimensioni della finestra craniotomica. Per raggiungere la corteccia uditiva situata sul lobo temporale ed evitare di resecare il muscolo temporale, abbiamo sviluppato una tecnica per far scorrere l’impianto sotto la dura. Questa tecnica permette di ridurre drasticamente la superficie del cervello esposto e di raggiungere comunque bersagli lontani. Sebbene questo tipo di impianto possa sembrare cieco, l’implementazione di marcatori radiopachi sui dispositivi visualizzati nella radiografia del piano intraoperatorio consente di verificare il posizionamento e garantisce che l’array non sia ripiegato sotto la dura madre. Lo scivolamento subdurale si è dimostrato sicuro nella maggior parte delle ripetizioni che abbiamo eseguito. Inoltre, la durotomia in un approccio a fessura riduce al minimo il rigonfiamento cerebrale durante il tempo in cui la craniotomia è aperta e facilita la chiusura intorno all’impianto senza richiedere materiale aggiuntivo come la dura madre artificiale, che potrebbe influenzare la risposta infiammatoria. Infine, il punto di forza di questo approccio chirurgico è la sua capacità di essere trasposto in diverse regioni corticali. Giocare con le coordinate, la posizione della craniotomia e le dimensioni del dispositivo, che possono essere regolate, consente a questo metodo di mirare alla maggior parte dell’area della corteccia.
Il metodo chirurgico qui presentato, insieme alla valutazione funzionale e allo studio della biointegrazione nel tempo, non è limitato alla tecnologia degli elettrodi morbidi utilizzata in questo rapporto. Altri elettrodi subdurali che sono in fase di sviluppo per la traduzione umana potrebbero essere valutati con lo stesso protocollo. La forza di questo metodo si basa sul fatto che la maggior parte dei pezzi, come il cavo e il piedistallo, sono modulari, personalizzabili e possono essere adattati allo specifico dispositivo in prova. Inoltre, le sonde intracorticali o a penetrazione profonda possono anche essere utilizzate al posto o in combinazione con gli elettrodi subdurali, poiché ciò richiede solo la regolazione della geometria della craniotomia e della durotomia. I risultati a lungo termine possono quindi essere confrontati con le loro controparti cliniche, come abbiamo fatto qui.
Uno dei principali limiti del metodo presentato è la presenza di seni cranici nei minipig, che si sviluppano nel corso del primo anno12. A tale riguardo, tra gli aspetti importanti da prendere in considerazione figurano l’età di impianto e anche le dimensioni dell’animale. L’esecuzione di craniotomie nel cranio adulto rompe l’integrità dei seni paranasali e porta a un alto rischio di infezioni gravi in contesti cronici. Tali seni paranasali sono visibili nella radiografia piana e nella TAC preoperatoria. D’altra parte, anche l’esecuzione dell’impianto cronico troppo presto, in un animale troppo piccolo, non è ottimale quando il cranio sta subendo una crescita massiccia e un rimodellamento. Abbiamo ipotizzato che questi “movimenti del cranio” post-operatorio potrebbero causare il movimento e la piegatura dell’impianto, il che alla fine è dannoso per l’esperimento. Abbiamo scoperto qui che i maialini di Gottinga, di circa 5-6 mesi (e 8 kg) al momento dell’impianto, dovrebbero dare i migliori risultati.
Per valutare le prestazioni dell’ECoG impiantato per le registrazioni elettrofisiologiche, abbiamo messo a punto un protocollo rapido per la registrazione del potenziale evocato uditivo (AEP) che può essere utilizzato in animali che si muovono liberamente e sotto sedazione. Consiste nel presentare una serie di esplosioni di tono acustico a frequenze specifiche nel corso di pochi minuti. Il vantaggio di un tale protocollo è il fatto che può essere sintonizzato sulla lunghezza disponibile della registrazione riducendo il numero di frequenze sondate. Una sfida quando si registrano i segnali corticali sotto anestesia è che il livello di coscienza dell’animale deve essere preso in considerazione quando si analizzano e si confrontano i dati.
Il protocollo per la perfusione è stato adattato nel tempo dall’osservazione della qualità del cervello estratto. In effetti, abbiamo trovato più facile cateterizzare solo l’arteria carotide e non la vena giugulare. Inizialmente, la letteratura presenta metodi in cui la vena giugulare viene cateterizzata per drenare i rifiuti20. In pratica, questo limita il flusso fuori dal cervello e porta a una scarsa estrazione del sangue e alla qualità complessiva della perfusione. Tagliando la vena giugulare e lasciando fuoriuscire il liquido in un grande contenitore dove giace l’animale, aumenta l’efficienza della perfusione.
Abbiamo sviluppato un robusto metodo di preparazione dei tessuti che funziona con gli anticorpi utilizzati di routine per il tracciamento dell’infiammazione. Abbiamo separato i due emisferi per motivi pratici, poiché metà del cervello del maiale si adatta ai vetrini da microscopio standard ed è quindi compatibile con la maggior parte delle apparecchiature di imaging disponibili nei laboratori di istologia. Tagliando il cervello in blocchi, l’accesso diretto alla zona di interesse è reso possibile senza richiedere un ulteriore taglio dell’intero cervello o il taglio di ampie parti del tessuto. Le fette di cervello a 40 μm possono essere raggruppate in piastre a pozzetti standard e colorate in modo fluttuante senza importanti modifiche al protocollo da parte delle immunocolorazioni di altre specie. L’immunocolorazione completa del cervello potrebbe anche essere immaginata utilizzando, ad esempio, i metodi CLARITY21.
Nel complesso, questo protocollo, che copre la progettazione personalizzata dell’impianto fino all’impianto, il follow-up della funzionalità e la valutazione della biosicurezza, è solido e coerente. Abbiamo dimostrato qui la sua fattibilità per studiare il sistema uditivo, ma può essere trasposto per testare altre funzioni fisiologiche. Inoltre, la forza del nostro metodo risiede nel fatto che non è limitato ai maialini, ma completamente trasponibile ad altre specie come pecore, capre o primati non umani. In una certa misura, può anche essere facilmente adattato ai ratti.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori ringraziano la Fondazione Bertarelli e il CRSII5_183519 di sovvenzioni Sinergia del FNS. Gli autori desiderano inoltre ringraziare Katia Galan dell’EPFL per il suo aiuto nello sviluppo del protocollo di colorazione per l’istologia, il personale della piattaforma di microsistemi neurali del Wyss Center for Bio and Neuroengineering di Ginevra per il loro aiuto nei processi di fabbricazione, il personale della piattaforma di animali nel Centro medico universitario (CMU) dell’Università di Ginevra (UNIGE) per la cura degli animali, l’assistenza chirurgica e la gestione postoperatoria del maialino (John Diaper, Xavier Belin, Fabienne Fontao e Walid Habre), i membri del team del Center for Biomedical Imaging (CIBM) dell’Università di Ginevra (Julien Songeon, François Lazeyras e Rares Salomir), i membri del Dipartimento di Patologia dell’Ospedale Universitario di Ginevra (HUG) (Sami Schranz, Francesca Versili, Ruben Soto e Coraline Egger) e Blaise Yvert dell’Université Grenobles-Alpes per il suo contributo e i suoi scambi sugli esperimenti sui minipig cronici. Gli autori ringraziano i dipendenti di Neurosoft Bioelectronics SA, per il loro aiuto nel processo di fabbricazione e per il loro aiuto negli esperimenti sui maialini (Benoit Huguet e Margaux Roulet).
Bone drill | BBraun | Elan 4 with GA861 handpiece | |
Bone drill bit | BBraun | Neurocutter GP204R | |
Bonewax | Ethicon | W31G | |
Catheter | Venisystems | Abbocath 14G | |
Confocal Microscope | Zeiss | LSM 880 | |
Cryostat | Leica | CM1950 | |
Gelfoam | Pfizer | Gelfoam | |
Insert speakers | Etymotic | Etymotic ER2 insert Earphones | |
Multimeter | Fluke | Fluke 1700 | |
Oscilloscope | Tektronix | MDO3014 Mixed Domain Oscilloscope | |
Perfusion pump | Shenzen | LabS3/UD15 | |
Potentiostat | Gamry Instruments | Reference 600 | |
Primary Antibody Anti-GFAP | Thermofischer | Anti-GFAP, Rat, # 13-0300 | |
Primary Antibody Anti-Iba1 | Fujifilm | Anti Iba1, Rabbit, 019-19741 | |
Primary Antibody Anti-NeuN | SigmaAldrich | Anti-NeuN, GuineaPig, ABN90 | |
Pulse Generator | AM Systems | Model 2100 Isolated Pulse Stimulator | |
Recording headstage | Multichannel systems | W2100-HS32 | |
Recording system | Multichannel systems | W2100 | |
Screwdriver | Medtronic | Handle: 001201, Shaft: 8001205 | |
Secondary Antibody 488 | Thermofischer | Goat anti-Rat IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488, # A-11006 | |
Secondary Antibody 555 | Thermofischer | Goat anti-Guinea Pig IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 555, # A-21435 | |
Secondary Antibody 647 | Thermofischer | Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 647, # A-21245 | |
Slide Scanner | Olympus | VS120 | |
Snapfrost | Excilone | Excilone Snapfrost | |
Stab knife | Fine Science Tools | 10316-14 | |
Suture wire dermal | Ethicon | Vicryl 2-0 | |
Suture wire dura mater | Ethicon | Mersilk 5-0 | |
Suture wire for catheter | Ethicon | Vycril 3-0 without needle | |
Suture wire for lifting dura | Ethicon | Prolene 6-0 with BV-1 needle | |
Suture wire subcutaneous | Ethicon | Vicryl 4-0 | |
Titanium bridge | Medtronic | TiMesh 015-2001-4 | Cut out the required size |
Titanium screws | Medtronic | 9001635, 9001640 | |
X-ray system | GE | GE OEC 9800 Plus C-Arm |