Aqui, apresentamos um método para avaliação de desempenho e segurança a longo prazo de arranjos de eletrodos subdurais moles em um modelo minipig, descrevendo método cirúrgico e ferramentas, ressonância magnética pós-operatória, eletrofisiologia do córtex auditivo, propriedades eletroquímicas do implante e imunoquímica post-mortem.
Deficiências neurológicas e doenças podem ser diagnosticadas ou tratadas usando arranjos de eletrocorticografia (ECoG). Na epilepsia resistente a medicamentos, estes ajudam a delinear a região epiléptica para ressecação. Em aplicações de longo prazo, como interfaces cérebro-computador, esses eletrodos epicorticais são usados para registrar a intenção de movimento do cérebro, para controlar os membros robóticos de pacientes paralisados. No entanto, as grades de eletrodos rígidos atuais não respondem à necessidade de gravações cerebrais de alta resolução e biointegração de longo prazo. Recentemente, arranjos de eletrodos conformáveis têm sido propostos para alcançar estabilidade de implante a longo prazo com alto desempenho. No entanto, estudos pré-clínicos para essas novas tecnologias de implantes são necessários para validar sua funcionalidade a longo prazo e perfil de segurança para sua tradução para pacientes humanos. Nesse contexto, modelos suínos são rotineiramente empregados no desenvolvimento de dispositivos médicos devido ao seu grande tamanho de órgãos e fácil manuseio animal. No entanto, poucas aplicações cerebrais são descritas na literatura, principalmente devido a limitações cirúrgicas e integração do sistema de implante em um animal vivo.
Aqui, relatamos o método para implantação a longo prazo (6 meses) e avaliação de matrizes ECoG moles no modelo minipig. O estudo apresenta primeiramente o sistema de implante, consistindo de um arranjo de eletrodos microfabricados macios integrado a uma porta transdérmica polimérica compatível com ressonância magnética (RM) que abriga conectores de instrumentação para registros eletrofisiológicos. Em seguida, o estudo descreve o procedimento cirúrgico, desde o implante subdural até a recuperação do animal. Focalizamos o córtex auditivo como um exemplo de área-alvo onde os potenciais evocados são induzidos por estimulação acústica. Finalmente, descrevemos uma sequência de aquisição de dados que inclui RM de todo o cérebro, caracterização eletroquímica do implante, eletrofisiologia intraoperatória e de movimento livre e coloração imunohistoquímica dos cérebros extraídos.
Este modelo pode ser usado para investigar a segurança e a função de um novo design de próteses corticais; estudo pré-clínico obrigatório para prever a tradução para pacientes humanos.
Deficiências neurológicas e doenças podem ser diagnosticadas ou tratadas usando arranjos de eletrocorticografia (ECoG). Essas grades de eletrodos são implantadas na superfície do cérebro e permitem o registro ou estimulação do córtex humano1. No caso da epilepsia resistente, por exemplo, ajudam a delinear a região epiléptica para ressecção2. Em aplicações de longo prazo, como interfaces cérebro-computador, esses eletrodos epicorticais são usados para registrar a intenção de movimento do cérebro, para controlar os membros robóticos de pacientes paralisados3. No entanto, as grades de eletrodos de corrente são feitas de blocos metálicos rígidos embutidos em substratos poliméricos rígidos e não respondem à necessidade de registros cerebrais de alta resolução e biointegração subdural de longo prazo (>30 dias). Em vez disso, eles criam reações teciduais locais que levam ao encapsulamento fibrótico do dispositivo implantado, levando a um pior desempenho ao longo do tempo. Recentemente, arranjos de eletrodos flexíveis ou esticáveis utilizando substratos poliméricos finos fabricados por técnicas de microfabricação têm sido propostos para alcançar alto desempenho em implantes de longa duração, limitando a reação tecidual 4,5. No entanto, estudos pré-clínicos para essas novas tecnologias de implantes são necessários para validar sua funcionalidade e perfil de segurança a longo prazo, de modo que a tradução para pacientes humanos possa ser imaginada. Nesse contexto, modelos de miniporco e porco são rotineiramente empregados no desenvolvimento de dispositivos em outros contextos médicos (por exemplo, os sistemas cardiovascular, esquelético ou gástrico) devido ao seu grande tamanho de órgãos e fácil manuseio dos animais 6,7,8. No entanto, poucas aplicações direcionadas ao cérebro para neurofisiologia são descritas na literatura, principalmente devido a limitações da abordagem cirúrgica e integração do sistema de implante em um animal vivo9,10,11,12. Estes muitas vezes não são compatíveis com a implantação crônica em animais vivos, pois exigiriam, por exemplo, o desenvolvimento de hardware complexo, como eletrônica embarcada implantável. Além disso, não investigam a influência do sistema de implantes sobre o tecido alvo, o que é crucial para o aspecto de biossegurança em estudos translacionais. O modelo porcino aproxima-se da anatomia humana em termos de estrutura cortical, osso do crânio e espessura da pele13. Além disso, sua capacidade de aprender tarefas comportamentais os torna um modelo poderoso para investigar estratégias de reabilitação funcional ou percepções sensoriais14.
A tradução de novas tecnologias e terapias para humanos requer a avaliação de segurança e eficácia, conforme exigido pelas autoridades médicas competentes. Estes são geralmente descritos em documentos técnicos e normas15, porém requerem apenas a aprovação nesses testes e não investigam o real efeito do implante do dispositivo ou coleta de outros dados úteis em paralelo ao estudo de segurança. Para um estudo completo de biossegurança e desempenho no cérebro, apresentamos aqui uma coleção longitudinal e sistemática de dados de imagens cerebrais, medidas eletrofisiológicas, avaliação das propriedades eletroquímicas dos eletrodos implantados e histologia post-mortem em modelo porcino. Para isso, vários aspectos precisam ser considerados, a fim de criar um modelo experimental completo: (i) acesso cirúrgico minimamente invasivo para implante do dispositivo juntamente com um portal transdérmico mecanicamente estável para conexão aos eletrodos, (ii) um paradigma robusto de registro eletrofisiológico que sirva como saída de desempenho para os eletrodos implantados tanto sob anestesia quanto em condições de movimento livre, (iii) imagens in vivo (tomografia computadorizada [TC] e/ou ressonância magnética [RM]) em diferentes momentos para acompanhar a evolução do cérebro e do implante, bem como a compatibilidade do sistema implantado com o equipamento de imagem, e (iv) um pipeline de preparação tecidual para extrair o cérebro para análise histológica.
Aqui, relatamos o método para implantação a longo prazo (6 meses) e a avaliação de matrizes ECoG moles no modelo minipig (mostrado esquematicamente na Figura 1). Os arranjos de eletrodos moles foram apresentados em nossos relatos anteriores e são feitos de membranas finas de silicone incorporando filmes finos elásticos de ouro usados como trilhos elétricos16,17. O contato com o tecido é feito através de uma mistura de nanopartículas de platina embebidas em uma matriz de silicone para uma interface eletroquímica suave e eficiente com o tecido cerebral18. Os implantes são conectados através de um cabo flexível tunelizado subduralmente através do crânio e da pele a um orifício transdérmico que abriga os conectores na cabeça do animal. O tamanho e a forma do implante podem ser personalizados de acordo com o alvo e as necessidades do estudo. As tiras de eletrodos atuais neste estudo espelham o tamanho real das tiras clínicas. Tiras e grades subdurais clinicamente disponíveis foram usadas como comparadores usando a mesma abordagem. O portal transdérmico polimérico compatível com RM é colocado no crânio usando um sistema de platina que o ancora firmemente ao crânio. Aqui, descrevemos detalhadamente o procedimento cirúrgico, desde a implantação subdural de ambos os hemisférios até a recuperação do animal. Focalizamos o córtex auditivo como uma área alvo de exemplo, onde os potenciais evocados são induzidos por estimulação acústica tanto em condições anestesiadas quanto em movimento livre. Em diferentes momentos, o cérebro do animal é fotografado em ressonância magnética (ou TC para os eletrodos clínicos) sob anestesia e as propriedades eletroquímicas dos eletrodos são medidas. Métodos de caracterização de eletrodos são utilizados para acompanhar a evolução do implante e da interface eletrodo-tecido (ver Schiavone et al.19 para mais detalhes). Estes incluem cronoamperometria para sondar as habilidades de estimulação do contato do eletrodo, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) que pode indicar a evolução dos componentes resistivo e capacitivo do eletrodo, e medidas de resistência intercanal para sondar falhas de encapsulação hermética. Finalmente, desenvolvemos um pipeline de extração de tecido para perfundir o cérebro após a eutanásia, explantá-lo com os eletrodos no lugar, seccioná-lo e realizar análise histológica usando diferentes marcadores de inflamação. De modo geral, este método permitirá estudos pré-clínicos com coleta de dados multimodais robustos para futura tradução clínica de novas tecnologias e terapias no cérebro.
Relatamos aqui um método para implantação e avaliação a longo prazo de matrizes ECoG moles. Neste estudo, desenhamos uma abordagem cirúrgica consistente e minimamente invasiva para a implantação bilateral de grades de eletrodos funcionais sobre os lobos temporais (aqui, visando o córtex auditivo). Primeiro, avaliamos a funcionalidade da grade registrando com sucesso os potenciais evocados ao longo do tempo do estudo (6 meses) e rastreando as propriedades eletroquímicas dos eletrodos (ver Figura 6). Em segundo lugar, avaliamos a biossegurança das grades, in vivo usando RM e estabelecendo um sistema totalmente compatível com RM, e post-mortem desenhando um protocolo para coleta de tecidos e imunomarcação.
Para minimizar a invasividade, otimizamos o tamanho da janela de craniotomia. Para alcançar o córtex auditivo localizado no lobo temporal e evitar a ressecção do músculo temporal, desenvolvemos uma técnica para deslizar o implante sob a dura-máter. Esta técnica permite reduzir drasticamente a superfície do cérebro exposto e ainda alcançar alvos distantes. Embora esse tipo de implante possa parecer cego, a implementação de marcadores radiopacos nos dispositivos visualizados na radiografia no plano intraoperatório permite a verificação do posicionamento e garante que o arranjo não seja dobrado sob a dura-máter. O deslizamento subdural mostrou-se seguro na maioria das repetições realizadas. Além disso, a durotomia em fenda minimiza o abaulamento cerebral durante o tempo em que a craniotomia é aberta e facilita o fechamento ao redor do implante sem a necessidade de material adicional, como a dura-máter artificial, o que poderia enviesar a resposta inflamatória. Finalmente, o ponto forte dessa abordagem cirúrgica é sua capacidade de ser transposta para diferentes regiões corticais. Brincar com as coordenadas, a posição da craniotomia e o tamanho do dispositivo, que podem ser ajustados, permite que esse método atinja a maior parte da área do córtex.
O método cirúrgico aqui apresentado, juntamente com a avaliação funcional e investigação da biointegração ao longo do tempo, não se limita à tecnologia de eletrodos moles utilizada neste relato. Outros eletrodos subdurais que estão sendo desenvolvidos para tradução humana poderiam ser avaliados com o mesmo protocolo. A força desse método depende do fato de que a maioria das peças, como o cabo e o pedestal, são modulares, personalizáveis e podem ser adaptadas ao dispositivo específico em teste. Além disso, sondas intracorticais ou penetrantes profundas também podem ser usadas em vez ou em combinação com os eletrodos subdurais, pois isso requer apenas o ajuste da geometria da craniotomia e durotomia. Os resultados a longo prazo podem então ser comparados com os seus homólogos clínicos, como fizemos aqui.
Uma das principais limitações do método apresentado é a presença de seios cranianos em miniporcos, que se desenvolvem ao longo do primeiroano12. Nesse sentido, aspectos importantes a serem levados em conta incluem a idade de implantação e também o tamanho do animal. A realização de craniotomias no crânio adulto quebra a integridade dos seios da face e leva a um alto risco de infecção maior em ambientes crônicos. Tais seios são visíveis na radiografia plana e na tomografia computadorizada no pré-operatório. Por outro lado, realizar o implante crônico muito cedo, em um animal muito pequeno, também não é o ideal quando o crânio está passando por um grande crescimento e remodelação. Levantamos a hipótese de que esses “movimentos do crânio” pós-cirurgia poderiam fazer com que o implante se movesse e dobrasse, o que acaba sendo prejudicial para o experimento. Descobrimos aqui que os miniporcos Göttingen, com aproximadamente 5-6 meses de idade (e 8 kg) no momento da implantação, devem dar os melhores resultados.
Para avaliar o desempenho do ECoG implantado para registros eletrofisiológicos, foi estabelecido um protocolo rápido de registro do potencial evocado auditivo (PEATE) que pode ser utilizado em animais em movimento livre e sob sedação. Consiste em apresentar uma série de rajadas de tons acústicos em frequências específicas ao longo de alguns minutos. A vantagem de tal protocolo é o fato de que ele pode ser sintonizado com o comprimento disponível de gravação, reduzindo o número de frequências sondadas. Um desafio ao registrar sinais corticais sob anestesia é que o nível de consciência do animal deve ser levado em consideração ao analisar e comparar os dados.
O protocolo de perfusão foi ajustado ao longo do tempo pela observação da qualidade do cérebro extraído. De fato, foi mais fácil cateterizar apenas a artéria carótida e não a veia jugular. Inicialmente, a literatura apresenta métodos em que a veia jugular é cateterizada para drenagem deresíduos20. Na prática, isso limita o fluxo para fora do cérebro e leva a uma extração mais pobre de sangue e à qualidade geral da perfusão. Ao cortar a veia jugular e deixar o líquido escapar em um recipiente grande onde o animal se encontra, a eficiência da perfusão aumenta.
Desenvolvemos um método robusto de preparação de tecidos que funciona com anticorpos usados rotineiramente para o rastreamento da inflamação. Separamos os dois hemisférios por razões práticas, pois metade do cérebro do porco cabe em lâminas de microscópio padrão e, portanto, é compatível com a maioria dos equipamentos de imagem disponíveis nos laboratórios de histologia. Ao cortar o cérebro em blocos, o acesso direto à zona de interesse é possível sem exigir mais cortes de todo o cérebro ou aparar partes extensas do tecido. Os cortes cerebrais a 40 μm podem ser agrupados em placas de poço padrão e corados de forma flutuante sem grandes mudanças de protocolo a partir de imunomarcações de outras espécies. A imunomarcação completa do cérebro também poderia ser imaginada utilizando-se, por exemplo, os métodos CLARITY21.
No geral, esse protocolo, que abrange o projeto personalizado do implante para implantação, acompanhamento da funcionalidade e avaliação de biossegurança, é robusto e consistente. Demonstramos aqui sua viabilidade para o estudo do sistema auditivo, mas ele pode ser transposto para testar outras funções fisiológicas. Além disso, a força do nosso método reside no fato de que ele não se restringe aos miniporcos, mas é totalmente transponível para outras espécies, como ovinos, caprinos ou primatas não humanos. Até certo ponto, também pode ser facilmente adaptado a ratos.
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecem o apoio financeiro da Fundação Bertarelli e da bolsa SNSF Sinergia CRSII5_183519. Os autores também gostariam de agradecer a Katia Galan da EPFL por sua ajuda no desenvolvimento do protocolo de coloração para a histologia, à equipe da Plataforma de Microssistemas Neurais do Centro Wyss de Bio e Neuroengenharia em Genebra por sua ajuda com os processos de fabricação, à equipe da plataforma animal no Centro Médico Universitário (CMU) da Universidade de Genebra (UNIGE) para cuidados com animais, assistência cirúrgica e manejo pós-operatório do miniporco (John Fralda, Xavier Belin, Fabienne Fontao e Walid Habre), os membros da equipe do Centro de Imagem Biomédica (CIBM) da Universidade de Genebra (Julien Songeon, François Lazeyras e Rares Salomir), os membros da equipe do Departamento de Patologia do Hospital Universitário de Genebra (HUG) (Sami Schranz, Francesca Versili, Ruben Soto e Coraline Egger) e Blaise Yvert, da Université Grenobles-Alpes, por suas contribuições e trocas sobre experimentos crônicos de miniporcos. Os autores gostariam de agradecer a ajuda dos funcionários da Neurosoft Bioelectronics SA, por sua ajuda no processo de fabricação e por sua ajuda nos experimentos com miniporcos (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 |