Burada, bir minipig modelinde yumuşak subdural elektrot dizilerinin uzun süreli performans ve güvenlik değerlendirmesi için cerrahi yöntem ve araçları, postoperatif manyetik rezonans görüntülemeyi, işitsel korteksin elektrofizyolojisini, implantın elektrokimyasal özelliklerini ve postmortem immünokimyayı açıklayan bir yöntem sunuyoruz.
Nörolojik bozukluklar ve hastalıklar elektrokortikografi (ECoG) dizileri kullanılarak teşhis edilebilir veya tedavi edilebilir. İlaca dirençli epilepside, bunlar epileptik bölgenin rezeke edilmesini tanımlamaya yardımcı olur. Beyin-bilgisayar arayüzleri gibi uzun süreli uygulamalarda, bu epikortikal elektrotlar beynin hareket niyetini kaydetmek, felçli hastaların robotik uzuvlarını kontrol etmek için kullanılır. Bununla birlikte, mevcut sert elektrot ızgaraları, yüksek çözünürlüklü beyin kayıtları ve uzun vadeli biyoentegrasyon ihtiyacına cevap vermemektedir. Son zamanlarda, yüksek performansla uzun süreli implant stabilitesi elde etmek için uyumlu elektrot dizileri önerilmiştir. Bununla birlikte, bu yeni implant teknolojileri için klinik öncesi çalışmalara, insan hastalara tercüme edilmeleri için uzun vadeli işlevselliklerini ve güvenlik profillerini doğrulamak için ihtiyaç vardır. Bu bağlamda, domuz modelleri, büyük organ boyutları ve kolay hayvan kullanımı nedeniyle tıbbi cihazların geliştirilmesinde rutin olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, literatürde, çoğunlukla cerrahi sınırlamalar ve implant sisteminin canlı bir hayvan üzerindeki entegrasyonu nedeniyle sadece birkaç beyin uygulaması tanımlanmıştır.
Burada, uzun süreli implantasyon (6 ay) için yöntemi ve minipig modelinde yumuşak ECoG dizilerinin değerlendirilmesini sunuyoruz. Çalışma ilk olarak, elektrofizyoloji kayıtları için enstrümantasyon konektörlerini barındıran manyetik rezonans görüntüleme (MRI) uyumlu polimerik transdermal port ile entegre edilmiş yumuşak bir mikrofabrikasyon elektrot dizisinden oluşan implant sistemini sunmaktadır. Daha sonra çalışma, subdural implantasyondan hayvan iyileşmesine kadar cerrahi prosedürü açıklar. Uyarılmış potansiyellerin akustik stimülasyonla indüklendiği örnek bir hedef alan olarak işitsel kortekse odaklanıyoruz. Son olarak, tüm beynin MRG’sini, implant elektrokimyasal karakterizasyonunu, intraoperatif ve serbestçe hareket eden elektrofizyolojiyi ve çıkarılan beyinlerin immünohistokimya boyamasını içeren bir veri toplama dizisini tanımladık.
Bu model, kortikal protezlerin yeni tasarımının güvenliğini ve işlevini araştırmak için kullanılabilir; insan hastalara çeviriyi öngörmek için zorunlu klinik öncesi çalışma.
Nörolojik bozukluklar ve hastalıklar elektrokortikografi (ECoG) dizileri kullanılarak teşhis edilebilir veya tedavi edilebilir. Bu elektrot ızgaraları beynin yüzeyine implante edilir ve insan korteksinin kaydedilmesine veya uyarılmasınaizin verir 1. Örneğin ilaca dirençli epilepsi durumunda, epileptik bölgenin rezeke edilmesine yardımcı olurlar2. Beyin-bilgisayar arayüzleri gibi uzun süreli uygulamalarda, bu epikortikal elektrotlar beynin hareket niyetini kaydetmek, felçli hastaların robotik uzuvlarını kontrol etmek için kullanılır3. Bununla birlikte, mevcut elektrot ızgaraları, sert polimerik substratlara gömülü sert metalik bloklardan yapılır ve yüksek çözünürlüklü beyin kayıtları ve uzun süreli subdural biyoentegrasyon (>30 gün) ihtiyacına cevap vermez. Aksine, implante edilen cihazın fibrotik kapsüllenmesine yol açan ve zamanla daha kötü performansa yol açan lokal doku reaksiyonları oluştururlar. Son zamanlarda, doku reaksiyonunu sınırlayarak uzun süreli implantasyonlarda yüksek performans elde etmek için mikrofabrikasyon teknikleriyle üretilen ince polimerik substratlar kullanan esnek veya gerilebilir elektrot dizileri önerilmiştir 4,5. Bununla birlikte, bu yeni implant teknolojileri için uzun vadeli işlevselliklerini ve güvenlik profillerini doğrulamak için klinik öncesi çalışmalara ihtiyaç vardır, böylece insan hastalara çeviri öngörülebilir. Bu bağlamda, minipig ve domuz modelleri, büyük organ boyutları ve kolay hayvan kullanımı nedeniyle diğer tıbbi bağlamlarda (örneğin kardiyovasküler, iskelet veya mide sistemleri) cihazların geliştirilmesinde rutin olarak kullanılmaktadır 6,7,8. Bununla birlikte, literatürde nörofizyoloji için beyni hedef alan sadece birkaç uygulama tanımlanmıştır, çoğunlukla cerrahi yaklaşım sınırlamaları ve implant sisteminin canlı bir hayvan üzerindeki entegrasyonu nedeniyle 9,10,11,12. Bunlar genellikle canlı hayvanlarda kronik implantasyonla uyumlu değildir, çünkü örneğin implante edilebilir gömülü elektronikler gibi karmaşık donanımların geliştirilmesini gerektirirler. Ek olarak, translasyonel çalışmalarda biyogüvenlik yönü için çok önemli olan implant sisteminin hedef doku üzerindeki etkisini araştırmazlar. Domuz modeli, kortikal yapı, kafatası kemiği ve deri kalınlığı açısından insan anatomisine yakındır13. Ayrıca, davranışsal görevleri öğrenme yetenekleri, onları fonksiyonel rehabilitasyon stratejilerini veya duyusal algıları araştırmak için güçlü bir model haline getirir14.
Yeni teknolojilerin ve tedavilerin insanlara tercüme edilmesi, yetkili tıbbi otoritelerin gerektirdiği şekilde güvenlik ve etkinliğin değerlendirilmesini gerektirir. Bunlar genellikle teknik belgelerde ve norm15’te açıklanmıştır, ancak yalnızca bu testlerin geçilmesini gerektirirler ve güvenlik çalışmasına paralel olarak cihaz implantasyonunun veya diğer yararlı verilerin toplanmasının gerçek etkisini araştırmazlar. Beyin tam bir biyogüvenlik ve performans çalışması için, burada beyin görüntüleme verilerinin uzunlamasına ve sistematik bir koleksiyonunu, elektrofizyolojik ölçümleri, implante edilen elektrotların elektrokimyasal özelliklerinin değerlendirilmesini ve bir domuz modelinde ölüm sonrası histolojiyi sunuyoruz. Bunu başarmak için, eksiksiz bir deneysel model oluşturmak için birkaç hususun dikkate alınması gerekir: (i) elektrotlara bağlanmak için mekanik olarak stabil bir transdermal port ile birlikte cihaz implantasyonu için minimal invaziv cerrahi erişim, (ii) hem anestezi altında hem de serbestçe hareket eden koşullarda implante edilen elektrotlar için performans çıktısı olarak hizmet eden sağlam bir elektrofizyolojik kayıt paradigması, (iii) beynin ve implantın evrimini ve implante edilen sistemin görüntüleme ekipmanı ile uyumluluğunu takip etmek için farklı zaman noktalarında in vivo görüntüleme (bilgisayarlı tomografi [BT] ve/veya manyetik rezonans görüntüleme [MRI]) ve (iv) histolojik analiz için beyni çıkarmak için bir doku hazırlama boru hattı.
Burada, uzun süreli implantasyon yöntemi (6 ay) ve minipig modelinde yumuşak ECoG dizilerinin değerlendirilmesi (Şekil 1’de şematik olarak gösterilmiştir) hakkında rapor veriyoruz. Yumuşak elektrot dizileri önceki raporlarımızda sunulmuştur ve elektrik parçaları olarak kullanılan elastik altın ince filmleri gömen ince silikon membranlardan yapılmıştır16,17. Doku ile temas, beyin dokusuna yumuşak ve verimli bir elektrokimyasal arayüz için bir silikon matrise gömülü platin nanopartiküllerin bir karışımı ile yapılır18. İmplantlar, kafatası ve deri boyunca subdural olarak tünellenmiş esnek bir kablo aracılığıyla, hayvanın kafasındaki konektörleri barındıran transdermal bir porta bağlanır. İmplantın boyutu ve şekli, hedefe ve çalışmanın ihtiyaçlarına göre özelleştirilebilir. Bu çalışmadaki mevcut elektrot şeritleri, klinik şeritlerin gerçek boyutunu yansıtmaktadır. Klinik olarak mevcut subdural şeritler ve ızgaralar aynı yaklaşım kullanılarak karşılaştırıcı olarak kullanıldı. Polimerik MRG uyumlu transdermal port, kafatasına sıkıca sabitleyen bir ayak plakası sistemi kullanılarak kafatasına yerleştirilir. Burada, her iki hemisferin subdural implantasyonundan hayvanın iyileşmesine kadar cerrahi prosedürü ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Uyarılmış potansiyellerin hem anestezili hem de serbest hareket eden koşullarda akustik stimülasyonla indüklendiği örnek bir hedef alan olarak işitsel kortekse odaklanıyoruz. Farklı zaman noktalarında, hayvanın beyni anestezi altında MRG’de (veya klinik elektrotlar için BT’de) görüntülenir ve elektrotların elektrokimyasal özellikleri ölçülür. Elektrot karakterizasyon yöntemleri, implantın ve elektrot-doku arayüzünün gelişimini takip etmek için kullanılır (daha fazla ayrıntı için bakınız Schiavone ve ark.19). Bunlar, elektrot temasının stimülasyon yeteneklerini araştırmak için kronoamperometriyi, elektrotun dirençli ve kapasitif bileşenlerinin evrimini gösterebilen elektrokimyasal empedans spektroskopisini (EIS) ve hermetik kapsülleme arızalarını araştırmak için kanallar arası direnç ölçümlerini içerir. Son olarak, ötenazi sonrası beyni perfüze etmek, yerinde elektrotlarla eksplant etmek, kesitlere ayırmak ve farklı inflamasyon belirteçleri kullanarak histolojik analiz yapmak için bir doku ekstraksiyon boru hattı geliştirdik. Genel olarak, bu yöntem, beyindeki yeni teknolojilerin ve tedavilerin gelecekteki klinik çevirisi için sağlam multimodal veri toplama ile klinik öncesi çalışmalara izin verecektir.
Burada yumuşak ECoG dizilerinin uzun süreli implantasyonu ve değerlendirilmesi için bir yöntem sunuyoruz. Bu çalışmada, temporal loblar üzerine fonksiyonel elektrot ızgaralarının bilateral implantasyonu için tutarlı, minimal invaziv bir cerrahi yaklaşım tasarladık (burada, işitsel korteksi hedef alıyor). İlk olarak, çalışmanın süresi boyunca (6 ay) uyarılmış potansiyelleri başarılı bir şekilde kaydederek ve elektrotların elektrokimyasal özelliklerini izleyerek ızgaranın işlevselliğini değerlendirdik (bkz. Şekil 6). İkinci olarak, MRG kullanarak ve tamamen MRG uyumlu bir sistem kurarak in vivo ve doku toplama ve immün boyama için bir protokol tasarlayarak postmortem olarak ızgaraların biyogüvenliğini değerlendirdik.
İnvazivliği en aza indirmek için kraniyotomi penceresinin boyutunu optimize ettik. Temporal lobda yer alan işitsel kortekse ulaşmak ve temporal kasın rezeke edilmesini önlemek için implantı dura altına kaydırma tekniği geliştirdik. Bu teknik, maruz kalan beynin yüzeyini büyük ölçüde azaltmaya ve yine de uzak hedeflere ulaşmaya izin verir. Bu tip implantasyon kör gibi görünse de, intraoperatif düzlem röntgeninde görselleştirilen cihazlara radyoopak belirteçlerin uygulanması, konumlandırmanın doğrulanmasına izin verir ve dizinin dura mater altında katlanmamasını sağlar. Subdural kaymanın, yaptığımız tekrarların çoğunda güvenli olduğu kanıtlanmıştır. Ek olarak, yarık yaklaşımındaki durotomi, kraniyotominin açık olduğu süre boyunca beyin şişkinliğini en aza indirir ve inflamatuar yanıtı saptırabilecek yapay dura mater gibi ek malzeme gerektirmeden implantın etrafındaki kapanmayı kolaylaştırır. Son olarak, bu cerrahi yaklaşımın gücü, farklı kortikal bölgelere aktarılabilmesidir. Koordinatlar, kraniyotomi pozisyonu ve tümü ayarlanabilen cihaz boyutu ile oynamak, bu yöntemin korteks alanının çoğunu hedeflemesini sağlar.
Burada sunulan cerrahi yöntem, fonksiyonel değerlendirme ve zaman içindeki biyointegrasyonun incelenmesi ile birlikte, bu raporda kullanılan yumuşak elektrot teknolojisi ile sınırlı değildir. İnsan çevirisi için geliştirilmekte olan diğer subdural elektrotlar da aynı protokol ile değerlendirilebilir. Bu yöntemin gücü, kablo ve kaide gibi parçaların çoğunun modüler, kişiselleştirilebilir ve test edilen belirli cihaza uyarlanabilmesine dayanır. Ek olarak, subdural elektrotlar yerine veya bunlarla kombinasyon halinde intrakortikal veya derin penetran problar da kullanılabilir, çünkü bu sadece kraniyotomi ve durotomi geometrisinin ayarlanmasını gerektirir. Uzun vadeli sonuçlar daha sonra burada yaptığımız gibi klinik muadilleriyle karşılaştırılabilir.
Sunulan yöntemin en büyük sınırlamalarından biri, ilk yıl boyunca gelişen minipiglerde kafatası sinüslerinin varlığıdır12. Bu bağlamda, dikkate alınması gereken önemli hususlar arasında implantasyon yaşı ve ayrıca hayvanın büyüklüğü yer alır. Yetişkin kafatasında kraniyotomi yapmak sinüslerin bütünlüğünü bozar ve kronik ortamlarda yüksek majör enfeksiyon riskine yol açar. Bu tür sinüsler ameliyat öncesi düzlem röntgen ve BT taramasında görülebilir. Öte yandan, çok küçük bir hayvanda çok erken kronik implantasyon yapmak, kafatası büyük bir büyüme ve yeniden şekillenme geçirdiğinde de optimal değildir. Ameliyat sonrası bu “kafatası hareketlerinin” implantın hareket etmesine ve katlanmasına neden olabileceğini ve bunun da deneye zarar verebileceğini varsaydık. Burada, implantasyon sırasında yaklaşık 5-6 aylık (ve 8 kg) olan Göttingen minipiglerinin en iyi sonuçları vermesi gerektiğini bulduk.
Elektrofizyolojik kayıtlar için implante edilen ECoG’nin performansını değerlendirmek için, serbestçe hareket eden hayvanlarda ve sedasyon altında kullanılabilecek işitsel uyarılmış potansiyel (AEP) kaydı için hızlı bir protokol oluşturduk. Birkaç dakika boyunca belirli frekanslarda bir dizi akustik ton patlaması sunmaktan oluşur. Böyle bir protokolün avantajı, araştırılan frekans sayısını azaltarak mevcut kayıt uzunluğuna ayarlanabilmesidir. Anestezi altında kortikal sinyalleri kaydederken karşılaşılan zorluklardan biri, verileri analiz ederken ve karşılaştırırken hayvanın bilinç düzeyinin dikkate alınması gerektiğidir.
Perfüzyon protokolü, çıkarılan beynin kalitesinin gözlemlenmesiyle zaman içinde ayarlandı. Gerçekten de, şah damarını değil, sadece karotis arteri kateterize etmeyi daha kolay bulduk. Başlangıçta, literatürde juguler venin atıkları boşaltmak için kateterize edildiği yöntemler sunulmaktadır20. Pratik olarak, bu beyinden dışarı akışı sınırlar ve kanın daha zayıf ekstraksiyonuna ve genel perfüzyon kalitesine yol açar. Şah damarını keserek ve sıvıyı hayvanın yattığı büyük bir kapta bırakmakla, perfüzyonun etkinliği artar.
Enflamasyon takibi için rutin olarak kullanılan antikorlarla çalışan sağlam bir doku hazırlama yöntemi geliştirdik. Domuzun beyninin yarısı standart mikroskop slaytlarına sığdığından ve bu nedenle histoloji laboratuvarlarında bulunan çoğu görüntüleme ekipmanıyla uyumlu olduğundan, iki yarım küreyi pratik nedenlerle ayırdık. Beyni bloklar halinde keserek, tüm beynin daha fazla kesilmesine veya dokunun geniş kısımlarının kesilmesine gerek kalmadan ilgilenilen bölgeye doğrudan erişim mümkün olur. 40 μm’deki beyin dilimleri standart kuyucuk plakalarında toplanabilir ve diğer türlerin immün boyalarından büyük protokol değişiklikleri olmadan serbest yüzen bir şekilde boyanabilir. Tam beyin immün boyama, örneğin CLARITY yöntemleri kullanılarak da öngörülebilir21.
Genel olarak, kişiselleştirilmiş implant tasarımından implantasyona, işlevsellik takibine ve biyogüvenlik değerlendirmesine kadar uzanan bu protokol sağlam ve tutarlıdır. Burada işitsel sistemi incelemek için fizibilitesini gösterdik, ancak diğer fizyolojik işlevleri test etmek için aktarılabilir. Dahası, yöntemimizin gücü, mini domuzlarla sınırlı olmaması, koyun, keçi veya insan olmayan primatlar gibi diğer türlere tamamen aktarılabilir olması gerçeğinde yatmaktadır. Bir dereceye kadar, sıçanlara da kolayca uyarlanabilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar, Bertarelli Vakfı ve SNSF Sinergia hibe CRSII5_183519 mali destek için teşekkür eder. Yazarlar ayrıca histoloji için boyama protokolünün geliştirilmesine yardımcı olduğu için EPFL’den Katia Galan’a, Cenevre’deki Wyss Biyo ve Nöromühendislik Merkezi’nin Nöral Mikrosistemler Platformu’ndaki personele, üretim süreçlerindeki yardımları için, hayvan bakımı için Cenevre Üniversitesi’ndeki (UNIGE) Üniversite Tıp Merkezi’ndeki (CMU) hayvan platformu personeline, minipigin cerrahi yardımı ve postoperatif yönetimi (John Diaper, Xavier Belin, Fabienne Fontao ve Walid Habre), Cenevre Üniversitesi Biyomedikal Görüntüleme Merkezi (CIBM) ekip üyeleri (Julien Songeon, François Lazeyras ve Rares Salomir), Cenevre Üniversite Hastanesi (HUG) Patoloji Bölümü personeli (Sami Schranz, Francesca Versili, Ruben Soto ve Coraline Egger) ve Université Grenobles-Alpes’ten Blaise Yvert’e kronik minipig deneyleri üzerine katkıları ve fikir alışverişleri için. Yazarlar, Neurosoft Bioelectronics SA çalışanlarının, üretim sürecindeki yardımları ve minipig deneylerindeki yardımları için (Benoit Huguet ve Margaux Roulet) teşekkür eder.
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 |