Het miniatuurvarken: een groot diermodel voor onderzoek naar cochleaire implantaten
Summary
Miniatuurvarkens (minivarkens) zijn een ideaal groot diermodel voor onderzoek naar cochleaire implantaten. Cochleaire implantatiechirurgie bij minivarkens kan worden gebruikt om het eerste bewijs te leveren van de veiligheid en potentiële prestaties van nieuwe elektrode-arrays en chirurgische benaderingen in een levend systeem dat vergelijkbaar is met mensen.
Abstract
Cochleaire implantaten (CI) zijn de meest effectieve methode om mensen met ernstig tot zeer ernstig perceptief gehoorverlies te behandelen. Hoewel CI’s wereldwijd worden gebruikt, bestaat er geen standaardmodel voor het onderzoeken van de elektrofysiologie en histopathologie bij patiënten of diermodellen met een CI of voor het evalueren van nieuwe modellen van elektrode-arrays. Een groot diermodel met slakkenhuiskenmerken die vergelijkbaar zijn met die van mensen, kan een onderzoeks- en evaluatieplatform bieden voor geavanceerde en gemodificeerde arrays voordat ze bij mensen worden gebruikt.
Hiertoe hebben we standaard CI-methoden vastgesteld met Bama-minivarkens, waarvan de anatomie van het binnenoor sterk lijkt op die van mensen. Arrays ontworpen voor menselijk gebruik werden geïmplanteerd in het mini-varkens slakkenhuis via een rond raammembraan en er volgde een chirurgische aanpak die vergelijkbaar was met die voor menselijke CI-ontvangers. Array insertie werd gevolgd door evoked compound action potential (ECAP) metingen om de functie van de gehoorzenuw te evalueren. Deze studie beschrijft de voorbereiding van het dier, chirurgische stappen, array-insertie en intraoperatieve elektrofysiologische metingen.
De resultaten gaven aan dat hetzelfde CI dat voor mensen werd gebruikt, gemakkelijk kon worden geïmplanteerd in minivarkens via een gestandaardiseerde chirurgische aanpak en vergelijkbare elektrofysiologische resultaten opleverde als gemeten bij menselijke CI-ontvangers. Minivarkens kunnen een waardevol diermodel zijn om het eerste bewijs te leveren van de veiligheid en potentiële prestaties van nieuwe elektrode-arrays en chirurgische benaderingen voordat ze op mensen worden toegepast.
Introduction
Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) lopen wereldwijd meer dan 1 miljard mensen het risico op gehoorverlies en wordt geschat dat in 2050 één op de vier mensen gehoorverlies zal lijden1. In de afgelopen 2 decennia zijn CI’s de meest effectieve interventie geweest voor mensen met permanent ernstig en ernstig perceptief gehoorverlies (SNHL). Een CI zet fysieke geluidssignalen om in bio-elektrische signalen die de spiraalvormige ganglionneuronen (SGN’s) stimuleren en haarcellen omzeilen. In de loop van de tijd zijn de indicaties voor een CI verbreed, zodat ze nu ook mensen met een restgehoor, eenzijdig gehoorverlies en zeer oude of jonge mensenvan 2,3,4 omvatten. Ondertussen zijn volledig implanteerbare CI’s en geavanceerde arrays ontwikkeld5. Er is echter geen economisch haalbaar groot diermodel voor het onderzoeken van de elektrofysiologie en histopathologie van het binnenoor met een CI. Dit ontbreken van een groot diermodel beperkt onderzoek om CI’s te verbeteren en inzicht te krijgen in de elektrofysiologische impact van CI’s op het binnenoor.
Verschillende knaagdierdiermodellen zijn toegepast in CI-onderzoek, zoals muis6, gerbil7, rat8 en cavia9; de kenmerken van morfologie en elektrofysiologische reacties zijn echter anders dan die bij mensen. Cochleaire structuren van diermodellen die traditioneel worden gebruikt voor CI-studies, zoals katten, cavia’s en andere dieren, verschillen sterk van die van menselijke cochleaire structuren10. Hoewel array-insertie is uitgevoerd op katten11 en konijnen12, vanwege hun kleinere slakkenhuis, werd dit gedaan met arrays die niet waren ontworpen voor gebruik bij mensen. Verschillende grote diermodellen zijn ook onderzocht voor CI. Lammeren zijn zeer geschikt als trainingsmodel voor atraumatische cochleaire implantatie, maar de kleinere omvang van het slakkenhuis maakt full array insertie onmogelijk13. Primaten zijn misschien wel de meest geschikte dieren voor CI-onderzoek vanwege hun anatomische gelijkenis met mensen 14,15; de geslachtsrijpheid van apen is echter vertraagd (4-5 jaar), de draagtijd is maximaal ongeveer 165 dagen en elk vrouwtje produceert meestal slechts één nakomeling per jaar16. Deze redenen, en de dure kosten, belemmeren de uitgebreide toepassing van primaten in CI-onderzoek.
Varkens bereiken daarentegen geslachtsrijpheid na 5-8 maanden en hebben een draagtijd van ~ 114 dagen, waardoor varkens toegankelijker zijn voor CI-onderzoek als een groot diermodel16. Bama minivarkens (minivarkens) zijn in 1985 afkomstig van een kleine varkenssoort in China, waarvan de genetische achtergrond goed wordt begrepen. Ze worden gekenmerkt door een inherent klein formaat, vroege geslachtsrijpheid, snelle fokkerij en managementgemak17. Het minivarken is een ideaal model voor otologie en audiologie vanwege de gelijkenis met mensen in morfologie en elektrofysiologie18. De scala tympani lengte van een Bama mini-varken is 38,58 mm, wat dicht bij de 36 mm lengte bij mensen10. Het mini-varkens slakkenhuis heeft 3,5 beurten, wat vergelijkbaar is met de 2,5-3 beurten die bij mensen10 worden gezien. Naast morfologie lijkt de elektrofysiologie van Bama minivarkens ook sterk op die van mensen18. Daarom hebben we in de huidige studie arrays die zijn ontworpen voor menselijk gebruik via het ronde venstermembraan in het minivarken slakkenhuis ingebracht en een vergelijkbare chirurgische benadering gevolgd als die bij menselijke CI-ontvangers. Intraoperatieve ECAP-metingen werden toegepast om de procedure te evalueren. Het proces dat we hierin beschrijven, kan zowel worden gebruikt voor preklinisch translationeel onderzoek in verband met CI’s als als een platform voor bewonerstraining.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ongeveer 15% van de wereldbevolking heeft een zekere mate van gehoorverlies en meer dan 5% heeft invaliderend gehoorverlies21. CI-verstrekking is de meest efficiënte behandeling voor zowel volwassen als pediatrische patiënten met ernstig en ernstig perceptief gehoorverlies. Als de eerste succesvolle implanteerbare hersenzenuwstimulator hebben CI’s in de afgelopen 2 decennia duizenden mensen met gehoorverlies de mogelijkheid geboden om terug te keren naar de wereld van geluid en (re)integreren in…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door subsidies van de National Natural Science Foundation of China (nrs. 81970890) en het Chongqing Scientific Research Institution Performance incentive project (nrs. 19540). We bedanken Anandhan Dhanasingh en Zhi Shu van het MED-EL bedrijf voor hun steun.
Materials
| 0.5 mm diamond burr | |||
| 1 mm diamond burr | |||
| 5 mm diamond burr | |||
| 2-0 suture silk | |||
| 3D Slicer image computing platform | 3D reconstruction of CT image | ||
| Alcohol | |||
| Bipolar cautery | |||
| Bipolar electrocoagulation | Stop bleeding | ||
| CI designed for human use (CONCERTO FLEX28) | MED-EL | Concerto F28 | |
| Dressing forceps | |||
| ECG monitor | |||
| Iodine tincture | |||
| Isoflurane | 3.6 mL/h | ||
| Laryngoscope | |||
| MAESTRO Software | MED-EL | Measure ECAP responses | |
| Micro forceps | |||
| Micro spatula | |||
| Mosquito forceps | |||
| Needle holder | |||
| Needle probe | |||
| Negative pressure suction device | |||
| Otological surgical instruments | |||
| Respiratory Anesthesia Machine | |||
| Scalpel with blade No. 15 | |||
| Scissors | |||
| Shaver | |||
| Stimulation device (MAX Programming Interface) | MED-EL | Measure ECAP responses | |
| Surgery microscope | Leica | ||
| Surgical drill | |||
| Surgical Power Device | |||
| Tiletamine and zolazepan | 10-15 mg/kg | ||
| Tissue forceps | |||
| Trachea cannula |
Referenzen
- World report on hearing. World Health Organization Available from: https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-hearing (2021)
- Lee, S. Y., et al. Natural course of residual hearing preservation with a slim, modiolar cochlear implant electrode array. American Journal of Otolaryngology. 43 (2), 103382 (2022).
- Lorens, A., et al. Binaural advantages in using a cochlear implant for adults with profound unilateral hearing loss. Acta Oto-Laryngologica. 139 (2), 153-161 (2019).
- Lally, J. W., Adams, J. K., Wilkerson, B. J. The use of cochlear implantation in the elderly. Current Opinion in Otolaryngology & Head and Neck Surgery. 27 (5), 387-391 (2019).
- Rhodes, R. M., Tsai Do, B. S. Future of implantable auditory devices. Otolaryngologic Clinics of North America. 52 (2), 363-378 (2019).
- Colesa, D. J., et al. Development of a chronically-implanted mouse model for studies of cochlear health and implant function. Hearing Research. 404, 108216 (2021).
- Toulemonde, P., et al. Evaluation of the efficacy of dexamethasone-eluting electrode array on the post-implant cochlear fibrotic reaction by three-dimensional immunofluorescence analysis in Mongolian gerbil cochlea. Journal of Clinic Medicine. 10 (15), 3315 (2021).
- King, J., Shehu, I., Roland, J. T., Svirsky, M. A., Froemke, R. C. A physiological and behavioral system for hearing restoration with cochlear implants. Journal of Neurophysiology. 116 (2), 844-858 (2016).
- Chen, M., Min, S., Zhang, C., Hu, X., Li, S. Using extracochlear multichannel electrical stimulation to relieve tinnitus and reverse tinnitus-related auditory-somatosensory plasticity in the cochlear nucleus. Neuromodulation. , (2021).
- Yi, H., et al. Miniature pigs: A large animal model of cochlear implantation. American Journal of Translational Research. 8 (12), 5494-5502 (2016).
- Vollmer, M., Beitel, R. E., Schreiner, C. E., Leake, P. A. Passive stimulation and behavioral training differentially transform temporal processing in the inferior colliculus and primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 117 (1), 47-64 (2017).
- Sunwoo, W., Delgutte, B., Chung, Y. Chronic bilateral cochlear implant stimulation partially restores neural binaural sensitivity in neonatally-deaf rabbits. The Journal of Neuroscience. 41 (16), 3651-3664 (2021).
- Mantokoudis, G., et al. Lamb temporal bone as a surgical training model of round window cochlear implant electrode insertion. Otology & Neurotology. 37 (1), 52-56 (2016).
- de Abajo, J., et al. Effects of implantation and reimplantation of cochlear implant electrodes in an in vivo animal experimental model (Macaca fascicularis). Ear and Hearing. 38 (1), 57-68 (2017).
- Johnson, L. A., Della Santina, C. C., Wang, X. Temporal bone characterization and cochlear implant feasibility in the common marmoset (Callithrix jacchus). Hearing Research. 290 (1-2), 37-44 (2012).
- Yin, P., Li, S., Li, X. J., Yang, W. New pathogenic insights from large animal models of neurodegenerative diseases. Protein & Cell. , (2022).
- Yu, S. M., Wang, C. W., Zhao, D. M., Zhang, Q. C., Pei, D. Z. Raising and pathogen purification of Chinese experimental mini-pig. Laboratory Animal Science and Administration. 20, 44-46 (2003).
- Guo, W., et al. The morphology and electrophysiology of the cochlea of the miniature pig. The Anatomical Record. 298 (3), 494-500 (2015).
- Christov, F., et al. Electric compound action potentials (ECAPs) and impedances in an open and closed operative site during cochlear implantation. Cochlear Implants International. 20 (1), 23-30 (2019).
- Zhong, L. L., et al. Inner ear structure of miniature pigs measured by multi-planar reconstruction techniques. American Journal of Translational Research. 10 (3), 709-717 (2018).
- The Lancet. Hearing loss: An important global health concern. The Lancet. 387 (10036), 2351 (2016).
- Guo, R., et al. Cochlear implant-based electric-acoustic stimulation modulates neural stem cell-derived neural regeneration. Journal of Materials Chemistry B. 9 (37), 7793-7804 (2021).
- Gabrielpillai, J., Geissler, C., Stock, B., Stöver, T., Diensthuber, M. Growth hormone promotes neurite growth of spiral ganglion neurons. Neuroreport. 29 (8), 637-642 (2018).
- Li, H., et al. Guided growth of auditory neurons: Bioactive particles towards gapless neural – electrode interface. Biomaterials. 122, 1-9 (2017).
- Wille, I., et al. Development of neuronal guidance fibers for stimulating electrodes: Basic construction and delivery of a growth factor. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 10, 776890 (2022).
