Implantatiechirurgie voor stimulatie van de nervus vagus in de buik en opnamestudies bij wakkere ratten
Summary
Het huidige protocol beschrijft de chirurgische techniek voor het implanteren van een elektrode-array op de abdominale nervus vagus bij ratten, samen met methoden voor chronische elektrofysiologische tests en stimulatie met behulp van het geïmplanteerde apparaat.
Abstract
Abdominale nervus vagus stimulatie (VNS) kan worden toegepast op de subdiafragmatische tak van de nervus vagus bij ratten. Vanwege de anatomische locatie heeft het geen respiratoire en cardiale off-target effecten die gewoonlijk worden geassocieerd met cervicale VNS. Het ontbreken van off-target effecten op de ademhaling en het hart betekent dat de intensiteit van de stimulatie niet hoeft te worden verlaagd om bijwerkingen te verminderen die vaak worden ervaren tijdens cervicale VNS. Er zijn maar weinig recente studies die de ontstekingsremmende effecten van abdominale VNS aantonen in rattenmodellen van inflammatoire darmaandoeningen, reumatoïde artritis en glycemievermindering in een rattenmodel van diabetes type 2. Rat is een geweldig model om het potentieel van deze technologie te verkennen vanwege de gevestigde anatomie van de nervus vagus, de grote omvang van de zenuw die gemakkelijk te hanteren is en de beschikbaarheid van veel ziektemodellen. Hier beschrijven we de methoden voor het reinigen en steriliseren van de abdominale VNS-elektrode-array en het chirurgische protocol bij ratten. We beschrijven ook de technologie die nodig is voor de bevestiging van supradrempelstimulatie door het registreren van evoked compound action potentials. Abdominale VNS heeft het potentieel om selectieve, effectieve behandeling te bieden voor een verscheidenheid aan aandoeningen, waaronder ontstekingsziekten, en de toepassing zal naar verwachting op dezelfde manier worden uitgebreid als cervicale VNS.
Introduction
Nervus vagus stimulatie (VNS) toegediend op de cervicale plaats in de nek is door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurde behandeling voor refractaire epilepsie, refractaire depressie en revalidatie na ischemische beroerte1, en door de Europese Commissie goedgekeurd voor hartfalen in Europa2. Niet-invasieve cervicale VNS is door de FDA goedgekeurd voor migraine en hoofdpijn1. De toepassing ervan zal naar verwachting toenemen, met recente klinische onderzoeken die de werkzaamheid van VNS aantonen bij andere indicaties zoals de ziekte van Crohn3, reumatoïde artritis 4,5 en verminderde glucosetolerantie en diabetes type 2 6,7. Hoewel veelbelovend, kan cervicale VNS bradycardie en apneu veroorzaken als gevolg van off-target activering van de zenuwvezels die de longen en het hart innerveren 8,9,10. Bijwerkingen zoals hoesten, pijn, stemverandering, hoofdpijn en verhoging van de apneu-hypopneu-index worden vaak gemeld bij patiënten die cervicale VNS11,12 krijgen. Vermindering van de stimulatiesterkte is een gebruikelijke strategie om deze bijwerkingen te verminderen, maar een verminderde lading kan de werkzaamheid van VNS-therapie beperken door therapeutische vezels niet teactiveren11. Ter ondersteuning van deze hypothese was het responderpercentage van patiënten die stimulatie met hoge intensiteit kregen voor de behandeling van epilepsie hoger dan dat van patiënten die stimulatie met lage intensiteit kregen13.
Abdominale VNS wordt aangebracht op de subdiafragmatische nervus vagus, boven de lever- en coeliakietakken14 (Figuur 1). Onze vorige studie toonde aan dat abdominale VNS bij ratten geen cardiale of respiratoire bijwerkingen veroorzaakt die verband houden met cervicale VNS10. Eerdere studies tonen ook ontstekingsremmende effecten van abdominale VNS aan in een rattenmodel van inflammatoire darmaandoeningen en reumatoïde artritis 10,15, evenals vermindering van glycemie in een rattenmodel van diabetes type 216. Onlangs is de abdominale VNS-technologie vertaald voor een eerste klinische studie bij mensen voor de behandeling van inflammatoire darmaandoeningen (NCT05469607).
De perifere zenuwelektrode-array die wordt gebruikt om stimulatie toe te dienen aan de abdominale nervus vagus (WO201909502017) is op maat ontwikkeld voor gebruik bij ratten en bestaat uit twee tot drie platina-elektrodeparen die 4,7 mm uit elkaar zijn geplaatst, ondersteund door een manchet van siliconenelastomeer van medische kwaliteit, een hechtlipje om de array aan de slokdarm te verankeren, een geleidingsdraad en een percutane connector die op het lumbale gebied moet worden gemonteerd (Figuur 2). De looddraad wordt aan de linkerkant van het dier onder de huid getunneld. Het ontwerp van meerdere elektrodeparen maakt elektrische stimulatie van de zenuw mogelijk, evenals het registreren van elektrisch opgewekte samengestelde actiepotentialen (ECAP’s), wat de juiste plaatsing van het implantaat op de zenuw en de stimulatie-intensiteiten boven de drempel bevestigt. Abdominale VNS wordt maandenlang goed verdragen bij vrij bewegende ratten 10,15,16. Dit maakt het mogelijk om de werkzaamheid ervan op ziektemodellen te beoordelen.
Dit manuscript beschrijft de methoden voor de sterilisatie van de elektrode-array, implantatiechirurgie van de nervus vagus abdominaal en chronische stimulatie en registratie van ECAP’s bij wakkere ratten voor het bestuderen van de werkzaamheid van abdominale VNS in verschillende ziektemodellen. Deze methoden zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor het bestuderen van de werkzaamheid van abdominale VNS in het rattenmodel van inflammatoire darmaandoeningen10 en zijn ook met succes gebruikt voor een rattenmodel van reumatoïde artritis15 en diabetes16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze methode van abdominale VNS-implantaatchirurgie en chronische stimulatie van de nervus vagus en registratie van ECAP’s is met succes gebruikt en goed verdragen gedurende 5 weken bij ratten na implantatie 10,15,16. Terugtrekking van de maag, lever en darmen om een goed zicht te krijgen op de slokdarm en de nervus vagus is een van de belangrijkste stappen in de operatie. Zodra deze organen zijn ingetrokken, wordt de nervus vag…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De ontwikkeling van het VNS-implantaat in de buik van ratten werd gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) BTO, onder auspiciën van Dr. Doug Weber en Dr. Eric Van Gieson via het Space and Naval Warfare Systems Center (contractnr. N66001-15-2-4060). Het onderzoek in deze publicatie werd ondersteund door het Bionics Institute Incubation Fund. Het Bionics Institute erkent de steun die ze ontvangen van de Victoriaanse regering via haar Operational Infrastructurele Support Program. We willen de heer Owen Burns bedanken voor het mechanisch ontwerp, prof. John B Furness voor de anatomische expertise, prof. Robert K Shepherd voor de perifere interface, neuromodulatie en opname-expertise, mevrouw Philippa Kammerer en mevrouw Amy Morley voor het houden en testen van dieren, mevrouw Fenella Muntz en Dr. Peta Grigsby voor hun advies over postoperatieve dierenverzorging, en mevrouw Jenny Zhou en het elektrodefabricageteam van NeoBionica voor de productie van de VNS-arrays.
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 |
Referencias
- 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).
