ניתוח השתלה לגירוי עצב הואגוס בטני ותיעוד מחקרים בחולדות ערות
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את הטכניקה הכירורגית להשתלת מערך אלקטרודות על עצב הואגוס הבטני בחולדות, יחד עם שיטות לבדיקה וגירוי אלקטרופיזיולוגיים כרוניים באמצעות המכשיר המושתל.
Abstract
גירוי עצבי הואגוס בטני (VNS) יכול להיות מיושם על הענף התת-סרעפתי של העצב התועה של חולדות. בשל מיקומו האנטומי, אין לו השפעות נשימתיות ולבביות מחוץ למטרה הקשורות בדרך כלל VNS צוואר הרחם. היעדר השפעות נשימתיות ולבביות מחוץ למטרה פירושו שאין צורך להוריד את עוצמת הגירוי כדי להפחית את תופעות הלוואי הנפוצות במהלך VNS צוואר הרחם. מחקרים מעטים שנעשו לאחרונה הדגימו את ההשפעות האנטי-דלקתיות של VNS בטני במודלים של חולדות של מחלות מעי דלקתיות, דלקת מפרקים שגרונית והפחתת גליקמיה במודל חולדות של סוכרת מסוג 2. חולדה היא מודל נהדר לחקור את הפוטנציאל של טכנולוגיה זו בגלל האנטומיה המבוססת היטב של העצב התועה, גודלו הגדול של העצב המאפשר טיפול קל, והזמינות של מודלים רבים של מחלות. במאמר זה אנו מתארים את השיטות לניקוי ועיקור מערך אלקטרודות VNS בטני ופרוטוקול כירורגי בחולדות. אנו גם מתארים את הטכנולוגיה הדרושה לאישור גירוי על-ידי רישום פוטנציאלי פעולה מורכבים מעוררים. ל-VNS בטני יש פוטנציאל להציע טיפול סלקטיבי ויעיל למגוון מצבים, כולל מחלות דלקתיות, והיישום צפוי להתרחב בדומה ל-VNS צוואר הרחם.
Introduction
גירוי עצבי הואגוס (VNS) המועבר באתר צוואר הרחם בצוואר הוא טיפול שאושר על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) לאפילפסיה עקשנית, דיכאון עקשן ושיקום שבץ לאחר איסכמי1, ואושר על ידי הנציבות האירופית לאי ספיקת לב באירופה2. VNS צוואר הרחם לא פולשני מאושר על ידי ה- FDA למיגרנה וכאב ראש1. היישום שלה צפוי להתרחב, עם ניסויים קליניים אחרונים המראים יעילות של VNS באינדיקציות אחרות כגון מחלת קרוהן3, דלקת מפרקים שגרונית 4,5 ופגיעה בסבילות גלוקוז וסוכרת מסוג 2 6,7. למרות שהוא מבטיח, VNS צוואר הרחם יכול לגרום לברדיקרדיה ודום נשימה עקב הפעלה מחוץ למטרה של סיבי העצב המעצבבים את הריאות והלב 8,9,10. תופעות לוואי כגון שיעול, כאב, שינוי קול, כאבי ראש ועלייה במדד דום נשימה-היפופניאה מדווחות בדרך כלל בחולים שקיבלו VNSצוואר הרחם 11,12. הפחתת כוח הגירוי היא אסטרטגיה נפוצה להפחתת תופעות לוואי אלה, אולם מטען מופחת עלול להגביל את יעילות הטיפול VNS על ידי כישלון להפעיל סיבים טיפוליים11. לתמיכה בהשערה זו, שיעור המגיבים של חולים שקיבלו גירוי בעוצמה גבוהה לטיפול באפילפסיה היה גבוה מזה של חולים שקיבלו גירוי בעוצמה נמוכה13.
VNS בטני מוחל על העצב התועה התת-סרעפתי, מעל ענפי הכבד והצליאק14 (איור 1). המחקר הקודם שלנו הראה כי בחולדות VNS בטני אינו גורם לתופעות לוואי לבביות או נשימתיות הקשורות ל- VNS10 בצוואר הרחם. מחקרים קודמים הדגימו גם השפעות אנטי דלקתיות של VNS בטני במודל חולדות של מחלות מעי דלקתיות ודלקת מפרקים שגרונית10,15, כמו גם ירידה בגליקמיה במודל חולדות של סוכרת מסוג 216. לאחרונה, טכנולוגיית VNS בטני תורגמה לניסוי קליני ראשון בבני אדם לטיפול במחלות מעי דלקתיות (NCT05469607).
מערך אלקטרודות העצבים ההיקפיים המשמש להעברת גירוי לעצב הואגוס הבטני (WO201909502017) פותח במיוחד לשימוש בחולדות, והוא מורכב משניים עד שלושה זוגות אלקטרודות פלטינה הממוקמים במרחק של 4.7 מ”מ זה מזה, הנתמכים על-ידי שרוול אלסטומר סיליקון ברמה רפואית, לשונית תפירה לעיגון המערך לוושט, חוט עופרת ומחבר מלעורי שיותקן באזור המותני (איור 2)). חוט העופרת מנהור מתחת לעור בצד שמאל של החיה. תכנון זוגות אלקטרודות מרובות מאפשר גירוי חשמלי של העצב, כמו גם רישום פוטנציאלי פעולה מורכבים מעוררים חשמלית (ECAPs), אשר מאשר מיקום נכון של השתל על העצב ועוצמות גירוי suprathreshold. VNS בטני נסבל היטב בחולדות הנעות בחופשיות במשך חודשים 10,15,16. זה מאפשר להעריך את יעילותו על מודלים של מחלות.
כתב יד זה מתאר את השיטות לעיקור מערך האלקטרודות, ניתוח השתלת עצב הואגוס בטני, גירוי כרוני ורישום של ECAPs בחולדות ערות לחקר היעילות של VNS בטני במגוון מודלים של מחלות. שיטות אלה פותחו במקור לחקר היעילות של VNS בטני במודל חולדה של מחלות מעי דלקתיות10 ושימשו בהצלחה גם עבור מודל חולדה של דלקת מפרקים שגרונית15 וסוכרת16.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטה זו של ניתוח השתלת VNS בטני וגירוי כרוני של העצב התועה ורישום של ECAPs שימשו בהצלחה ונסבלים היטב במשך 5 שבועות בחולדות לאחר ההשתלה 10,15,16. נסיגה של הקיבה, הכבד והמעיים כדי לקבל תצוגה טובה של הוושט והעצב התועה היא אחד השלבים המרכזיים בניתוח. ב…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פיתוח שתל VNS בטני של חולדה מומן על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים להגנה (DARPA) BTO, בחסות ד”ר דאג ובר וד”ר אריק ואן גיסון באמצעות המרכז למערכות לוחמה בחלל ובים (חוזה מס’ N66001-15-2-4060). המחקר המדווח בפרסום זה נתמך על ידי קרן הדגירה של מכון ביוניקס. מכון ביוניקס מכיר בתמיכה שהם מקבלים מהממשלה הוויקטוריאנית באמצעות תוכנית התמיכה התשתיתית התפעולית שלה. ברצוננו להודות למר אוון ברנס על התכנון המכאני, לפרופ’ ג’ון ב’ פרנס על מומחיות אנטומית, לפרופ’ רוברט ק’ שפרד על מומחיות בממשק היקפי, נוירומודולציה והקלטה, לגב’ פיליפה קמרר וגב’ איימי מורלי על גידול וניסויים בבעלי חיים, לגב’ פנלה מונץ וד”ר פטה גריגסבי על עצותיהן בטיפול בבעלי חיים לאחר ניתוח, ולגב’ ג’ני ג’ואו ולצוות ייצור האלקטרודות מ-NeoBionica על ייצור מערכי VNS.
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).
