Имплантационная операция для стимуляции блуждающего нерва брюшной полости и рекордные исследования у бодрствующих крыс
Summary
Настоящий протокол описывает хирургическую технику имплантации электродной решетки в брюшной блуждающий нерв у крыс, а также методы хронического электрофизиологического тестирования и стимуляции с помощью имплантированного устройства.
Abstract
Стимуляция блуждающего нерва брюшной полости (ВНС) может быть применена к поддиафрагмальной ветви блуждающего нерва крыс. Благодаря своему анатомическому расположению, он не имеет каких-либо побочных эффектов со стороны дыхательных и сердечных органов, обычно связанных с ВНС шейного отдела. Отсутствие побочных эффектов со стороны дыхательных и сердечных органов означает, что интенсивность стимуляции не нужно снижать, чтобы уменьшить побочные эффекты, обычно возникающие во время ВНС шейного отдела. Несколько недавних исследований демонстрируют противовоспалительные эффекты ВНС брюшной полости на крысиных моделях воспалительных заболеваний кишечника, ревматоидного артрита и снижение гликемии на крысиной модели диабета 2 типа. Крыса является отличной моделью для изучения потенциала этой технологии из-за хорошо установленной анатомии блуждающего нерва, большого размера нерва, который позволяет легко с ним обращаться, и доступности многих моделей заболеваний. В данной статье мы опишем методы очистки и стерилизации электродной решетки VNS брюшной полости и хирургический протокол у крыс. Описана технология, необходимая для подтверждения надпороговой стимуляции путем регистрации вызванных потенциалов действия соединений. ВНС брюшной полости обладает потенциалом для обеспечения селективного и эффективного лечения различных состояний, включая воспалительные заболевания, и ожидается, что его применение будет расширяться аналогично ВНС шейного отдела.
Introduction
Стимуляция блуждающего нерва (VNS), проводимая в шейном отделе шеи, одобрена Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для лечения рефрактерной эпилепсии, рефрактерной депрессиии реабилитации после ишемического инсульта1 и одобрена Европейской комиссией для лечения сердечной недостаточности в Европе2. Неинвазивная ВНС шейки матки одобрена FDA для лечения мигрени и головной боли1. Ожидается, что его применение будет расширяться, поскольку недавние клинические испытания показали эффективность VNS при других показаниях, таких как болезнь Крона3, ревматоидный артрит 4,5 и нарушение толерантности к глюкозе и диабет 2 типа 6,7. Несмотря на многообещающие перспективы, ВНС шейного отдела позвоночника может вызывать брадикардию и апноэ из-за нецелевой активации нервных волокон, которые иннервируют легкие и сердце 8,9,10. Побочные эффекты, такие как кашель, боль, изменение голоса, головная боль и повышение индекса апноэ-гипопноэ, обычно регистрируются у пациенток, получающих ВНСшейного отдела позвоночника 11,12. Снижение силы стимуляции является распространенной стратегией для уменьшения этих побочных эффектов, однако снижение заряда может ограничить эффективность терапии ВНС, не активируя терапевтические волокна11. В поддержку этой гипотезы говорит тот факт, что частота ответа пациентов, получавших стимуляцию высокой интенсивности для лечения эпилепсии, была выше, чем у пациентов, получавших стимуляцию низкой интенсивности13.
ВНС брюшной полости накладывается на субдиафрагмальный блуждающий нерв, над печеночной и чревной ветвями14 (рис. 1). Наше предыдущее исследование показало, что у крыс абдоминальная ВНС не вызывает сердечных или респираторных побочных эффектов, связанных с ВНСшейки матки 10. Более ранние исследования также демонстрируют противовоспалительные эффекты ВНС брюшной полости на крысиной модели воспалительного заболевания кишечника и ревматоидного артрита10,15, а также снижение гликемии у крыс с моделью диабета 2 типа16. Недавно технология абдоминальной ВНС была переведена на первое клиническое испытание на людях для лечения воспалительных заболеваний кишечника (NCT05469607).
Электродная решетка периферических нервов, используемая для стимуляции блуждающего нерва брюшной полости (WO201909502017), была специально разработана для использования на крысах и состоит из двух-трех пар платиновых электродов, расположенных на расстоянии 4,7 мм друг от друга, поддерживаемых манжетой из медицинского силиконового эластомера, шовного язычка для фиксации решетки в пищеводе, свинцового провода и чрескожного соединителя для установки в поясничной области (рис. 2). Свинцовая проволока прокладывается под кожей с левой стороны животного. Конструкция из нескольких пар электродов позволяет проводить электрическую стимуляцию нерва, а также регистрировать электрически вызванные сложные потенциалы действия (ECAP), что подтверждает правильность установки имплантата на нерв и интенсивность надпороговой стимуляции. Абдоминальная ВНС хорошо переносится у свободно движущихся крыс в течение 10,15,16 месяцев. Это позволяет оценить его эффективность на моделях заболеваний.
В данной статье описаны методы стерилизации электродной решетки, операции по имплантации блуждающего нерва брюшной полости, а также хронической стимуляции и регистрации ECAP у бодрствующих крыс для изучения эффективности ВНС брюшной полости при различных моделях заболеваний. Эти методы были первоначально разработаны для изучения эффективности ВНС брюшной полости на крысиной модели воспалительного заболевания кишечника10 , а также были успешно использованы для крысиной модели ревматоидного артрита15 и диабета16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот метод абдоминальной имплантации ВНС и хронической стимуляции блуждающего нерва и регистрации ECAP успешно применялся и хорошо переносился в течение 5 недель у крыс после имплантации 10,15,16. Ретракция желудка, печени и кишечника для п…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Разработка имплантата VNS брюшной полости крысы финансировалась Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) BTO под эгидой д-ра Дуга Вебера и д-ра Эрика Ван Гисона через Центр космических и военно-морских систем (контракт No N66001-15-2-4060). Исследование, представленное в этой публикации, было поддержано Инкубационным фондом Института бионики. Институт бионики выражает признательность за поддержку, которую они получают от правительства штата Виктория в рамках своей Программы поддержки операционной инфраструктуры. Мы хотели бы поблагодарить г-на Оуэна Бернса за механическое проектирование, профессора Джона Б. Фернесса за анатомическую экспертизу, профессора Роберта К. Шеперда за опыт в области периферийного интерфейса, нейромодуляции и записи, г-жу Филиппу Каммерер и г-жу Эми Морли за животноводство и тестирование, г-жу Фенеллу Мунц и д-ра Пету Григсби за их советы по послеоперационному уходу за животными, а также г-жу Дженни Чжоу и команду по изготовлению электродов из NeoBionica за производство матриц 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).
