Das Miniaturschwein: Ein Großtiermodell für die Cochlea-Implantat-Forschung
Summary
Miniaturschweine (Minischweine) sind ein ideales Großtiermodell für die Erforschung von Cochlea-Implantaten. Die Cochlea-Implantationschirurgie bei Minischweinen kann verwendet werden, um erste Beweise für die Sicherheit und potenzielle Leistungsfähigkeit neuartiger Elektrodenarrays und chirurgischer Ansätze in einem lebenden System ähnlich dem Menschen zu liefern.
Abstract
Cochlea-Implantate (CI) sind die effektivste Methode zur Behandlung von Menschen mit schwerem bis hochgradigem sensorineuralem Hörverlust. Obwohl CIs weltweit verwendet werden, existiert kein Standardmodell für die Untersuchung der Elektrophysiologie und Histopathologie bei Patienten oder Tiermodellen mit einem CI oder für die Bewertung neuer Modelle von Elektrodenarrays. Ein großes Tiermodell mit Cochlea-Eigenschaften, die denen des Menschen ähneln, kann eine Forschungs- und Bewertungsplattform für fortgeschrittene und modifizierte Arrays vor ihrer Verwendung beim Menschen bieten.
Dazu haben wir Standard-CI-Methoden mit Bama-Minischweinen etabliert, deren Innenohranatomie der des Menschen sehr ähnlich ist. Für den menschlichen Gebrauch konzipierte Arrays wurden durch eine runde Fenstermembran in die Mini-Schweinecochlea implantiert, und es folgte ein chirurgischer Ansatz, der dem für menschliche CI-Empfänger ähnelte. Auf die Array-Insertion folgten ECAP-Messungen (evoziertes Compound Action Potential), um die Funktion des Hörnervs zu bewerten. Diese Studie beschreibt die Vorbereitung des Tieres, chirurgische Schritte, Array-Insertion und intraoperative elektrophysiologische Messungen.
Die Ergebnisse zeigten, dass das gleiche CI, das für Menschen verwendet wird, leicht in Mini-Schweine über einen standardisierten chirurgischen Ansatz implantiert werden konnte und ähnliche elektrophysiologische Ergebnisse lieferte wie bei menschlichen CI-Empfängern. Minischweine könnten ein wertvolles Tiermodell sein, um erste Beweise für die Sicherheit und potenzielle Leistungsfähigkeit neuartiger Elektrodenarrays und chirurgischer Ansätze zu liefern, bevor sie auf den Menschen angewendet werden.
Introduction
Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind weltweit über 1 Milliarde Menschen von Hörverlust bedroht, und es wird geschätzt, dass bis 2050 einer von vier Menschen einen Hörverlust erleiden wird1. In den letzten 2 Jahrzehnten waren CIs die effektivste Intervention für Menschen mit dauerhaft schwerem und hochgradigem sensorineuralem Hörverlust (SNHL). Ein CI wandelt physikalische Schallsignale in bioelektrische Signale um, die die spiralförmigen Ganglienneuronen (SGNs) stimulieren und Haarzellen umgehen. Im Laufe der Zeit wurden die Indikationen für ein CI erweitert, so dass sie nun Menschen mit Resthörvermögen, einseitigem Hörverlust und sehr alten oder jungen Menschen umfassen 2,3,4. In der Zwischenzeit wurden vollständig implantierbare CIs und fortschrittliche Arrays entwickelt5. Es gibt jedoch kein wirtschaftlich realisierbares Großtiermodell zur Untersuchung der Elektrophysiologie und Histopathologie des Innenohrs mit einem CI. Dieses Fehlen eines großen Tiermodells schränkt die Forschung ein, die CIs verbessern und Einblicke in die elektrophysiologischen Auswirkungen von CIs auf das Innenohr gewinnen möchte.
Mehrere Nagetiermodelle wurden in der CI-Forschung angewendet, wie Maus6, Rennmaus7, Ratte8 und Meerschweinchen9; Die Merkmale der Morphologie und der elektrophysiologischen Reaktionen unterscheiden sich jedoch von denen beim Menschen. Cochlea-Strukturen von Tiermodellen, die traditionell für CI-Studien verwendet werden, wie Katzen, Meerschweinchen und andere Tiere, unterscheiden sich stark von denen menschlicher Cochlea-Strukturen10. Obwohl die Array-Insertion bei Katzen11 und Kaninchen12 aufgrund ihrer kleineren Cochleae durchgeführt wurde, wurde dies mit Arrays durchgeführt, die nicht für die Anwendung beim Menschen ausgelegt waren. Mehrere große Tiermodelle wurden auch für CI untersucht. Lämmer eignen sich gut als Trainingsmodell für die atraumatische Cochlea-Implantation, aber die geringere Größe der Cochlea macht eine vollständige Insertion unmöglich13. Primaten könnten wegen ihrer anatomischen Ähnlichkeit mit Menschen die am besten geeigneten Tiere für die CI-Forschung sein14,15; Die Geschlechtsreife von Affen ist jedoch verzögert (4-5 Jahre), die Tragzeit beträgt bis zu etwa 165 Tage, und jedes Weibchen produziert normalerweise nur einen Nachwuchs pro Jahr16. Diese Gründe und die teuren Kosten behindern die umfangreiche Anwendung von Primaten in der CI-Forschung.
Im Gegensatz dazu erreichen Schweine die Geschlechtsreife nach 5-8 Monaten und haben eine Tragzeit von ~ 114 Tagen, was Schweine für die CI-Forschung als großes Tiermodell besser zugänglich macht16. Bama-Minischweine (Minischweine) stammen 1985 von einer kleinen Schweineart in China ab, deren genetischer Hintergrund gut verstanden ist. Sie zeichnen sich durch eine inhärente geringe Größe, frühe Geschlechtsreife, schnelle Fortpflanzung und einfache Handhabung aus17. Das Minischwein ist aufgrund seiner Ähnlichkeit mit dem Menschen in Morphologie und Elektrophysiologie ein ideales Modell für die Otologie und Audiologie18. Die Scala tympani Länge eines Bama Mini-Schweins beträgt 38,58 mm, was nahe an der Länge von 36 mm beim Menschen10 liegt. Die Mini-Schweine-Cochlea hat 3,5 Windungen, was den 2,5-3 Drehungen bei Menschen10 ähnelt. Neben der Morphologie ist auch die Elektrophysiologie von Bama-Minischweinen der des Menschen sehr ähnlich18. Daher haben wir in der vorliegenden Studie für den menschlichen Gebrauch konzipierte Arrays über die runde Fenstermembran in die Mini-Schweine-Cochlea eingeführt und einen ähnlichen chirurgischen Ansatz wie bei menschlichen CI-Empfängern verfolgt. Zur Bewertung des Verfahrens wurden intraoperative ECAP-Messungen durchgeführt. Der hierin beschriebene Prozess könnte sowohl für die präklinische translationale Forschung im Zusammenhang mit CIs als auch als Plattform für die Ausbildung von Assistenzärzten verwendet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Etwa 15 % der Weltbevölkerung haben einen gewissen Grad an Hörverlust, und über 5 % haben einen behindernden Hörverlust21. Die CI-Versorgung ist die effizienteste Behandlung für erwachsene und pädiatrische Patienten mit schwerem und hochgradigem sensorineuralen Hörverlust. Als erster erfolgreicher implantierbarer Hirnnervenstimulator haben CIs in den letzten 2 Jahrzehnten Tausenden von Menschen mit Hörverlust die Möglichkeit geboten, in die Welt des Klangs zurückzukehren und sich (wieder…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde durch Zuschüsse der National Natural Science Foundation of China (Nr. 81970890) und des Chongqing Scientific Research Institution Performance Incentive Project (Nr. 19540) finanziert. Wir danken Anandhan Dhanasingh und Zhi Shu von der Firma MED-EL für ihre Unterstützung.
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 |
References
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