Implantationskirurgi för stimulering av vagusnerven i buken och inspelningsstudier hos vakna råttor
Summary
Det nuvarande protokollet beskriver den kirurgiska tekniken för att implantera en elektrodmatris på bukvagusnerven hos råttor, tillsammans med metoder för kronisk elektrofysiologisk testning och stimulering med hjälp av den implanterade enheten.
Abstract
Vagusnervstimulering (VNS) kan appliceras på den subdiafragmatiska grenen av vagusnerven hos råttor. På grund av dess anatomiska läge har den inga andnings- och hjärteffekter som vanligtvis förknippas med cervikal VNS. Avsaknaden av andnings- och hjärteffekter innebär att stimuleringsintensiteten inte behöver sänkas för att minska biverkningar som ofta upplevs vid cervikal VNS. Få nya studier visar de antiinflammatoriska effekterna av buk-VNS i råttmodeller av inflammatorisk tarmsjukdom, reumatoid artrit och glykemireduktion i en råttmodell av typ 2-diabetes. Råtta är en utmärkt modell för att utforska potentialen hos denna teknik på grund av vagusnervens väletablerade anatomi, nervens stora storlek som möjliggör enkel hantering och tillgängligheten av många sjukdomsmodeller. Här beskriver vi metoderna för rengöring och sterilisering av VNS-elektrodmatrisen i buken och det kirurgiska protokollet hos råttor. Vi beskriver också den teknik som krävs för att bekräfta supratröskelstimulering genom att registrera framkallade sammansatta aktionspotentialer. Abdominal VNS har potential att erbjuda selektiv, effektiv behandling för en mängd olika tillstånd, inklusive inflammatoriska sjukdomar, och applikationen förväntas expandera på liknande sätt som cervikal VNS.
Introduction
Vagusnervstimulering (VNS) som levereras vid livmoderhalsen i nacken är godkänd av United States Food and Drug Administration (FDA) för refraktär epilepsi, refraktär depression och rehabilitering efter ischemisk stroke1 och av Europeiska kommissionen för hjärtsvikt i Europa2. Icke-invasiv cervikal VNS är FDA-godkänd för migrän och huvudvärk1. Dess tillämpning förväntas utökas, med nyligen genomförda kliniska prövningar som visar effekten av VNS i andra indikationer som Crohns sjukdom3, reumatoid artrit 4,5 och nedsatt glukostolerans och typ 2-diabetes 6,7. Även om det är lovande, kan cervikal VNS orsaka bradykardi och apné på grund av off-target aktivering av nervfibrerna som innerverar lungorna och hjärtat 8,9,10. Biverkningar som hosta, smärta, röstförändringar, huvudvärk och förhöjt apné-hypopnéindex är vanligt förekommande hos patienter som får cervikal VNS 11,12. Minskning av stimuleringsstyrkan är en vanlig strategi för att minska dessa biverkningar, men minskad laddning kan begränsa effekten av VNS-behandling genom att inte aktivera terapeutiska fibrer11. Till stöd för denna hypotes var svarsfrekvensen för patienter som fick högintensiv stimulering för behandling av epilepsi högre än för patienter som fick lågintensiv stimulering13.
Abdominal VNS appliceras på den subdiafragmatiska vagusnerven, ovanför lever- och celiakigrenarna14 (Figur 1). Vår tidigare studie visade att buk-VNS hos råttor inte orsakar hjärt- eller andningsbiverkningar i samband med cervikal VNS10. Tidigare studier visar också antiinflammatoriska effekter av buk-VNS i en råttmodell av inflammatorisk tarmsjukdom och reumatoid artrit10,15 samt minskning av glykemi i en råttmodell av typ 2-diabetes16. Nyligen har VNS-teknologin översatts för en first-in-human klinisk prövning för behandling av inflammatorisk tarmsjukdom (NCT05469607).
Den perifera nervelektrodmatrisen som används för att leverera stimulering till bukvagusnerven (WO201909502017) har specialutvecklats för användning på råttor och består av två till tre platinaelektrodpar placerade 4,7 mm från varandra, stödda av en silikonelastomermanschett av medicinsk kvalitet, en suturflik för att förankra arrayen i matstrupen, en ledningstråd och en perkutan kontakt som ska monteras på ländryggen (Figur 2). Ledningstråden tunnlas under huden på djurets vänstra sida. Designen med flera elektrodpar möjliggör elektrisk stimulering av nerven samt registrering av elektriskt framkallade sammansatta aktionspotentialer (ECAP), vilket bekräftar korrekt placering av implantatet på nerven och supratröskelstimuleringsintensiteter. Abdominal VNS tolereras väl hos råttor som rör sig fritt i månader 10,15,16. Detta gör det möjligt att bedöma dess effektivitet på sjukdomsmodeller.
Detta manuskript beskriver metoderna för elektrodsterilisering, bukvagusnervimplantationskirurgi och kronisk stimulering och registrering av ECAP hos vakna råttor för att studera effekten av buk-VNS i en mängd olika sjukdomsmodeller. Dessa metoder utvecklades ursprungligen för att studera effekten av buk-VNS i råttmodellen av inflammatorisk tarmsjukdom10 och har också framgångsrikt använts för en råttmodell av reumatoid artrit15 och diabetes16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna metod för buk-VNS-implantatkirurgi och kronisk stimulering av vagusnerven och registrering av ECAP har använts framgångsrikt och tolererats väl i 5 veckor hos råttor efter implantation 10,15,16. Indragning av mage, lever och tarm för att få en bra bild av matstrupen och vagusnerven är ett av de viktigaste stegen i operationen. När dessa organ dras tillbaka blir vagusnerven tillgänglig. Indragning av magsäcken ri…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Utvecklingen av VNS-implantatet för buken på råtta finansierades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) BTO, under överinseende av Dr. Doug Weber och Dr. Eric Van Gieson genom Space and Naval Warfare Systems Center (kontrakt nr N66001-15-2-4060). Forskning som rapporteras i denna publikation stöddes av Bionics Institute Incubation Fund. Bionics Institute erkänner det stöd de får från den viktorianska regeringen genom sitt program för operativt infrastrukturstöd. Vi vill tacka Owen Burns för mekanisk design, professor John B Furness för anatomisk expertis, professor Robert K Shepherd för perifert gränssnitt, neuromodulering och inspelningsexpertis, Philippa Kammerer och Amy Morley för djurhållning och testning, Fenella Muntz och Peta Grigsby för deras råd om postoperativ djurvård, och Jenny Zhou och elektrodtillverkningsteamet från NeoBionica för produktion av VNS-arrayerna.
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 |
Riferimenti
- 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).
