Implantasjonskirurgi for abdominal vagusnervestimulering og opptaksstudier hos våkne rotter
Summary
Denne protokollen beskriver den kirurgiske teknikken for å implantere en elektrodegruppe på vagusnerven i buken hos rotter, sammen med metoder for kronisk elektrofysiologitesting og stimulering ved bruk av det implanterte utstyret.
Abstract
Abdominal vagusnervestimulering (VNS) kan brukes på den subdiafragmatiske grenen av vagusnerven hos rotter. På grunn av sin anatomiske plassering har den ingen respiratoriske og hjerteeffekter som vanligvis er forbundet med cervikal VNS. Mangelen på respiratoriske og hjertemessige off-target effekter betyr at intensiteten av stimuleringen ikke trenger å senkes for å redusere bivirkninger som ofte oppleves under cervikal VNS. Få nyere studier demonstrerer de antiinflammatoriske effektene av abdominal VNS i rottemodeller av inflammatorisk tarmsykdom, revmatoid artritt og glykemireduksjon i en rottemodell av type 2 diabetes. Rotte er en flott modell for å utforske potensialet i denne teknologien på grunn av den veletablerte anatomien til vagusnerven, den store størrelsen på nerven som muliggjør enkel håndtering og tilgjengeligheten av mange sykdomsmodeller. Her beskriver vi metodene for rengjøring og sterilisering av abdominal VNS-elektrodearray og kirurgisk protokoll hos rotter. Vi beskriver også teknologien som kreves for bekreftelse av supraterskelstimulering ved å registrere fremkalte sammensatte aksjonspotensialer. Abdominal VNS har potensial til å tilby selektiv, effektiv behandling for en rekke forhold, inkludert inflammatoriske sykdommer, og applikasjonen forventes å utvide på samme måte som cervikal VNS.
Introduction
Vagus nervestimulering (VNS) levert på livmorhalsstedet i nakken er The United States Food and Drug Administration (FDA) -godkjent behandling for ildfast epilepsi, ildfast depresjon og post-iskemisk hjerneslagrehabilitering 1, og EU-kommisjonen-godkjent for hjertesvikt i Europa2. Ikke-invasiv cervikal VNS er FDA-godkjent for migrene og hodepine1. Søknaden forventes å utvides, med nyere kliniske studier som viser effekten av VNS i andre indikasjoner som Crohns sykdom3, revmatoid artritt 4,5 og nedsatt glukosetoleranse og type 2 diabetes 6,7. Selv om det er lovende, kan cervikal VNS forårsake bradykardi og apné på grunn av aktivering av nervefibrene som innerverer lungene og hjertet 8,9,10. Bivirkninger som hoste, smerte, stemmeendring, hodepine og økning i apné-hypopnéindeks rapporteres ofte hos pasienter som får cervikal VNS11,12. Reduksjon i stimuleringsstyrke er en vanlig strategi for å redusere disse bivirkningene, men redusert ladning kan begrense effekten av VNS-behandling ved ikke å aktivere terapeutiske fibre11. Til støtte for denne hypotesen var responsraten hos pasienter som fikk høyintensitetsstimulering for behandling av epilepsi høyere enn hos pasienter som fikk lavintensitetsstimulering13.
Abdominal VNS påføres på nervus vagus subdiafragma, over lever- og cøliakigrenene14 (figur 1). Vår tidligere studie viste at abdominal VNS ikke forårsaker hjerte- eller respiratoriske bivirkninger forbundet med cervikal VNS10 hos rotter. Tidligere studier viser også antiinflammatoriske effekter av abdominal VNS i en rottemodell av inflammatorisk tarmsykdom og revmatoid artritt10,15 samt reduksjon i glykemi i en rottemodell av type 2 diabetes16. Nylig har abdominal VNS-teknologien blitt oversatt for en første klinisk studie på mennesker for behandling av inflammatorisk tarmsykdom (NCT05469607).
Den perifere nerveelektrodematrisen som brukes til å levere stimulering til abdominalvagusnerven (WO201909502017), er spesialutviklet for bruk hos rotter, og består av to til tre platinaelektrodepar plassert 4,7 mm fra hverandre, støttet av en medisinsk silikonelastomermansjett, en suturflik for å forankre arrayet til spiserøret, en ledning og en perkutan kontakt som skal monteres på lumbalområdet (figur 2). Blytråden er tunnelert under huden på venstre side av dyret. Multippel elektrodepardesign muliggjør elektrisk stimulering av nerven, samt opptak av elektrisk fremkalte sammensatte handlingspotensialer (ECAP), som bekrefter riktig plassering av implantatet på nerve- og supraterskelstimuleringsintensitetene. Abdominal VNS tolereres godt hos fritt bevegelige rotter i månedene 10,15,16. Dette gjør det mulig å vurdere effekten på sykdomsmodeller.
Dette manuskriptet beskriver metodene for elektrodesterilisering, abdominal vagusnerveimplantasjonskirurgi og kronisk stimulering og registrering av ECAP hos våkne rotter for å studere effekten av abdominal VNS i en rekke sykdomsmodeller. Disse metodene ble opprinnelig utviklet for å studere effekten av abdominal VNS i rottemodellen av inflammatorisk tarmsykdom10 og har også blitt brukt til en rottemodell av revmatoid artritt15 og diabetes16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne metoden for abdominal VNS-implantatkirurgi og kronisk stimulering av vagusnerven og registrering av ECAP har blitt brukt og godt tolerert i 5 uker hos rotter etter implantasjon 10,15,16. Tilbaketrekning av mage, lever og tarm for å få en god oversikt over spiserøret og vagusnerven er et av de viktigste trinnene i operasjonen. Når disse organene trekkes tilbake, blir vagusnerven tilgjengelig. Tilbaketrekning av magen ri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Utviklingen av VNS-implantatet fra rotter ble finansiert av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) BTO, under ledelse av Dr. Doug Weber og Dr. Eric Van Gieson gjennom Space and Naval Warfare Systems Center (kontraktsnr. N66001-15-2-4060). Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av Bionics Institute Incubation Fund. Bionics Institute anerkjenner støtten de mottar fra den viktorianske regjeringen gjennom sitt Operational Infrastructural Support Program. Vi vil gjerne takke Mr. Owen Burns for mekanisk design, Prof. John B Furness for anatomisk ekspertise, Prof. Robert K Shepherd for perifert grensesnitt, nevromodulering og opptakskompetanse, Ms Philippa Kammerer og Ms Amy Morley for husdyrhold og testing, Ms Fenella Muntz og Dr. Peta Grigsby for deres råd om postoperativ dyrepleie, og Jenny Zhou og elektrodefabrikasjonsteamet fra NeoBionica for produksjon av 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 |
References
- 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).
