腹部迷走神经刺激植入手术和清醒大鼠的记录研究
Summary
本方案描述了将电极阵列植入大鼠腹部迷走神经的手术技术，以及使用植入装置进行慢性电生理学测试和刺激的方法。
Abstract
腹部迷走神经刺激（VNS）可应用于大鼠迷走神经的膈下支。由于其解剖位置，它没有任何通常与颈部 VNS 相关的呼吸和心脏脱靶效应。缺乏呼吸和心脏脱靶效应意味着不需要降低刺激强度来减少颈椎 VNS 期间常见的副作用。最近的研究很少证明腹部 VNS 在炎症性肠病、类风湿性关节炎的大鼠模型和 2 型糖尿病大鼠模型中降低血糖的抗炎作用。大鼠是探索这项技术潜力的绝佳模型，因为迷走神经的解剖结构完善，神经尺寸大，易于处理，以及许多疾病模型的可用性。在这里，我们描述了在大鼠中清洁和消毒腹部VNS电极阵列和手术方案的方法。我们还描述了通过记录诱发的复合动作电位来确认超阈值刺激所需的技术。腹部 VNS 有可能为包括炎症性疾病在内的各种疾病提供选择性、有效的治疗，预计其应用范围将类似于颈椎 VNS。
Introduction
在颈部颈部进行迷走神经刺激 （VNS） 是美国食品和药物管理局 （FDA） 批准的难治性癫痫、难治性抑郁症和缺血性卒中后康复的治疗方法 1，以及欧盟委员会批准用于欧洲心力衰竭的治疗 2。无创颈椎 VNS 已获得 FDA 批准用于偏头痛和头痛1。预计其应用将扩大，最近的临床试验显示 VNS 在其他适应症中的疗效，例如克罗恩病3、类风湿性关节炎 4,5 和糖耐量受损和 2 型糖尿病 6,7。尽管很有希望，但颈部VNS可引起心动过缓和呼吸暂停，这是由于支配肺和心脏的神经纤维的脱靶激活8,9,10。在接受颈椎 VNS11,12 的患者中通常报告咳嗽、疼痛、声音改变、头痛和呼吸暂停低通气指数升高等副作用。降低刺激强度是减少这些副作用的常用策略，然而，降低电荷可能会因无法激活治疗纤维而限制VNS治疗的疗效11。为了支持这一假设，接受高强度刺激治疗癫痫的患者的反应率高于接受低强度刺激的患者13。
腹部VNS施加在膈下迷走神经上，位于肝和腹腔分支14上方（图1）。我们之前的研究表明，在大鼠中，腹部VNS不会引起与颈椎VNS10相关的心脏或呼吸系统副作用。早期的研究还证明了腹部VNS在炎症性肠病和类风湿性关节炎的大鼠模型中的抗炎作用10,15以及2型糖尿病大鼠模型中血糖的降低16。最近，腹部VNS技术已被转化为治疗炎症性肠病（NCT05469607）的首次人体临床试验。
用于向腹部迷走神经提供刺激的周围神经电极阵列（WO201909502017）是为大鼠定制开发的，由两到三个相距 4.7 mm 的铂电极对组成，由医用级硅弹性体袖带、用于将阵列固定到食道的缝合片、一根导线和安装在腰部区域的经皮连接器支撑（图 2).引线在动物左侧的皮肤下开凿。多电极对设计允许对神经进行电刺激，并记录电诱发复合动作电位 （ECAP），从而确认植入物在神经上的正确放置和阈值以上的刺激强度。腹部VNS在自由移动的大鼠中耐受性良好，持续10,15,16个月。这允许评估其对疾病模型的疗效。
本文介绍了电极阵列灭菌、腹部迷走神经植入手术以及ECAPs在清醒大鼠中慢性刺激和记录的方法，以研究腹部VNS在多种疾病模型中的疗效。这些方法最初用于研究腹部VNS在炎症性肠病大鼠模型中的疗效10 ，并且还成功用于类风湿性关节炎15 和糖尿病16的大鼠模型。
Protocol
Representative Results
Discussion
这种腹部 VNS 植入手术和迷走神经慢性刺激和记录 ECAP 的方法已在植入后的大鼠中成功使用并耐受性良好 5 周 10,15,16。缩回胃、肝和肠道以获得食道和迷走神经的良好视野是手术的关键步骤之一。一旦这些器官缩回，迷走神经就可以进入。胃的回缩可能会影响呼吸，在这种情况下，牵开器会松动。此外，在切割食道周围的结缔?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
大鼠腹部VNS植入物的开发由国防高级研究计划局（DARPA）BTO资助，由Doug Weber博士和Eric Van Gieson博士通过太空和海战系统中心（合同编号N66001-15-2-4060）资助。本出版物中报告的研究得到了仿生学研究所孵化基金的支持。仿生学研究所感谢维多利亚州政府通过其运营基础设施支持计划获得的支持。我们要感谢Owen Burns先生的机械设计，John B Furness教授的解剖学专业知识，Robert K Shepherd教授的外围界面，神经调控和记录专业知识，Philippa Kammerer女士和Amy Morley女士的畜牧业和测试，Fenella Muntz女士和Peta Grigsby博士对术后动物护理的建议，以及Jenny 周女士和NeoBionica的电极制造团队生产VNS阵列。
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).
