पेट वेगस तंत्रिका उत्तेजना और जागृत चूहों में रिकॉर्डिंग अध्ययन के लिए आरोपण सर्जरी
Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल चूहों में पेट वेगस तंत्रिका पर एक इलेक्ट्रोड सरणी प्रत्यारोपित करने के लिए शल्य चिकित्सा तकनीक का वर्णन करता है, साथ ही प्रत्यारोपित डिवाइस का उपयोग करके पुरानी इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी परीक्षण और उत्तेजना के तरीकों के साथ।
Abstract
पेट की वेगस तंत्रिका उत्तेजना (वीएनएस) को चूहों के वेगस तंत्रिका की सबडायाफ्रामिक शाखा पर लागू किया जा सकता है। अपने शारीरिक स्थान के कारण, इसमें आमतौर पर ग्रीवा वीएनएस से जुड़े कोई श्वसन और हृदय संबंधी ऑफ-टारगेट प्रभाव नहीं होते हैं। श्वसन और कार्डियक ऑफ-टारगेट प्रभावों की कमी का मतलब है कि गर्भाशय ग्रीवा वीएनएस के दौरान आमतौर पर अनुभव किए जाने वाले दुष्प्रभावों को कम करने के लिए उत्तेजना की तीव्रता को कम करने की आवश्यकता नहीं है। कुछ हालिया अध्ययनों में सूजन आंत्र रोग, संधिशोथ, और टाइप 2 मधुमेह के चूहे मॉडल में ग्लाइसेमिया की कमी के चूहे के मॉडल में पेट के वीएनएस के विरोधी भड़काऊ प्रभाव प्रदर्शित होते हैं। चूहा इस तकनीक की क्षमता का पता लगाने के लिए एक महान मॉडल है क्योंकि वेगस तंत्रिका की अच्छी तरह से स्थापित शरीर रचना विज्ञान, तंत्रिका का बड़ा आकार जो आसान हैंडलिंग की अनुमति देता है, और कई रोग मॉडल की उपलब्धता है। यहां, हम चूहों में पेट वीएनएस इलेक्ट्रोड सरणी और सर्जिकल प्रोटोकॉल की सफाई और स्टरलाइज़ करने के तरीकों का वर्णन करते हैं। हम विकसित यौगिक क्रिया क्षमता को रिकॉर्ड करके सुपरथ्रेशोल्ड उत्तेजना की पुष्टि के लिए आवश्यक तकनीक का भी वर्णन करते हैं। पेट के वीएनएस में सूजन संबंधी बीमारियों सहित विभिन्न स्थितियों के लिए चयनात्मक, प्रभावी उपचार की पेशकश करने की क्षमता है, और आवेदन गर्भाशय ग्रीवा वीएनएस के समान विस्तार करने की उम्मीद है।
Introduction
गर्दन में गर्भाशय ग्रीवा साइट पर वितरित वेगस तंत्रिका उत्तेजना (वीएनएस) संयुक्त राज्य खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) है- दुर्दम्य मिर्गी, दुर्दम्य अवसाद, और पोस्ट-इस्केमिक स्ट्रोक पुनर्वास1 के लिए अनुमोदित उपचार, और यूरोपीय आयोग-यूरोप में दिल की विफलता के लिए अनुमोदित2. गैर-इनवेसिव ग्रीवा वीएनएस माइग्रेन और सिरदर्द के लिए एफडीए-अनुमोदित है1. इसके आवेदन का विस्तार करने की उम्मीद है, हाल ही में नैदानिक परीक्षणों में क्रोहन रोग3, संधिशोथ 4,5 और बिगड़ा हुआ ग्लूकोज सहिष्णुता और टाइप 2 मधुमेह 6,7 जैसे अन्य संकेतों में वीएनएस की प्रभावकारिता दिखा रहा है। हालांकि आशाजनक, गर्भाशय ग्रीवा वीएनएस फेफड़ों और दिल 8,9,10 innervate तंत्रिका तंतुओं के बंद लक्ष्य सक्रियण के कारण ब्रैडीकार्डिया और एपनिया पैदा कर सकता है. ऐसे खांसी, दर्द, आवाज परिवर्तन, सिरदर्द और एपनिया-hypopnea सूचकांक में वृद्धि के रूप में साइड इफेक्ट आमतौर पर गर्भाशय ग्रीवावीएनएस 11,12 प्राप्त रोगियों में सूचित कर रहे हैं. उत्तेजना शक्ति में कमी इन दुष्प्रभावों को कम करने के लिए एक आम रणनीति है, हालांकि कम चार्ज चिकित्सीय फाइबर11 को सक्रिय करने में विफल रहने से वीएनएस थेरेपी की प्रभावकारिता को सीमित कर सकता है। इस परिकल्पना के समर्थन में, मिर्गी के उपचार के लिए उच्च तीव्रता उत्तेजना प्राप्त रोगियों की प्रतिक्रिया दर कम तीव्रताउत्तेजना 13 प्राप्त रोगियों की तुलना में अधिक था.
पेट वीएनएस सबडायाफ्रामिक वेगस तंत्रिका पर लागू होता है, यकृत और सीलिएक शाखाओं14 (चित्रा 1) के ऊपर। हमारे पिछले अध्ययन से पता चला है कि चूहों में पेट वीएनएस गर्भाशय ग्रीवावीएनएस 10 के साथ जुड़े हृदय या श्वसन दुष्प्रभाव का कारण नहीं बनता है. पहले के अध्ययनों में सूजन आंत्र रोग और संधिशोथ10,15 के चूहे मॉडल में पेट वीएनएस के विरोधी भड़काऊ प्रभाव भी प्रदर्शित होते हैं, साथ ही टाइप 2 मधुमेह16 के चूहे के मॉडल में ग्लाइसेमिया में कमी होती है। हाल ही में, पेट वीएनएस तकनीक का अनुवाद सूजन आंत्र रोग के उपचार के लिए पहले-इन-मानव नैदानिक परीक्षण के लिए किया गया है (NCT05469607).
परिधीय तंत्रिका इलेक्ट्रोड सरणी उदर वेगस तंत्रिका (WO2019095020 17) को उत्तेजना देने के लिए उपयोग किया जाता है, चूहों में उपयोग के लिए कस्टम विकसित किया गया है, और इसमें 4.7 मिमी अलग रखे गए दो से तीन प्लैटिनम इलेक्ट्रोड जोड़े शामिल हैं, जो मेडिकल-ग्रेड सिलिकॉन इलास्टोमर कफ द्वारा समर्थित हैं, एक टांके लगाने वाला टैब अन्नप्रणाली के लिए सरणी, एक लीड तार और एक पर्क्यूटेनियस कनेक्टर काठ का क्षेत्र (चित्रा 2) पर लगाया जाना है). लीड तार जानवर के बाईं ओर त्वचा के नीचे सुरंग है. एकाधिक इलेक्ट्रोड जोड़ी डिजाइन तंत्रिका की विद्युत उत्तेजना के साथ-साथ विद्युत रूप से विकसित यौगिक क्रिया क्षमता (ईसीएपी) की रिकॉर्डिंग की अनुमति देता है, जो तंत्रिका और सुपरथ्रेशोल्ड उत्तेजना तीव्रता पर प्रत्यारोपण के सही स्थान की पुष्टि करता है। पेट वीएनएस अच्छी तरह से10,15,16 महीने के लिए स्वतंत्र रूप से चलती चूहों में सहन किया जाता है. यह रोग मॉडल पर इसकी प्रभावकारिता के आकलन की अनुमति देता है।
यह पांडुलिपि इलेक्ट्रोड सरणी नसबंदी, पेट वेगस तंत्रिका आरोपण सर्जरी, और पुरानी उत्तेजना और रोग मॉडल की एक किस्म में पेट वीएनएस की प्रभावकारिता का अध्ययन करने के लिए जागृत चूहों में ईसीएपी की रिकॉर्डिंग के तरीकों का वर्णन करता है। इन विधियों को मूल रूप से सूजन आंत्र रोग10 के चूहे मॉडल में पेट वीएनएस की प्रभावकारिता का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया था और यह भी सफलतापूर्वक संधिशोथ15 और मधुमेह16 के एक चूहे मॉडल के लिए इस्तेमाल किया गया है.
Protocol
Representative Results
Discussion
पेट वीएनएस प्रत्यारोपण सर्जरी और वेगस तंत्रिका की पुरानी उत्तेजना और ईसीएपी की रिकॉर्डिंग की इस विधि का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है और आरोपण10,15,16 के बाद चूहों में 5 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
चूहे के पेट के वीएनएस प्रत्यारोपण के विकास को डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (डीएआरपीए) बीटीओ द्वारा वित्त पोषित किया गया था, अंतरिक्ष और नौसेना युद्ध प्रणाली केंद्र (अनुबंध संख्या N66001-15-2-4060) के माध्यम से डॉ डग वेबर और डॉ एरिक वान गिसन के तत्वावधान में। इस प्रकाशन में रिपोर्ट किए गए शोध को बायोनिक्स इंस्टीट्यूट इनक्यूबेशन फंड द्वारा समर्थित किया गया था। बायोनिक्स संस्थान अपने ऑपरेशनल इन्फ्रास्ट्रक्चरल सपोर्ट प्रोग्राम के माध्यम से विक्टोरियन सरकार से प्राप्त समर्थन को स्वीकार करता है। हम यांत्रिक डिजाइन के लिए श्री ओवेन बर्न्स, शारीरिक विशेषज्ञता के लिए प्रो जॉन बी फर्नेस, परिधीय इंटरफ़ेस, न्यूरोमॉड्यूलेशन और रिकॉर्डिंग विशेषज्ञता के लिए प्रो रॉबर्ट के शेफर्ड, पशुपालन और परीक्षण के लिए सुश्री फिलिप कम्मेरर और सुश्री एमी मॉर्ले, सुश्री फेनेला मुंट्ज़ और डॉ पेटा ग्रिग्सबी को पोस्ट-ऑपरेटिव पशु देखभाल पर उनकी सलाह के लिए, और सुश्री जेनी झोउ और वीएनएस सरणियों के उत्पादन के लिए नियोबायोनिका से इलेक्ट्रोड निर्माण टीम।
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).
