覚醒ラットにおける腹部迷走神経刺激および記録研究のための移植手術
Summary
本プロトコルは、ラットの腹部迷走神経に電極アレイを埋め込むための外科的技術と、埋め込まれたデバイスを使用した慢性電気生理学的検査および刺激の方法を説明する。
Abstract
腹部迷走神経刺激(VNS)は、ラットの迷走神経の横隔膜下枝に適用できます。その解剖学的位置により、子宮頸部VNSに一般的に関連する呼吸器および心臓のオフターゲット効果はありません。呼吸器および心臓のオフターゲット効果がないため、子宮頸部VNS中に一般的に経験される副作用を軽減するために刺激の強度を下げる必要はありません。炎症性腸疾患、関節リウマチ、および2型糖尿病のラットモデルにおける血糖低下のラットモデルにおける腹部VNSの抗炎症効果を示す最近の研究はほとんどありません。ラットは、迷走神経の解剖学的構造が確立されていること、神経のサイズが大きいため取り扱いが容易であること、および多くの疾患モデルが利用できるため、この技術の可能性を探るのに最適なモデルです。ここでは、ラットにおける腹部VNS電極アレイの洗浄および滅菌方法と手術プロトコルについて説明します。また、誘発された化合物活動電位を記録することにより、閾値超刺激を確認するために必要な技術についても説明します。腹部VNSは、炎症性疾患を含む様々な疾患に対して選択的かつ効果的な治療を提供する可能性を秘めており、子宮頸部VNSと同様に用途拡大が期待されています。
Introduction
頸部の頸部に照射する迷走神経刺激療法(VNS)は、難治性てんかん、難治性うつ病、虚血性脳卒中後のリハビリテーション1に対して米国食品医薬品局(FDA)が承認した治療薬であり、欧州では心不全に対して欧州委員会が承認した治療薬2です。非侵襲的頸部VNSは、片頭痛と頭痛に対してFDA承認されています1。その用途は拡大すると予想され、最近の臨床試験では、クローン病3、関節リウマチ4,5、耐糖能障害、2型糖尿病6,7などの他の適応症でのVNSの有効性が示されています。有望ではあるが、頸部VNSは、肺と心臓を神経支配する神経線維のオフターゲット活性化により、徐脈や無呼吸を引き起こす可能性がある8,9,10。咳、痛み、声の変化、頭痛、無呼吸低呼吸指数の増加などの副作用は、子宮頸部VNS11,12を受けている患者で一般的に報告されています。刺激強度の低下は、これらの副作用を軽減するための一般的な戦略ですが、電荷の減少は、治療用繊維を活性化できないことにより、VNS療法の有効性を制限する可能性があります11。この仮説を裏付けるように、てんかんの治療のために高強度の刺激を受けた患者のレスポンダー率は、低強度の刺激を受けた患者のレスポンダー率よりも高かった13。
腹部VNSは、肝臓および腹腔枝の上にある横隔膜下迷走神経に適用されます14(図1)。私たちの以前の研究は、ラットで腹部VNSが子宮頸部VNSに関連する心臓または呼吸器の副作用を引き起こさないことを実証しました10。以前の研究では、炎症性腸疾患と関節リウマチのラットモデルにおける腹部VNSの抗炎症効果も実証されています10,15、および2型糖尿病のラットモデルにおける血糖の減少16。最近、腹部VNS技術は、炎症性腸疾患(NCT05469607)の治療のためのファースト・イン・ヒューマン臨床試験に転用されました。
腹部迷走神経(WO201909502017)に刺激を与えるために使用される末梢神経電極アレイは、ラットで使用するためにカスタム開発されたもので、4.7mm間隔で配置された2〜3組の白金電極ペアで構成され、医療グレードのシリコンエラストマーカフ、アレイを食道に固定するための縫合タブ、リード線、および腰部に取り付けられる経皮的コネクタによって支えられています(図2).リード線は動物の左側の皮膚の下にトンネルを掘っています。複数の電極ペア設計により、神経の電気刺激が可能になるだけでなく、電気的に誘発された複合活動電位(ECAP)を記録し、神経へのインプラントの正しい配置と閾値超刺激強度を確認できます。腹部VNSは、10,15,16か月間、自由に動くラットで忍容性が良好です。これにより、疾患モデルに対する有効性を評価することができます。
この原稿では、さまざまな疾患モデルにおける腹部VNSの有効性を研究するために、電極アレイ滅菌、腹部迷走神経移植手術、および覚醒ラットにおけるECAPの慢性刺激と記録の方法について説明します。これらの方法は、もともと炎症性腸疾患10 のラットモデルにおける腹部VNSの有効性を研究するために開発され、関節リウマチ15 および糖尿病16のラットモデルにも成功裏に使用されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
腹部VNSインプラント手術と迷走神経の慢性刺激およびECAPの記録のこの方法は、移植後のラットで5週間使用され、忍容性が良好です10,15,16。胃、肝臓、腸を引っ込めて食道と迷走神経をよく見ることは、手術の重要なステップの1つです。これらの臓器が引っ込められると、迷走神経にアクセスできるようになります。胃を?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ラット腹部VNSインプラントの開発は、国防高等研究計画局(DARPA)BTOの資金提供を受け、Doug Weber博士とEric Van Gieson博士の後援の下、Space and Naval Warfare Systems Center(契約番号N66001-15-2-4060)を通じて行われました。本誌で報告された研究は、Bionics Institute Incubation Fundの支援を受けました。バイオニクス・インスティテュートは、ビクトリア州政府から運用インフラ支援プログラムを通じて受けた支援を認めています。機械設計のOwen Burns氏、解剖学の専門知識をしてくれたJohn B Furness教授、末梢界面、ニューロモデュレーション、レコーディングの専門知識をしてくれたRobert K Shepherd教授、畜産と試験のPhilippa Kammerer氏とAmy Morley氏、術後の動物ケアに関するアドバイスをしてくれたFenella Muntz氏とPeta Grigsby博士、VNSアレイの製造についてNeoBionicaのJenny Zhou氏と電極製造チームに感謝します。
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).
